В поисках ЛУКА, последнего универсального общего предка

Около 4 миллиардов лет назад существовал микроб ЛУКА (LUCA) — Последний Универсальный Общий Предок. Свидетельства указывают, что он мог вести «инопланетный» образ жизни, скрываясь глубоко под землёй в богатых железом и серой гидротермальных источниках. Будучи анаэробным и автотрофным, он не дышал воздухом и создавал пищу из тёмной, богатой металлами окружающей среды. Его метаболизм зависел от водорода, углекислого газа и азота, превращая их в органические соединения, такие как аммиак. Это был начало длинной линии, которая включает в себя всю жизнь на Земле.

Древние гены

Ранние исследования искали универсальные гены, присутствующие во всех геномах, что давало лишь около 30 генов ЛУКА. Другой подход — поиск генов, присутствующих хотя бы у одного представителя доменов архей и бактерий — выявил 11 000 общих генов, но это число казалось завышенным.

Команда Билла Мартина из Университета Генриха Гейне (Дюссельдорф) поняла, что явление латерального (горизонтального) переноса генов (LGT) искажает картину. Гены могли перемещаться между видами и доменами, маскируя исходный генетический сигнал ЛУКА.

Учёные начали искать «древние» гены с исключительно длинной родословной, которые, по-видимому, не переносились посредством LGT. Чтобы считаться унаследованными от ЛУКА, ген должен был присутствовать как минимум в двух группах архей и двух группах бактерий.

В результате анализа из первоначальных 11 000 генов осталось всего 355, которые, по утверждению команды, определённо принадлежали ЛУКА и могут рассказать о его образе жизни.

Хотя 355 генов недостаточно для поддержания жизни в современном понимании, авторы предполагают, что ЛУКА мог использовать молекулы из окружающей среды для компенсации отсутствующих функций, например, для синтеза аминокислот.

Что говорят эти 355 генов:

• ЛУКА жил в гидротермальных источниках.
• Использовал молекулярный водород в качестве источника энергии (серпентинизация в гидротермальных источниках производит его в изобилии).
• Обладал геном для создания фермента обратная гираза, который сегодня встречается у экстремофилов в высокотемпературных средах.

Двухдоменное древо жизни

Традиционная модель «трёх доменов» (эукариоты, бактерии, археи) уступает место новой картине. «Двухдоменное древо», где базальное разделение произошло между археями и бактериями, а эукариоты являются их производной, теперь считается лучшей гипотезой.

Согласно филогенетике, эукариоты возникли в процессе эндосимбиоза: архейный хозяин объединился с бактерией-симбионтом из группы альфа-протеобактерий. Со временем этот симбионт эволюционировал в митохондрии — энергетические станции сложных эукариотических клеток.

Недавние открытия, такие как обнаружение суперфилума архей «Асгард» (включая Lokiarchaeota, Thorarchaeota и др.) в гидротермальных источниках «Замок Локи», подтверждают эту идею. Эти археи — ближайшие живые родственники эукариот.

Сближаясь с ЛУКА

ЛУКА — не начало жизни (доказательства жизни датируются 3,7 млрд лет). Его появление и разделение на архей и бактерий могло произойти в период от 2 до 4 млрд лет назад.

Филогенетика помогает сузить диапазон, но анализ осложнён огромными временными масштабами. Прогресс связан с совмещением данных филогенетики, биохимии и геологии.

Ключевое свидетельство — путь фиксации углерода Вуда–Льюнгдаля, самый древний из известных. Он начинается с водорода и CO₂ и указывает на щелочную гидротермальную среду, которая обеспечивает всё необходимое: структуру, естественные протонные градиенты, H₂ и CO₂. Работа команды Билла Мартина подтверждает, что ЛУКА использовал именно этот путь.

Астробиологические следствия

Понимание происхождения жизни и природы ЛУКА важно для поиска жизни за пределами Земли. Гидротермальные источники, подобные тем, где жил ЛУКА, могут быть обычным явлением в Солнечной системе (например, на спутниках Европа или Энцелад). Для них нужны лишь камень, вода и геохимическое тепло.

«Среди астробиологических следствий нашей работы о ЛУКА — тот факт, что свет не нужен, — говорит Билл Мартин. — Происхождение жизни и первые клетки работали на химической энергии, которая присутствует и сегодня на таких телах, как Энцелад».

Это открывает надежду на обнаружение жизни в аналогичных средах на ледяных спутниках планет-гигантов.