Одноклеточный организм, давший начало всем доменам земной жизни, жил рядом с вулканическими горячими источниками на дне океана и питался выходящим из них водородом.
Все живые существа на земле делятся бактерий, архей и эукариот, к которым принадлежим и мы с вами. (Есть ещё вирусы, но, поскольку они представляют собой, грубо говоря, белково-нуклеиновые комплексы, то их ставят несколько в стороне от тех, кто состоит из клеток.)
В очень далёком прошлом все три домена жизни – бактерии, археи и эукариоты – сходились в одной точке, которая называется последним универсальным общим предком, или LUCA (Лука) – last universal common ancestor.
Лука жил на Земле примерно 3,5–3,8 млрд лет назад, и в нём уже были запечатлены все основные черты земной жизни: его наследственная информация в виде генетического кода хранилась в ДНК, белки состояли из 20 аминокислот, энергия запасалась в виде АТФ и т. д. Но это только в самых общих чертах. Нам, конечно, хочется знать больше подробностей про жизнь Луки, а как их узнаешь без машины времени? Палеонтологических останков от древнего одноклеточного, естественно, не осталось. Так что в нашем распоряжении есть только один способ: выискивать признаки последнего общего предка в геномах современных форм жизни.
Суть такого метода интуитивно понятна: если, например, мы видим, что у кишечной палочки и у нас есть какой-то общий ген, то мы можем с уверенностью сказать, что этим геном нас наградил некий общий предок, от которого произошли и люди, и бактерии. Понятно, что вряд ли подобные гены будут абсолютно одинаковыми, всё-таки за миллионы лет эволюции в них могут накопиться различия, влияющие или не влияющие на их функции. Но, так или иначе, учитывая такие различия, всё-таки можно сказать, насколько «молод» или «стар» конкретный ген, какая у него «родословная» и т. д.
Однако, если мы возьмёмся сравнивать геномы бактерий, то столкнёмся с существенной проблемой, которая называется горизонтальный перенос генов. Как известно, бактерии могут передавать генетическую информацию не только по линии предок–потомок, но и просто друг другу. Горизонтальный перенос в бактериальном мире чрезвычайно распространён, так что порой бывает трудно сказать, откуда у той или иной группы бактерий взялся какой-то конкретный ген: то ли они пришёл из глубины веков (и тогда мы можем говорить о том, что он был у предков этой группы), то ли он пришёл откуда-то со стороны, от другой группы бактерий.
Тем не менее, исследователям из Дюссельдорфского университета им. Генриха Гейне удалось преодолеть трудность, связанную с горизонтальным переносом. Пытаясь уточнить портрет последнего универсального общего предка, они искали гены, которые были бы общими для бактерий и для архей, но при том бактерий и архей сравнивали не по одиночке – по одной разновидности от тех и от других – а парами. То есть смысл был в том, чтобы найти такие гены, которые были бы одновременно у двух разных бактерий и у двух разных архей – в таком случае уменьшалась вероятность того, что гены разошлись по бактериям и археям в результате горизонтального переноса.
Первоначально в распоряжении авторов работы было 6 млн генов, из 286.000 семейств; после подробного анализа из 6 млн осталось всего 355 – очевидно, именно они с большой вероятностью и были в геноме Луки.
О чём можно судить по этим 355 генам? В статье в Nature Microbiology авторы пишут, что, судя по всему, последний общий предок был анаэробом, что неудивительно – в те времена кислорода в атмосфере было мало, и преимущество было за теми, чей обмен веществ не был на него завязан. Кроме того, Лука, очевидно, был термофилом и питался водородом.
Сейчас на Земле тоже есть археи, которые в качестве источника энергии (то есть своеобразной пищи) используют H2, окисляя его и превращая в метан. Такой тип метаболизма считается довольно древним, и ранее уже высказывались предположения, что древнейший всеобщий предок жил именно на водороде, но теперь это удалось показать с помощью сравнительного генетического анализа.
Ныне живущие «водородопожиратели» берут его из самых разных источников, в том числе и от микробов, которые сами производят H2. Но во времена Луки никаких таких микробов ещё не было, поэтому ему, очевидно, приходилось селиться рядом с гидротермальными источниками на океанском дне, которые были для него поставщиков водорода – и здесь его термофильность, то есть способность жить и развиваться при высоких температурах, пришлась как нельзя кстати.
Вообще, гидротермальные источники, или «чёрные курильщики», пользуются большой популярностью в теориях возникновения жизни. Так, в прошлом году мы писали о том, что физические условия вблизи «чёрных курильщиков» могли благоприятствовать ещё доклеточной эволюции, когда в древнем океане «обитали» только древнейшие молекулы РНК, и впоследствии эволюция РНК сделала возможным появление клеточных организмов.
Учитывая, что Лука, скорее всего, тоже держался рядом с гидротермальными источниками, их смело можно назвать колыбелью земной жизни.
Автор: Кирилл Стасевич