Фактът, че вие, аз или което и да е друго живо същество изобщо съществуваме, се дължи на поредица от удивителни случайности, започнали преди повече от 4 милиарда години.
Едно от най-големите препятствия по този път обаче беше първото: как точно животът се е зародил от първичната супа от неорганична материя?
Радикално ново изследване, публикувано в списание Science Advances, показва, че тази малко вероятна граница може би е била премината не веднъж, а два пъти.
Според проучването, два от основните клонове на живота – бактериите и археите – независимо едни от други са развили механизмите на своя метаболизъм. Именно това ги е превело през границата между неживата и живата материя. Изследването е фокусирано върху най-елементарния набор от химични реакции, за които се смята, че са задвижили тази мащабна трансформация.
„Изненадата в случая е, че ензимите, които катализират тези реакции, не са се запазили от двете страни на еволюционното деление, разделящо бактериите и археите“, обяснява Уилям Мартин, биолог от Университета „Хайнрих Хайне“ в Дюселдорф, Германия.
„Новите данни водят само до едно заключение: линиите на бактериите и археите са преминали към свободно живеещо състояние независимо една от друга. А само свободно живеещите клетки са наистина живи“, категоричен е Уилям Мартин. „Нека го кажем с истинското му име: виждаме един общ произход на генетичния код, но два отделни произхода на живота.“
Това е изключително смело твърдение, особено като се има предвид колко трудно е да се дефинира какво точно представлява „животът“.
В най-общ смисъл за жива се смята материя, която реагира на околната среда, усвоява енергия, расте и се възпроизвежда. Макар това определение на пръв поглед да обхваща основните критерии, то далеч не е съвършено. Вирусите например притежават повечето от тези свойства, но традиционно не се класифицират като живи организми.
Има обаче един универсален аспект на живота, който липсва при вирусите – метаболизмът. Това е сложна мрежа от химични реакции, които организмите използват за синтезиране на молекули, жизненоважни за ежедневното им функциониране.
Основните двигатели на тези реакции са ензимите – специализирани протеини, които действат като биокатализатори. Това обаче повдига класическия парадокс за кокошката и яйцето. Тъй като самите ензими са продукт на химични реакции, как първите форми на живот са започнали да метаболизират вещества (включително да произвеждат ензими) без съществуването на предварителни такива?
Отговорът, изглежда, се крие в специфичните условия на заобикалящата ги среда.
Широко разпространено е схващането, че първите форми на живот са възникнали в изключително реактивни среди, каквито са дълбоководните хидротермални извори. Намиращите се там естествени метали вероятно са послужили като първите катализатори на метаболизма, трансформирайки съединения като водород, амоняк и въглероден диоксид в полезни за живите системи молекули.
„Голяма част от аспектите около произхода на метаболизма остават обект на сериозни спорове, включително ролята на енергията, генетиката, автокатализата, фосфатите, кофакторите, цианида, въглеродния диоксид и водата“, посочват Мартин и колегите му в своята научна публикация. „По един въпрос обаче съществува пълен консенсус: мрежата от около 400 реакции, която превръща водорода, въглеродния диоксид, амоняка, сероводорода и фосфатите в аминокиселини, нуклеотидни бази и кофактори, не е могла да възникне за един миг“, допълва Уилям Мартин. „Нейната поява чрез спонтанни процеси в средата е преминала през междинни етапи на сглобяване, които до този момент оставаха пълна загадка.“
За да разбулят тази тайна, изследователите проучват протеиновите структури на основните метаболитни ензими в геномите на бактериите и археите. Те разработват нов метод и алгоритъм за подреждането им по сложност, което им позволява да определят кои ензими са се развили най-рано и да сглобят приблизителна хронологична линия на еволюцията.
- Химическата мрежа на живота: Анализът на учените показва как началната смес от химични съединения се трансформира чрез метаболизъм в основните градивни елементи на живота. В изследването общо 420 ензимни реакции са картографирани като кръгове, а химическите метаболити – като ромбове, като линии свързват споделените между тях елементи. Кръговете, оцветени в лилав нюанс, илюстрират реакциите, които са могли да бъдат катализирани изцяло от неорганични съединения в средата – още преди появата на първите живи клетки.
„Открихме, че Последният универсален общ прародител на всички клетки (LUCA) е притежавал ензими едва за около половината от тези метаболитни реакции“, отбелязва Мартин и добавя:
„Другата половина от процесите е била катализирана директно от металите в средата, където е възникнал LUCA.“
Екипът установява, че развитието на катализата (управляваните от ензими реакции) най-вероятно е преминало през четири отделни фази. През първата от тях процесите са разчитали единствено на наличните в средата метални съединения.
След като в тези специфични условия се натрупват достатъчно полезни органични молекули, протоклетките – които все още не са били напълно живи организми (включително и самият LUCA) – започват да развиват свои собствени ензими. Постепенно те поемат функциите на първичните метални катализатори. С течение на времето по-късните еволюционни форми развиват все повече ензими, намалявайки зависимостта си от външната среда, докато в крайна сметка спират да се нуждаят от нея. Едва в този момент те преминават прага и се превръщат в „свободно живеещи клетки“.
Ключовото откритие на изследователите е, че това еволюционно събитие се е случило едва след като бактериите и археите вече са се разделили като генетични линии. Тъй като вече са били изолирани едни от други, двата клона на живота са открили свои собствени, уникални начини за справяне с едни и същи химични предизвикателства.
„Наблюдаваме случаи, при които предците на бактериите и археите независимо са развили структурно напълно различни ензими, за да катализират една и съща жизненоважна метаболитна реакция“, обяснява Наталия Мрнявац, биолог от Университета „Хайнрих Хайне“ в Дюселдорф. По думите ѝ именно тези успоредни научни „изобретения“ на природата са проправили пътя към напълно независимото появяване на свободно живеещите бактерии и археи на нашата планета.
Новото изследване попълва и друга сериозна празнина в разбирането ни за произхода на живота.
Молекулата АТФ (аденозинтрифосфат) днес е основният и жизненоважен източник на енергия, който подхранва клетъчния метаболизъм. Тя обаче също се синтезира с помощта на ензими и изобщо не е присъствала в пребиотичната химия. Сега изследователите смятат, че са открили нейната древна алтернатива.
„Когато активираме фосфит – форма на фосфора, която се среща естествено в хидротермалните извори – в комбинация с органични съединения, получаваме светкавични метаболитни реакции на фосфорилиране във водна среда“, обяснява Манон Шликер, учен по молекулярна еволюция в Университета „Хайнрих Хайне“ в Дюселдорф. „Фосфитът и паладият успешно заместват АТФ и ензимите. Това е невероятно откритие, което прави разбирането на ранната еволюция много по-лесно.“
Все пак учените подчертават, че от ключово значение за тези химични процеси е самата среда, в която са протичали, а науката все още няма напълно ясна представа за нея – дали е била чиста вода, или по-скоро гъста, лепкава субстанция.
Ако констатациите бъдат потвърдени от последващи изследвания, традиционната представа за „Дървото на живота“ ще трябва да бъде преразгледана. Досега бяхме свикнали да възприемаме LUCA като единствения общ „ствол“, от който се разклоняват всички минали и настоящи организми. Оказва се обаче, че е имало два напълно отделни ствола, които са се разделили още в самите корени – преди биологично и технически изобщо да са били живи клетки.
