Новые исследования показывают, что все живое сегодня произошло от клетки, которая жила 4,2 миллиарда лет назад, всего через несколько сотен миллионов лет после образования Земли. Этот последний универсальный общий предок, которого биологи ласково прозвали ЛУКА, не так уж сильно отличался от довольно сложных бактерий, существующих сегодня, — и он жил в экосистеме, кишащей другими видами жизни и вирусами.
«Что действительно интересно, так это то, что очевидно, что у него была ранняя иммунная система, что показывает, что даже 4,2 миллиарда лет назад наш предок вел гонку вооружений с вирусами», — говорится в заявлении Давиде Пизани, исследователя геномики из Бристольского университета в Великобритании и соавтора нового исследования.
Вся клеточная жизнь на Земле имеет определенные ключевые особенности: она использует одни и те же белковые строительные блоки, все использует одну и ту же энергетическую валюту для питания своих клеток (АТФ), и все клетки используют ДНК для хранения информации. Эти общие черты вряд ли являются совпадением; все они указывают на то, что жизнь, которую мы знаем сегодня, происходит из одного источника.
До этого исследования ученые подсчитали, что LUCA жил 3,9 миллиарда лет назад. Однако точное датирование генетических событий, произошедших так давно, является сложной задачей.
Иллюстрация, как LUCA уже подвергался атакам вирусов 4,2 миллиарда лет назад. Science Graphic Design
В новом исследовании, опубликованном 12 июля в журнале Nature Ecology & Evolution, исследователи стремились точнее определить происхождение LUCA. Команда сравнила все гены в 700 ныне живущих видах бактерий и архей (микробы, похожие на бактерии и часто живущие в экстремальных условиях). Они выбрали организмы в этих доменах, поскольку они считаются старейшими формами жизни, а эукариоты произошли от союза между обоими типами клеток. Затем исследователи подсчитали мутации, которые произошли с течением времени в геномах и в 57 генах, общих для всех 700 организмов, используя предполагаемые скорости мутаций для обратного расчета времени жизни LUCA. Они подкрепили свою оценку возраста, используя окаменелости, содержащие следы древней жизни, такие как остатки микробных матов возрастом 3,48 миллиарда лет из Австралии. Древние окаменелости дали им представление об атмосферных условиях ранней Земли и предоставили более низкую оценку того, когда LUCA мог выжить.
Это позволило установить, что LUCA жил примерно 4,2 миллиарда лет назад.
«Мы не ожидали, что LUCA окажется настолько старым, ведь он появился всего через сотни миллионов лет после формирования Земли», — сказала соавтор Сандра Альварес-Карретеро, научный сотрудник UCL в Великобритании. В то время, во время Гадея (4,6–4 миллиарда лет назад), Земля была негостеприимным местом с горячими океанами и очень низким содержанием кислорода в атмосфере.
Кроме того, сортируя гены на основе их клеточной функции, исследователи могли что-то сказать о том, как и где жил LUCA и чем он питался. Их анализы не определили точную среду обитания LUCA, но предполагают, что он, вероятно, жил в океанической среде, мелководном гидротермальном источнике или горячем источнике. Кроме того, они обнаружили, что LUCA, вероятно, мог переносить экстремальные температуры и «дышал» без кислорода, вместо этого полагаясь на отходы других, которые разделяли его экосистему.
Доказательства того, что LUCA был не одинок, получены из реконструкции метаболических путей LUCA. Это предполагает, что LUCA мог использовать органический материал, который уже был расщеплен другими микробами для получения энергии. Другие подтверждающие доказательства получены из удивительного результата, что LUCA уже был оснащен генами, которые могли помочь защититься от инфекционных вирусов.
Тот факт, что LUCA уже тогда жил в процветающей экосистеме, имеет интересные последствия для жизни на других планетах, говорится в заявлении старшего автора исследования Филиппа Донохью, профессора палеобиологии в Университете Бристоля.
«Это говорит о том, что жизнь может процветать в биосферах, подобных земным, где-то еще во Вселенной», — сказал Донохью.
Одна группа ученых установила, что последний универсальный общий предок жизни мог существовать около 4,2 миллиарда лет назад, а авторы другого исследования предположили, что глубоководные полиметаллические конкреции могли быть еще одним источником кислорода, поддерживающего жизнь, помимо фотосинтетических процессов, происходящих под воздействием света вблизи поверхности планеты.
Теперь еще одно новое исследование (под руководством ученых из Кардиффского университета) еще больше усложняет хронологию развития древней Земли, предлагая теорию о том, что первые формы сложной жизни на самом деле появились в палеопротерозойскую эру — примерно на 1,5 миллиарда лет раньше, чем считалось ранее.
Эрнест Чи Фру, который руководил исследованием, сказал, что эти формы жизни, вероятно, сформировались в «богатой питательными веществами лаборатории» в осадочной геологической области, известной как Франсвильская впадина, расположенной на территории современного Габона. Результаты исследования были опубликованы в журнале Precambrian Research.
«Мы считаем, что подводные вулканы, которые последовали за столкновением и сшиванием кратонов Конго и Сан-Франциско в один основной массив, еще больше ограничили и даже отрезали этот участок воды от мирового океана, создав богатое питательными веществами мелководное внутреннее море», — сказал Чи Фру в пресс-релизе. «Это создало локализованную среду, где фотосинтез цианобактерий был обильным в течение длительного периода времени, что привело к оксигенации местной морской воды и образованию большого пищевого ресурса».
Хотя кембрийский взрыв часто рекламируется как удивительное геологическое событие, которое дало начало сложной жизни на Земле (и это определенно так), ученые знают, что многоклеточная жизнь существовала в предшествующий эдиакарский период в форме трубчатых, листовидных организмов. В интервью BBC Чи Фру описал свои гипотетические многоклеточные формы жизни как больше похожие на современных безмозглых слизевиков.
Главным доказательством, указывающим на эту раннюю «лабораторию» жизни, является химический анализ кернов осадочных пород, пробуренных в бассейне в Габоне. Команда предположила, что высокие уровни кислорода и фосфора, присутствующие в этих кернах, могли возникнуть из-за вулканической активности, вызванной столкновением двух плит — кратонов Конго и Сан-Франциско. В то время как остальная часть мира была слишком бедна питательными веществами, чтобы поддерживать сложную жизнь в то время. Но эти условия, утверждает Чи Фру, «предоставляли достаточно энергии для увеличения размера тела и более сложного поведения» и представляли невероятную возможность для многоклеточной жизни занять первую точку опоры на Земле.
Однако, по словам Чи Фру, этот первый шанс на возникновение сложной жизни продлился недолго — не слишком благоприятная среда, окружающая это закрытое внутреннее море, ограничила рост этих форм жизни и снизила их способность достичь мирового господства.
Однако Франсвильская котловина имеет долгую историю противоречий. Первые «ископаемые», указывающие на сложную жизнь в этой котловине, были обнаружены в 2008 году, и с тех пор другие ученые выдвигали теории, предполагающие, что образцы были просто абиотическими кристаллами пирита, образовавшимися в результате диагенеза — физических и химических изменений в осадконакоплении, обнаруженных при взаимодействии воды и горных пород.
Аналогично ученые с опаской относятся к выводам Чи Фру. Например, Грэм Шилдс — геолог из Лондонского университетского колледжа — рассказал BBC, что даже если этот бассейн действительно содержал больше питательных веществ, чем обычно 2,1 миллиарда лет назад, этого не обязательно достаточно, чтобы предположить, что тогда зародилась многоклеточная жизнь.
Новое исследование предполагает, что древние бактерии L-формы могут объяснить странные микроокаменелости, обнаруженные в некоторых из древнейших пород мира. Микроископаемые, найденные по всему миру, содержат образцы, которые не похожи на современные клетки.
Новое исследование, проанализировав некоторые бактерии Мертвого моря, не имеющие клеточных стенок, выдвигает теорию о том, как появились эти странные микроископаемые.
Хотя это понимание помогает проиллюстрировать некоторые странные морфологии этих окаменелостей, оно не является окончательным доказательством того, что именно так зародилась жизнь на Земле.
Микроископаемые имеют тенденцию вносить путаницу в нашу хронологию того, когда жизнь образовалась на Земле. Как следует из их названия, эти древние породы содержат крошечные окаменелые останки простейших и бактерий, и когда геолог Стэнли Тайлер из Университета Висконсин-Мэдисон в 1953 году обнаружил первые микроископаемые в докембрийских породах, это отодвинуло возникновение жизни более чем на миллиард лет назад.
Перенесемся на 70 лет вперед, и новые микроископаемые отодвинули эту временную шкалу далеко в архейский эон. Большинство предполагает, что первые клетки, вероятно, были проще, чем бактерии шириной 1-2 микрометра, которые есть у нас сегодня, которые не имеют внутренних структур, в отличие от эукариот. Однако клетки, обнаруженные в этих осадочных породах — некоторые из которых имеют возраст около 3,8 миллиарда лет — не подтверждают это предположение.
Вместо этого эти древние микроископаемые, которые были найдены в районах по всему миру, могут достигать 70 микрометров в поперечнике и поддерживать внутренние структуры. Это вдохновило Дираджа Канапарти, ученого из Института биохимии Макса Планка в Мюнхене, Германия, задать извечный вопрос: почему?
«Эти окаменелости выглядят слишком сложными», — сказал Канапарти New Scientist. Он опубликовал рецензируемый препринт в журнале eLife. «Они также слишком большие. То, что мы находим, всегда сбивает с толку».
Как ни странно, он нашел намеки на объяснение, исследуя пресноводные источники, расположенные на дне очень соленого Мертвого моря. Эти структуры были впервые обнаружены в 2011 году во время первой в истории экспедиции по дайвингу в Мертвое море, и, вопреки названию водоема, они столкнулись с целым рядом микроорганизмов вокруг этих источников. Некоторые из бактерий в этой уникальной экосистеме демонстрировали странные формы по сравнению с другими бактериями, и это потому, что они на самом деле были L-формами.
Названные в честь Института Листера в Лондоне, который открыл их в 1930-х годах, эти L-формы имеют одну специфическую характеристику, которая отличает их от других бактерий — у них нет клеточной стенки. Обычно эти клетки разбухают и лопаются из-за осмоса (оказывается, клеточные стенки очень важны в этом отношении), но в некоторых особых условиях они могут выживать и расти.
Ранее предполагалось, что эти L-формы могли послужить шаблоном для протоклеток на древней Земле, но Канапарти и его коллеги показывают, что формы, созданные этими L-формами, когда последние помещаются в среду с высокой соленостью, которая, по мнению ученых, существовала вдоль побережий во время архея, начинают напоминать микроископаемые, найденные в этих древних породах.
Канапарти и его команда также утверждают, что внутренняя структура этих микроокаменелостей на самом деле является всего лишь иллюзией, созданной новыми клетками, формирующимися с помощью L-форм.
Конечно, если вы посмотрите вокруг сегодня, вы увидите, что отсутствие клеточной стенки не совсем выигрышная эволюционная стратегия, и это было бы верно и для этих гипотетических древних L-форм. Они были бы «на милости своей среды», сказал Канапарти New Scientist, и не были бы очень эффективны в воспроизводстве.
Это всего лишь теория, которая пытается объяснить различные морфологии, обнаруженные в микроископаемых по всему миру. Поскольку трудно по-настоящему воспроизвести условия палеоархейской Земли или охватить ее глобальную изменчивость, о том времени много неизвестного, но L-формы могут стать первым шагом в разгадке многолетней тайны, почему эти микроископаемые не совсем соответствуют нашему пониманию жизни и того, как она сформировалась.
