Życie na Ziemi narodziło się... dwa razy. Nowe badanie zmienia fundamenty biologii

Przez dziesięciolecia nauka przyjmowała, że całe życie na naszej planecie pochodzi od jednego wspólnego przodka, nazwanego LUCA (ang. Last Universal Common Ancestor). Najnowsze dane, opublikowane w „Science Advances”, rzucają jednak wyzwanie temu przekonaniu. Sugerują, że choć kod genetyczny jest u wszystkich organizmów uniwersalny, to sam proces przejścia od materii nieożywionej do żywej dokonał się dwukrotnie i niezależnie u bakterii i archeonów. Zrozumienie tego procesu wymaga cofnięcia się o cztery miliardy lat, do podwodnych ekosystemów, gdzie granica między chemią a biologią zacierała się.

Kuźnia życia w głębinach oceanu

Kluczem do rozwiązania zagadki początków życia są podwodne kominy hydrotermalne, w których gorąca, zasadowa woda wydobywająca się z dna morskiego, wchodzi w reakcje ze skałami bogatymi w metale. To środowisko to prawdziwa „zupa" złożona z mnóstwa związków i pierwiastków chemicznych. Według badaczy to właśnie tam narodziły się pierwsze oznaki metabolizmu – czyli samodzielnej produkcji związków chemicznych koniecznych do przeżycia.

Początkowo był on napędzany nie przez skomplikowane enzymy, tak jak dziś, lecz przez naturalnie występujące minerały. Metale takie jak nikiel, żelazo i kobalt działały jak pierwotne katalizatory, przekształcając proste gazy – wodór i dwutlenek węgla – w organiczne cząsteczki stanowiące budulec komórek.

Analiza genów wykazała, że LUCA posiadał zaledwie połowę enzymów niezbędnych do podtrzymania procesów życiowych, co oznacza, że drugą połowę musiało zapewniać środowisko geochemiczne. Na tym etapie ewolucji protokomórki były więc nierozerwalnie związane ze swoim otoczeniem i od niego zależne. Prawdziwy „skok w życie” dokonał się później, i to dwa razy.

Dwa pnie drzewa życia

Naukowcy z Uniwersytetu Heinricha Heinego w Düsseldorfie odkryli, że enzymy katalizujące te same kluczowe reakcje metaboliczne, u archeonów bakterii mają zupełnie inną historię ewolucyjną. Naukowcy zidentyfikowali pięć konkretnych przypadków, w których obie te domeny niezależnie „wynalazły” strukturalnie odmienne enzymy do katalizowania tych samych reakcji, takich jak np. synteza alaniny za pomocą dehydrogenazy alaninowej.

A zatem bakterie i archeony oddzieliły się od siebie jeszcze zanim stały się w pełni żywymi, niezależnymi organizmami. Jak podkreśla biolog William Martin, dane te prowadzą do jednej konkluzji: choć obie grupy opierają kod genetyczny na tych samych związkach, ich przejście do stanu „swobodnego życia” dokonało się dwukrotnie i niezależnie. Można więc stwierdzić, że życie jakie znamy, powstało dwa razy.

Zamiast jednego pnia drzewa życia, z którego wyrastają wszystkie gałęzie, powinniśmy raczej wyobrażać sobie dwa odrębne pnie, które mają korzenie w tym samym chemicznym podłożu, ale wyrosły ponad nie w różny sposób. Równoległa ewolucja pozwoliła bakteriom i archeonom na niezależne opuszczenie hydrotermalnego „żłobka”.

Energetyczny przełom i wolność od skał

Zanim życie nauczyło się wykorzystywać cząsteczkę ATP (adenozynotrifosforanu) jako uniwersalne paliwo, musiało polegać na prostszych źródłach energii dostępnych w środowisku. Badania wskazują na związki fosforu występujące w systemach hydrotermalnych. Przy współudziale palladu i niklu, mogły one napędzać pierwsze reakcje metaboliczne.

Przejście od katalizy metalicznej do enzymatycznej było procesem rewolucyjnym, lecz stopniowym, w którym związki organiczne powoli zastępowały funkcje minerałów ze środowiska. Nowe badanie udowadnia, że było także procesem, który zaszedł dwa razy.

Gdy bakterie i archeony zdołały zamknąć swoje metabolizmy wewnątrz błon komórkowych i samodzielnie wytwarzać niezbędne do życia związki, stały się bytami autokatalitycznymi – czyli zdolnymi do samodzielnej egzystencji. To właśnie ta „ucieczka ze środowiska” stworzyła życie jakie znamy dzisiaj: mobilne, zróżnicowane i zdolne do kolonizacji niemal każdego zakątka Ziemi.

Źródło: Scientific Reports

Nasza autorka

Magdalena Rudzka

Redaktorka i wydawczyni National-Geographic.pl. Wcześniej związana m.in. z National Geographic Traveler i magazynem pokładowym PLL LOT Kaleidoscope. Z wykształcenia humanistka (MISH i SNS PAN), ale to przyroda stanowi jej największą pasję. Szczególnie bliskie są jej ekosystemy słodkowodne, a prawdziwym „konikiem” są ryby. W National-Geographic.pl pisze o swoich przyrodniczych pasjach, nauce i medycynie. Prywatnie ceni sobie podróże po nieoczywistych kierunkach, ze szczególnym sentymentem do Europy Środkowej i Wschodniej.