Найдены корни и ранние ветви древа жизни
Исследование, опубликованное в PLoS Computational Biology, связывает развитие химии, поддерживающей жизнь, с историей ранних форм жизни. Учёные Рожье Бракман и Эрик Смит из Института Санта-Фе проследили шесть современных методов фиксации углерода до единой предковой формы.
Фиксация углерода — механизм превращения CO2 в биологически полезные соединения — представляет собой главный мост между неживой химией Земли и её биосферой. Все организмы фиксируют углерод одним из шести способов. Эти механизмы частично перекрываются, но ранее было неясно, какой из них появился первым и как их развитие переплеталось с изменениями в окружающей среде и биологии.
Авторы использовали метод построения «деревьев» эволюционного родства на основе генетических последовательностей и метаболических признаков. Это позволило реконструировать полную раннюю эволюционную историю биологической фиксации углерода, связав все современные способы выполнения этой функции.
Самая ранняя выявленная форма фиксации углерода достигала особой встроенной устойчивости — не наблюдаемой в современных клетках — за счёт наслоения нескольких механизмов. Эта избыточность позволяла ранней жизни компенсировать отсутствие тонкого контроля над внутренней химией и сформировала шаблон для последующего разделения, создавшего первые крупные ветви древа жизни. Например, первое крупное разделение форм жизни совпало с самым ранним появлением кислорода на Земле, что привело к отделению предков цианобактерий и большинства других бактерий от ветви, включающей архей — второй крупной группы одноклеточных микроорганизмов.
«Похоже, самые ранние клетки были хрупкими конструкциями, чьи части постоянно выходили из строя и ломались, — объясняет Смит. — Как можно поддерживать какой-либо метаболизм при такой шаткой основе? Ключ — в одновременной и постоянной избыточности».
Как только у ранних клеток появились более совершенные ферменты и мембраны, обеспечившие больший контроль над метаболической химией, дальнейшее развитие жизни направлялось минимизацией затрат энергии (АТФ) на создание биомассы, изменениями уровня кислорода и щёлочности. Другими словами, среда предсказуемо вела к основным дивергенциям, в отличие от распространённого мнения, что эволюционные инновации доминировали случайностью, и «перемотка» эволюционной ленты привела бы к совершенно другому древу жизни.
«Сопоставление клеточной функции с генетической историей даёт нам чёткую картину физиологии, которая привела к основополагающим эволюционным расхождениям, — поясняет Бракман. — Это подчёркивает центральную роль базовой химии и физики в движении ранней эволюции».
Обнаружив предковую форму и связав движущие силы эволюции с точками ветвления, исследователи теперь хотят придать исследованию более строгую математическую форму и глубже проанализировать раннюю эволюцию метаболизма.