Среди биологов мало вопросов, которые вызывали бы столько споров, как происхождение жизни. Как на первобытной Земле возникли самоподдерживающиеся организмы, способные превращать молекулы для получения энергии?

До появления клеток, как предполагают учёные, химические реакции шли вокруг глубоководных гидротермальных источников. Тепло и высокое давление запускали спонтанную химию, которую ускоряли — катализировали — металлы из земной коры. Со временем эти сравнительно простые геохимические реакции могли превратиться в реакции, создающие строительные блоки жизни.

Все живые существа опираются на ядро из примерно 400 метаболических реакций, катализируемых белками-ферментами. Этот «основной метаболизм» производит энергию и ключевые материалы для клеток: нуклеиновые кислоты, аминокислоты, витамины.

Теперь группа исследователей восстановила шаги, которыми собиралась эта важнейшая метаболическая сеть. Результаты опубликованы в журнале Science Advances. Самый поразительный вывод: жизнь на Земле, вероятно, эволюционировала не один раз, а дважды.

«Это открывает массу вопросов о том, что такое живое, что такое жизнь, что возможно и что мы можем найти где-то ещё», — говорит старший автор работы Уильям Мартин, эволюционный биолог из Университета Дюссельдорфа в Германии.

Два пути от общего предка

Все современные организмы происходят от последнего универсального общего предка — LUCA, который, скорее всего, обитал в ранних океанах. Новое исследование показывает: этот загадочный предок всё ещё зависел от окружающей среды в вопросах метаболизма. Вместо того чтобы самостоятельно запускать энергетические реакции с помощью ферментов, LUCA полагался на небольшие органические молекулы и металлы из среды — они проводили около половины основных метаболических реакций. Лишь со временем часть металлов заменили более специфичные и эффективные ферменты, когда белки эволюционировали для выполнения тех же задач.

«Самое интересное здесь — мы зондируем фазу эволюции, где новые ферментативные активности ещё только возникают, заменяя геохимические реакции и приводя к слиянию метаболизма у предков архей и бактерий», — объясняет Мартин.

Археи и бактерии — два из трёх доменов жизни, и эти микробы появились на раннем этапе истории Земли. Третий домен, эукариоты — к которому относятся животные, растения и все организмы с ядром в клетках — возник позже, из гибрида первых двух групп.

Долгие годы учёные рассматривали три возможных сценария происхождения жизни: бактерии произошли от архей, археи от бактерий, или обе группы независимо развились от LUCA. Новое исследование утверждает: последний вариант наиболее вероятен.

Следы в рибосомах и метаболизме

Понять, как появились бактерии и археи, можно, сравнивая время возникновения их признаков и определяя, какие из них унаследованы от LUCA. Более ранние работы делали это с рибосомами — клеточными структурами, производящими белки. Выяснилось, что у LUCA были примитивные рибосомы из 33 белков. Затем от LUCA бактериальная линия развила 21 уникальный рибосомный белок, а архейная — 29. Каждая линия, по сути, независимо продолжала дорабатывать работу своих рибосом.

В новом исследовании, посвящённом реконструкции метаболизма, команда Мартина применила похожий подход. На этот раз учёные изучили гены метаболических ферментов у современных бактерий и архей, чтобы восстановить их эволюционную историю. Как и в случае с рибосомами, где одни элементы универсальны для обеих групп, а другие уникальны для каждой линии, «мы поняли, глядя на наши метаболические гены, что здесь та же картина», — говорит ведущий автор Наталья Мрнявац, аспирантка в лаборатории Мартина.

Сначала исследователи сузили круг ферментов, которыми пользовался LUCA, и определили, какие из его метаболических реакций требовали металлов из гидротермальных источников. Логика такова: каждая реакция в примитивном метаболизме либо использовала элементы, доступные в среде, либо элементы, порождённые другими реакциями системы. Со временем реакции надстраивались одна над другой, открывая новые биохимические возможности и усложняя метаболическую сеть. Ключевой задачей было выяснить, какие реакции должны были идти первыми и какие последующие зависели от предыдущих.

Казалось бы, с сотнями реакций трудно восстановить их последовательность. «Но оказалось, что для этого есть быстрый алгоритм», — замечает Майк Стил, математик из Университета Кентербери в Новой Зеландии и соавтор исследования.

Затем команда обнаружила, что бактерии и археи разделяют с LUCA часть ферментов, но у каждой линии есть и такие, которых не было у предка. По сути, бактерии и археи независимо развили разные ферменты для замены одних и тех же металл-катализируемых реакций. «Это показывает, что реакция старше ферментов, которые её катализируют», — говорит химик из Оттавского университета Джозеф Моран, соавтор работы.

Эти разные решения одних и тех же метаболических задач убеждают Мартина: бактерии не могли произойти от архей, как и наоборот. «Простейшая интерпретация, — считает он, — в том, что было два независимых перехода» от LUCA к свободноживущим клеткам.

Не все исследователи согласны с таким описанием LUCA. Некоторые предполагают, что LUCA был более сложной клеткой с простыми мембранами, возможно, состоявшими из смеси архейных и бактериальных жиров, или липидов. Тогда этот смешанный предок в конечном итоге разделился бы на архейную и бактериальную линии в ходе единственного возникновения свободноживущей клеточной жизни, объясняет кристаллограф белков и исследователь происхождения жизни Хуан Фонтесилья-Кампс из Института структурной биологии во Франции, не участвовавший в новом исследовании.

Но Мартин утверждает, что такая сложность маловероятна. Бактерии и археи используют разные способы создания липидов в своих клеточных мембранах, говорит он, поэтому вряд ли они унаследовали оба механизма от LUCA. «Они действительно совершенно разные», — добавляет Соня-Верена Альберс, изучающая биологию архей в Университете Фрайбурга в Германии и не принимавшая участия в этой работе. «Для создания разных липидов нужен совершенно другой набор генов или ферментов».

Основываясь на метаболизме, Мартин также утверждает, что LUCA был более простым предком — чем-то не полностью живым. «Не может быть сомнений, что свободноживущие клетки живы», — говорит Мартин, имея в виду клетки, способные самостоятельно расти, делиться и выживать. «С этим мы все можем согласиться». Но LUCA всё ещё зависел от малых органических молекул и металлов в земной коре для осуществления метаболизма. Когда речь заходит о классификации как действительно живого, «этого недостаточно», — говорит он.

Мартин давно утверждает, что металлы были первоначальными катализаторами метаболических реакций, и со временем эти металлы были заменены ферментами. «Есть веские доказательства идеи, что геохимия привела к биохимии жизни», — говорит Донато Джованнелли, микробиолог из Университета Федерико II в Неаполе, Италия, изучающий происхождение жизни.

Например, многие ферменты содержат металлы в своих каталитических центрах, где происходят химические реакции. И за последние несколько лет Мартин, Моран, биохимик Мартина Прайнер и их коллеги экспериментально показали, что многие реакции, используемые в современном основном метаболизме, действительно могут протекать, если заменить ферменты на металлы. Это позволяет предположить, что они могли катализироваться металлами до того, как эволюционировали ферменты.

Одна из важнейших метаболических реакций создаёт молекулу-носитель энергии в клетках — по сути, крошечную батарейку, которая их питает. Сегодня эта молекула — в основном АТФ, но в первобытных океанах не было АТФ, который LUCA мог бы использовать. Команда Мартина показала, как в примитивном метаболизме этого предка ключевая реакция могла катализироваться металлами: они обнаружили, что фосфит, форма фосфора, может реагировать с органическими молекулами с помощью палладия — металла платиновой группы. Эта реакция позволяла LUCA запасать энергию в виде АДФ, предшественника АТФ.

Способность временно запасать энергию стала решающим изменением, поскольку она могла питать множество других метаболических реакций, требующих энергии, например образование пептидных связей между аминокислотами или активность рибосом при трансляции РНК в белки. Эта реакция проложила путь от геохимических к метаболическим реакциям и объясняет, как фосфор стал столь центральным игроком в нашей собственной биохимии.

«Это одно из ключевых открытий в этой статье», — говорит Джованнелли, не участвовавший в новом исследовании.

Реконструкция ранних метаболических сетей, как это сделала команда в новой работе, — «обоснованное занятие», считает Фонтесилья-Кампс. «Вопрос в том, так ли всё происходило на самом деле или нет. А это очень трудно узнать».

Джованнелли говорит, что команда подготовила «сильную статью, которая предлагает иной ход мысли и объединяет вещи, ранее не связанные». Но он предлагает рассматривать их вывод как возможный сценарий происхождения жизни, а не как окончательный ответ: «Мы можем реконструировать, насколько правдоподобными могут быть те или иные вещи, но узнать, как всё происходило точно, будет почти невозможно».

Металлы вместо ферментов

Команда подошла к проблеме иначе, чем все предыдущие исследования ранней эволюции. Вместо того чтобы сравнивать гены или отдельные белки, учёные рассмотрели весь набор химических реакций, которые клетки используют для создания строительных блоков жизни — аминокислот, оснований РНК и витаминов — из соединений, присутствовавших на ранней Земле: водорода, аммиака и углекислого газа. Этот набор из 420 реакций называется метаболизмом, и сами реакции столь же универсально консервативны, как генетический код.

Но вот что удивило Мартина: ферменты, катализирующие эти реакции, не консервативны через эволюционный разрыв, разделяющий бактерий и архей. Оказалось, что последний универсальный общий предок всех клеток, LUCA, обладал ферментами лишь примерно для половины метаболических реакций. Вторую половину катализировали металлы из окружающей среды, в которой возник LUCA.

Харун Тюйсюз, неорганический химик из Института угля Общества Макса Планка и Мадридского института материалов IMDEA, поясняет: металлы, естественно встречающиеся в гидротермальных источниках, могут заменить удивительно большое число ферментов в метаболизме. Джозеф Моран из Оттавского университета, международный лидер в использовании металлов для катализа метаболических реакций, добавляет: чем пристальнее мы смотрим, тем яснее видим, что ранняя биохимическая эволюция была гибридом ферментативных и металлических катализаторов.

Большим шагом вперёд стала реконструкция четырёх фаз ранней эволюции катализа: сначала только металлы, затем металл-ферментный гибрид в LUCA, после чего последовала дивергентная эволюция к предкам бактериальной и архейной линий. В этих линиях возникали новые ферменты, заменявшие неорганические катализаторы, которые предоставляла среда, где зародился метаболизм.

Наталия Мрнявац отмечает случаи, когда предки бактерий и архей независимо развили структурно различные ферменты для катализа одной и той же важной метаболической реакции. Такие параллельные изобретения могли проложить путь к независимому возникновению свободноживущих бактерий и архей.

Энергия из фосфита и палладия

Откуда бралась энергия для этих реакций? Сегодня энергия в метаболизме в основном поступает в форме АТФ, но АТФ — сложная молекула, создаваемая ферментами, а не соединение, которое свободно лежало в гидротермальных источниках. Манон Шликкер из дюссельдорфской команды нашла новый источник энергии у истоков метаболизма. Среди металлов, естественно встречающихся в гидротермальных источниках, есть палладий — превосходный катализатор, известный химикам уже столетие. Когда фосфит, форма фосфора, встречающаяся в гидротермальных источниках, реагирует с органическими соединениями в присутствии палладия, за ночь в воде происходят метаболические реакции фосфорилирования. Фосфит и палладий заменяют АТФ и ферменты; это поразительно и делает раннюю эволюцию гораздо более понятной.

Порядок реакций

Исследование стало первым целенаправленным изучением набора реакций, называемого метаболизмом. Этот набор — сильно взаимосвязанная сеть из 420 реакций, где многие соединения участвуют в нескольких реакциях. Такие сети математически сложны, но среди авторов — профессор Майк Стил из Университета Кентербери в Новой Зеландии и профессор Даниэль Хусон из Тюбингенского университета, эксперты по сетям. Они разработали новый метод упорядочивания метаболических реакций от простейших к самым сложным, что, возможно, повторяет порядок возникновения реакций у истоков жизни. Первый вопрос, по словам Стила, заключался в том, существует ли уникальный порядок для этих реакций. Как только удалось доказать, что он есть, алгоритм упорядочивания стал реализуемым.

Два истока жизни

Желание знать о нашем происхождении, откуда мы пришли, где началась жизнь и как первые клетки на Земле добывали средства к существованию, — часть человеческой природы. Каково же более широкое значение новых выводов? Мартин формулирует жёстко: новые данные оставляют только один вывод. Бактериальная и архейная линии совершили переход к свободноживущему состоянию независимо. Только свободноживущие клетки живы. Назовём вещи своими именами: перед нами одно происхождение генетического кода, но два происхождения жизни.

В команду, помимо исследователей из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, вошли учёные из Университетов Кентербери (Новая Зеландия), Ростока, Констанца, Оттавы (Канада), Страсбурга и Тюбингена, Института земной микробиологии Общества Макса Планка в Марбурге, Института угля Общества Макса Планка в Мюльхайме-на-Руре и Мадридского института материалов IMDEA (Испания).

Биологи делят формы жизни на две категории: эукариоты — продвинутые клетки с ядром — и более древние клеточные линии без ядра, прокариоты. Прокариоты включают две изначальные линии жизни: бактерий и архей. Многие прокариоты выживают в экстремальных условиях — при высоких температурах, в кислой или щелочной среде. Многие населяют гидротермальные источники на дне океана, где, согласно некоторым теориям, и возникла жизнь.

Оригинальная публикация: Natalia Mrnjavac, Nadja K. Hoffmann, Manon L. Schlikker, Maximilian Burmeister, Loraine Schwander, Carolina García García, Max Brabender, Mike Steel, Daniel H. Huson, Sabine Metzger, Quentin Dherbassy, Bernhard Schink, Mirko Basen, Joseph Moran, Harun Tüysüz, Martina Preiner, William F. Martin. Intermediate stages in the origin of metabolism at a phosphorylating hydrothermal vent. Science Advances 12, eaef3128 (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aef3128.

Жизнь на Земле — событие невероятно редкое. Насколько мы знаем, в Солнечной системе она возникла лишь однажды. Но новое исследование в Science Advances предлагает взглянуть на это иначе: возможно, жизнь зарождалась дважды — прямо здесь, на нашей планете.

До появления первых клеток области вокруг гидротермальных источников на дне океана создавали тот самый «первичный бульон», в котором могла зародиться жизнь. Но как именно из этой смеси возникли организмы? Международная группа учёных под руководством исследователей из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе попыталась проследить истоки химических реакций, без которых жизнь невозможна.

Ключевое свойство любого живого существа — метаболизм: более 400 сложных химических реакций, превращающих энергию в пригодную для использования форму. Чтобы понять, как появилась жизнь, учёные проследили эволюцию ферментов, отвечающих за эти реакции, назад во времени.

От общего предка — к двум независимым истокам

Металлы, фосфит и незавершённые ферменты указывают на два отдельных перехода от общего предка к клеточной жизни. Ранние свободноживущие бактерии и археи, возможно, возникли независимо друг от друга, хотя обе группы унаследовали один и тот же генетический код от общего предка.

Металлы внутри гидротермальных источников могли служить катализаторами и источниками энергии для многих ранних метаболических реакций ещё до появления ферментов и современных энергетических молекул. Это подтверждает гипотезу о гидротермальных источниках как возможном месте зарождения метаболизма. Однако пробелы в данных об археях и отсутствие лабораторных доказательств пока не позволяют сделать окончательные выводы.

Четыре миллиарда лет назад первые клетки, возможно, не выходили в самостоятельную жизнь одновременно. Бактерии и археи, судя по всему, проделали этот переход разными путями, используя разные ферменты для одной и той же химической работы.

Международная группа под руководством биологов из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе проследила глубокую историю метаболизма — сети реакций, с помощью которых клетки строят аминокислоты, основания РНК и витамины. Исследование опубликовано в Science Advances и указывает на общее химическое начало, за которым последовали два маршрута к свободноживущим клеткам.

«Мы увидели бы два очень разных типа клеток: пионерные бактерии и пионерные археи, делающие первые попытки жизни за пределами гидротермального жерла», — говорит Наталья Мрнявац, биолог из Дюссельдорфа и ведущий автор работы.

Команда изучила геномы, белковые структуры и метаболические реакции 552 бактериальных и 401 архейного изолята. В центре внимания оказались 361 реакция, необходимая для создания клеточных строительных блоков из водорода, углекислого газа, аммиака, сероводорода и минеральных солей.

Общий предок с незавершённой химией

Исследователи реконструировали метаболические возможности LUCA — последнего универсального общего предка всех клеток. LUCA обладал генетическим кодом, рибосомами и аппаратом синтеза белков, но его ферментная система оставалась неполной.

Анализ приписал LUCA 166 ключевых метаболических ферментов. Ещё 89 появились позже на бактериальной линии, а 38 — на архейной. Ещё 37 нельзя было уверенно отнести из-за слишком редкого распространения.

Этот пробел порождает фундаментальный вопрос. Если LUCA не хватало многих ферментов для производства аминокислот, кофакторов и других соединений, как метаболизм поддерживал эволюционирующие белки?

Ответ, возможно, кроется в окружающей геологии. Самородные металлы в гидротермальных системах — железо, никель, кобальт и палладий — могут запускать реакции, которые в современных клетках выполняют ферменты. Ранний метаболизм мог опираться и на биологические катализаторы, и на минералы.

«Чем внимательнее мы смотрим, тем яснее видим, что ранняя биохимическая эволюция была гибридом ферментных и металлических катализаторов», — отмечает Джозеф Моран из Оттавского университета.

Металлы заполняли недостающие роли

Команда выделила четыре широких этапа в становлении катализа. Самая ранняя химия полагалась только на металлы. LUCA затем использовал гибридную систему. Предки бактерий и архей позже развили дополнительные ферменты, по-разному заменяя катализаторы окружающей среды.

Пять реакций дали ясные свидетельства независимого происхождения ферментов. В каждом случае бактерии и археи эволюционировали структурно неродственные белки, выполнявшие одну и ту же жизненно важную реакцию.

Среди примеров — ферменты, участвующие в производстве аланина, шикиматном пути и синтезе рибофлавина. Параллельные решения наводят на мысль, что две линии завершили свои метаболические системы по отдельности, уже после расхождения от LUCA.

«Мы видим случаи, когда предки бактерий и архей независимо развили структурно различные ферменты для катализа одной и той же ключевой метаболической реакции, — поясняет Мрнявац. — Такие параллельные изобретения могли проложить путь к независимому появлению свободноживущих бактерий и архей».

Химия также указывает на серпентинизирующие гидротермальные источники. Эти системы образуются, когда вода реагирует с определёнными породами, выделяя водород и откладывая самородные металлы.

В лабораторных условиях, имитирующих жерла, металлы могут превращать водород и углекислый газ в формиат, ацетат и пируват. Эти соединения входят в ацетил-КоА-путь — древний маршрут фиксации углерода, используемый бактериями и археями.

Из рассмотренных реакций 37, то есть около 10 процентов, были точно воспроизведены в гидротермальных условиях с металлами или без ферментов. С учётом родственных типов реакций и альтернативных последовательностей доля неферментативных параллелей выросла до 46 процентов.

Источник энергии до АТФ

Раннему метаболизму нужна была и энергия. Современные клетки часто используют АТФ, но АТФ — сложная молекула, производимая ферментами. Она не могла служить стартовым топливом до появления этих систем.

Исследователи проверили фосфит — форму фосфора, встречающуюся в серпентинизирующих средах. Никель превращал фосфит в фосфат и водород в воде, достигая примерно 75-процентного выхода за ночь при 100 градусах Цельсия.

Палладий оказался эффективнее в присоединении фосфатных групп к органическим молекулам. При pH 9 и 50 градусах Цельсия фосфит и палладий превращали АМФ в АДФ с выходом около 8 процентов за 72 часа. Та же система превращала серин в фосфосерин с выходом 42 процента за 18 часов.

«Фосфит и палладий заменяют АТФ и ферменты; это поразительно и делает раннюю эволюцию гораздо более понятной», — говорит Манон Шликкер из дюссельдорфской команды.

В экспериментах концентрации фосфита были выше, чем в современных серпентинизированных породах. Однако древние жерла работали в геологических масштабах времени, тогда как лабораторные реакции длились часы или дни.

Исследование также показало, что кофакторы — небольшие молекулы, помогающие ферментам, — появились поздно в реконструированной последовательности. Многие из них требовались для реакций, предшествовавших путям, способным их производить.

Это противоречие поддерживает объяснение «сначала металлы». Металлы, возможно, изначально переносили водород, электроны, аминогруппы и фосфат. Позже ферментативно производимые кофакторы заменили эти универсальные минеральные катализаторы, позволив метаболизму отойти от поверхности пород.

Практическое значение исследования

Работа предлагает проверяемую основу для изучения того, как химия стала биологией. Она связывает порядок эволюции ферментов с реакциями, которые могут происходить в воде в условиях, подобных жерлам.

Исследование также отделяет единое происхождение клеточной жизни от двух независимых переходов к свободноживущему состоянию. Раньше считалось, что бактерии и археи вышли из гидротермальных источников вместе, унаследовав полный набор ферментов от LUCA. Теперь картина усложняется: LUCA, возможно, так и остался обитателем жерл, а его потомки дважды «сбежали» в открытый мир, каждый раз достраивая метаболизм по-своему.

Четыре миллиарда лет назад у гидротермальных источников, возможно, разворачивалась химия, которая в итоге стала жизнью. Металлы из окружающей среды помогали запускать реакции ещё до того, как клетки обзавелись полным набором ферментов. Исследователи из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе вместе с коллегами реконструировали часть этого перехода: как менялись метаболизм и ферменты, когда предки бактерий и архей начали расходиться.

Работа опубликована в Science Advances. Учёные изучили химическую сеть, которую ранние клетки использовали для производства ключевых компонентов жизни, и выяснили, как эти реакции могли получать энергию. Вывод: переход к свободноживущим бактериям и археям мог произойти независимо, хотя обе линии разделяют один и тот же генетический код.

«Если бы мы могли вернуться на 4 миллиарда лет назад и посмотреть, как на Земле появляются первые клетки, что бы мы увидели? Мы увидели бы два очень разных типа клеток — пионерных бактерий и пионерных архей, делающих первые попытки жить за пределами гидротермального источника», — говорит Наталия Мрнявац, биолог из Университета Дюссельдорфа и ведущий автор публикации.

Мрнявац и её коллеги сравнили геномы, структуры белков и химические реакции, чтобы заглянуть в исключительно ранний этап микробной эволюции — до появления свободноживущих клеток. «Эти сравнения дают нам беспрецедентное понимание той фазы эволюции, когда метаболизм, катализируемый ферментами, возникал из спонтанных реакций, катализируемых металлами в земной коре», — поясняет биолог из Дюссельдорфа Уильям Мартин, старший автор исследования.

Вместо отдельных генов или ферментов исследователи рассмотрели всю совокупность реакций, которые клетки используют для построения аминокислот, оснований РНК и витаминов из веществ, доступных на ранней Земле: водорода, аммиака и углекислого газа. Эта сеть включает 420 реакций и называется метаболизмом. Сами реакции консервативны в живой природе почти так же, как генетический код.

Металлы заменяли ферменты

Сюрприз, по словам Мартина, в том, что ферменты, катализирующие эти реакции, не консервативны через эволюционный разлом, разделяющий бактерий и архей. «Мы обнаружили, что последний универсальный общий предок всех клеток, LUCA, обладал ферментами лишь для половины реакций метаболизма. Другую половину катализировали металлы в среде, где возник LUCA».

Это значит, что ранний метаболизм мог напрямую зависеть от химии окружающей среды. Металлы, естественно присутствующие вокруг гидротермальных источников, выполняли функции, которые позже взяли на себя биологические катализаторы.

«Металлы, которые естественно встречаются в гидротермальных источниках, могут заменить удивительно большое число ферментов в метаболизме», — говорит Харун Тюйсюз, неорганический химик из Института углеродных исследований Макса Планка и Института материалов IMDEA в Мадриде, соавтор работы.

«Чем ближе мы смотрим, тем яснее видим, что ранняя биохимическая эволюция была гибридом ферментных и металлических катализаторов», — добавляет Джозеф Моран из Оттавского университета в Канаде, известный специалист по использованию металлов для катализа метаболических реакций вместо ферментов и кофакторов.

Два независимых пути

На основе сравнений исследователи реконструировали четыре этапа раннего развития биологического катализа. Последовательность начинается с реакций, полностью управляемых металлами, затем идёт комбинация металлов и ферментов у LUCA, после чего пути расходятся к предкам бактерий и архей.

По мере развития двух линий новые ферменты брали на себя реакции, которые раньше зависели от неорганических катализаторов из окружающей среды. «Мы видим случаи, когда предки бактерий и архей независимо развили структурно разные ферменты для катализа одной и той же ключевой метаболической реакции», — отмечает Мрнявац. «Такие параллельные изобретения могли проложить путь к независимому появлению свободноживущих бактерий и архей».

Энергия для первых клеток: фосфит и палладий вместо АТФ

Одна из главных загадок ранней эволюции — откуда первые метаболические системы брали энергию. Современные клетки зависят от АТФ, но АТФ — сложная молекула, которую клетки сами производят с помощью ферментов. В готовом виде она не могла просто лежать в окружающей среде первых живых систем.

Команда из Дюссельдорфа предложила неожиданное решение. «Мы нашли новый источник энергии у истоков метаболизма», — говорит Манон Шликкер. Ключевой кандидат — палладий, металл, который встречается в гидротермальных источниках и давно используется химиками как катализатор.

В лаборатории исследователи смешали фосфит — форму фосфора, которая естественным образом присутствует в гидротермальных источниках, — с органическими соединениями. Результат поразил даже самих учёных: «Мы получаем метаболические реакции фосфорилирования за одну ночь в воде. Фосфит и палладий заменяют АТФ и ферменты; это удивительно, и ранняя эволюция становится гораздо понятнее», — поясняет Шликкер.

Как восстановить порядок появления 420 реакций

Другая сложность — реконструировать возможную последовательность, в которой возникал метаболизм. Его 420 реакций образуют плотно переплетённую сеть, где многие соединения участвуют сразу в нескольких реакциях, поэтому определить порядок математически непросто.

Профессор Майк Стил из Университета Кентербери в Новой Зеландии и профессор Даниэль Хусон из Тюбингенского университета разработали метод, который расставляет метаболические реакции от более простых к более сложным формам. Такая последовательность, по мнению исследователей, может отражать порядок их появления в ранней эволюции.

«Первый вопрос, — говорит Стил, — существует ли вообще уникальный порядок для этих реакций. Как только мы смогли доказать, что он есть, алгоритм для их упорядочивания стал выполнимым».

Два независимых выхода к свободной жизни

Самый широкий вывод исследования касается того, когда древнейшие клеточные линии стали независимо живущими организмами. По интерпретации учёных, бактерии и археи по отдельности совершили переход от систем, зависящих от геохимического окружения, к свободноживущим клеткам.

Уильям Мартин формулирует это без обиняков: «Новые данные оставляют только один вывод. Линии бактерий и архей перешли к свободноживущему состоянию независимо. Только свободноживущие клетки живы. Назовём вещи своими именами: перед нами одно происхождение генетического кода, но два происхождения жизни».

Исследование опубликовано в журнале Science Advances 5 августа 2026 года. Среди авторов — Наталья Мрнявац, Надя К. Хоффманн, Манон Л. Шликкер, Максимилиан Бурмайстер, Лорейн Швандер, Каролина Гарсия Гарсия, Макс Брабендер, Майк Стил, Даниэль Х. Хусон, Сабина Метцгер, Квентин Дербасси, Бернхард Шинк, Мирко Басен, Джозеф Моран, Харун Тюйсюз, Мартина Прайнер и Уильям Ф. Мартин.

Два независимых пути к жизни

Новое международное исследование под руководством биологов из Университета имени Генриха Гейне в Дюссельдорфе предполагает, что генетический код имеет единое происхождение, но свободноживущая жизнь могла возникнуть дважды. Работа опубликована в журнале Science Advances.

Команда сосредоточилась на метаболических процессах ранних форм жизни, существовавших около четырех миллиардов лет назад. Учёные проанализировали геномы, структуры белков и всю сеть из 420 химических реакций, которые создают ключевые строительные блоки: аминокислоты, основания РНК и витамины. Вопрос, который они задали: могли ли свободноживущие клетки дважды независимо возникнуть из неживых химических элементов?

Загадка ферментов

Самое удивительное обнаружилось при сравнении ферментов. Многие метаболические реакции очень древние и сохранились у современных форм жизни, но ферменты, которые их катализируют, у бактерий и архей — двух главных групп безъядерных организмов — не совпадают.

По оценке исследователей, последний общий предок всех клеток, известный как LUCA, обладал ферментами лишь примерно для половины всех метаболических реакций. Остальные реакции, вероятно, катализировались природными металлами из окружающей среды, особенно вблизи гидротермальных источников на дне океана. Это рисует иную картину эволюции, чем традиционная: неорганическая химия ранней Земли могла служить первой «ферментной машиной».

Металлы как первые катализаторы

Изначально реакции опирались главным образом на металлы. Позже постепенно появлялись ферменты, которые действовали совместно с неорганическими катализаторами. Когда бактерии и археи разделились на две эволюционные линии, каждая из них продолжила развивать собственные ферменты, заменяя катализаторы, доступные в их среде.

Исследование оценивает промежуток между двумя началами жизни примерно в 300 миллионов лет. Учёные нашли случаи, когда бактерии и археи, по-видимому, независимо друг от друга развили ферменты с разной структурой, но выполняющие одну и ту же метаболическую задачу. Такое «параллельное изобретение» могло помочь каждой линии освободиться от зависимости от гидротермальной среды и стать свободноживущими клетками.

Неожиданная химия фосфора

Команда также обнаружила, что фосфин — форма фосфора, которая может встречаться в гидротермальных источниках, — в присутствии палладия, природного металла, реагирует с органическими соединениями и запускает реакции фосфорилирования, связанные с метаболизмом.

На основе 420 химических реакций исследователи разработали математический метод, чтобы упорядочить их от простейших к самым сложным. Это позволило частично реконструировать последовательность возникновения ранней метаболической сети.

Открытый вопрос

Результаты не дают окончательного ответа на вопрос о происхождении жизни. Но они открывают новую перспективу: бактерии и археи, возможно, не совершали переход к свободноживущим организмам вместе, в один шаг. Возможно, два эволюционных пути достигли этого поворотного момента самостоятельно.

Иными словами, Земля могла иметь лишь один источник генетического кода, но дважды пережила момент, когда жизнь покинула свою первоначальную химическую колыбель и стала свободноживущими клетками. Эта гипотеза перекликается с недавними находками о том, что химические «кирпичики» жизни распространены во Вселенной шире, чем считалось, — например, в атмосферах экзопланет или в форме формальдегида из космоса, о чём мы уже рассказывали в материале В атмосферах двух экзопланет нашли те же молекулы, что породили жизнь на Земле.

Остаётся лишь гадать, какие ещё сюрпризы скрывает ранняя история жизни.