Жизнь на Земле могла возникнуть дважды — и это не метафора. Международная команда биологов из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе опубликовала в Science Advances исследование, которое переворачивает привычную картину происхождения клеток. Если выводы верны, бактерии и археи — две главные ветви жизни — независимо друг от друга совершили переход от химии гидротермальных источников к свободноживущим клеткам.

Два первопроходца у выхода из жерла

Около четырёх миллиардов лет назад Земля выглядела совсем иначе. Если бы можно было наблюдать за рождением первых клеток, мы бы увидели две очень разные формы примитивной жизни. «Мы увидели бы два совершенно разных типа клеток: пионерные бактерии и пионерные археи, делающие свои первые попытки жить вне пределов гидротермального источника», — говорит Наталья Мрнявац, биолог из Дюссельдорфа и ведущий автор публикации.

Вместе с международной командой она изучила геномы, белковые структуры и химические реакции, чтобы заглянуть в самые ранние этапы микробной эволюции — в период, когда полностью свободноживущих клеток ещё не существовало. «Эти сравнения дают нам беспрецедентное понимание фазы эволюции, когда метаболизм, катализируемый ферментами, возникал из спонтанных реакций, катализируемых металлами в земной коре», — поясняет Уильям Мартин, старший автор исследования.

420 реакций, которые рассказали больше, чем ожидалось

Вместо того чтобы сосредоточиться на отдельных фрагментах древнего метаболизма, учёные рассмотрели полный набор химических реакций, которые клетки используют для производства ключевых биологических компонентов — аминокислот, оснований РНК и витаминов — из материалов, доступных на ранней Земле: водорода, аммиака и углекислого газа.

Вместе эти 420 реакций образуют метаболическую сеть, известную как метаболизм. Сами реакции чрезвычайно древние и сохраняются у всех форм жизни в степени, сравнимой с генетическим кодом. Но вот ферменты, которые их катализируют, у бактерий и архей совпадают далеко не так хорошо.

«Удивительно, что ферменты, катализирующие эти реакции, не сохраняются через эволюционный разлом, разделяющий бактерии и археи. Мы обнаружили, что последний универсальный общий предок всех клеток, LUCA, обладал ферментами лишь для половины реакций метаболизма. Другая половина катализировалась металлами в среде, где возник LUCA», — говорит Мартин.

Это открытие означает: самый ранний метаболизм зависел от окружающей среды гораздо сильнее, чем современный клеточный метаболизм.

Металлы как запасные ферменты

«Металлы, естественно встречающиеся в гидротермальных источниках, могут заменить удивительно большое число ферментов в метаболизме», — отмечает Харун Тюсюз, неорганический химик из Института угольных исследований Макса Планка и Института материалов IMDEA в Мадриде, соавтор исследования.

«Чем внимательнее мы смотрим, тем яснее видим, что ранняя биохимическая эволюция была гибридом ферментативных и металлических катализаторов», — добавляет Джозеф Моран из Университета Оттавы, международный эксперт по использованию металлов для катализа метаболических реакций вместо ферментов и кофакторов.

Четыре этапа эволюции катализа

Одно из главных достижений работы — реконструкция четырёх стадий ранней эволюции биологического катализа. Процесс, судя по всему, начался с реакций, полностью управляемых металлами. Затем наступил этап LUCA, где металлы и ферменты работали вместе. После этого бактерии и археи начали двигаться по разным эволюционным путям. В каждой линии новые ферменты постепенно заменяли неорганические катализаторы, которые поставляла среда, где метаболизм зародился.

Особенно важно: исследователи нашли примеры, где предки бактерий и архей независимо развили разные ферменты, способные выполнять одну и ту же жизненно важную метаболическую задачу. «Мы видим случаи, когда предки бактерий и архей независимо эволюционировали структурно различные ферменты для катализа одной и той же важной метаболической реакции», — говорит Мрнявац. «Такие параллельные изобретения могли проложить путь к независимому возникновению свободноживущих бактерий и архей».

Эта параллельная эволюция могла стать решающей: она позволила двум линиям стать менее зависимыми от химии гидротермальных источников и в итоге выжить как самостоятельные клетки.

Загадка энергии

Остаётся и другой важный вопрос — энергия. Современные клетки в значительной степени полагаются на АТФ для питания метаболизма, но АТФ — сложная молекула, которая сама производится с помощью ферментов. В древних гидротермальных средах она вряд ли была доступна в готовом виде. Как ранние клетки обходились без неё — отдельная интрига, которую ещё предстоит распутать.

Кстати, мы уже писали о том, как металлы могли заменить ферменты первым клеткам: жизнь на Земле зарождалась дважды. Новое исследование добавляет к той картине важный слой — теперь речь не только о химии, но и о двух независимых попытках стать свободноживущим организмом.

Энергия до АТФ: палладий и фосфит вместо ферментов

Как же первые метаболические реакции получали энергию, если АТФ ещё не существовало? Команда из Дюссельдорфа нашла возможный ответ. Маннон Шликкер, участница исследования, говорит о «новом источнике энергии у истоков метаболизма».

Речь о палладии — металле, который естественным образом встречается в гидротермальных источниках и уже около века известен химикам как эффективный катализатор. Учёные обнаружили: фосфит, форма фосфора, присутствующая в гидротермальных источниках, в присутствии палладия реагирует с органическими соединениями и запускает реакции, связанные с метаболическим фосфорилированием.

«Когда мы реагируем фосфит, форму фосфора, которая естественно встречается в гидротермальных источниках, с органическими соединениями, мы получаем реакции метаболического фосфорилирования за одну ночь в воде. Фосфит и палладий заменяют АТФ и ферменты; это поразительно и делает раннюю эволюцию гораздо более понятной», — поясняет Шликкер.

Результат даёт возможное объяснение тому, как некоторые из самых ранних метаболических реакций могли получать энергию, необходимую для протекания, ещё до появления современных биологических энергетических систем.

420 реакций: как упорядочить метаболизм

Это первое исследование, специально посвящённое полной сети реакций, известной как метаболизм. Сеть содержит 420 тесно связанных реакций, и одни и те же соединения участвуют в разных её частях. Из-за этих связей реконструкция того, как сеть могла развиваться во времени, представляет собой сложную математическую задачу.

Профессор Майк Стил из Университета Кентербери в Новой Зеландии и профессор Дэниел Хьюсон из Тюбингенского университета привнесли в проект опыт анализа сложных сетей. Они разработали метод, позволивший расположить метаболические реакции от самых простых к самым сложным. Полученная последовательность может отражать, по крайней мере частично, порядок появления этих реакций на самых ранних этапах биологической эволюции.

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

Один генетический код — два возникновения жизни

Понимание того, как началась жизнь, затрагивает один из самых фундаментальных вопросов человечества: откуда мы пришли, где появились первые живые системы и как самые ранние клетки Земли смогли выжить.

По мнению исследователей, более широкий смысл их выводов в том, что бактерии и археи не совершали переход к независимой клеточной жизни вместе. Вместо этого каждая линия, судя по всему, достигла свободноживущего состояния по отдельности.

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: мы рассматриваем одно происхождение генетического кода, но два возникновения жизни».

Помимо исследователей из Университета Генриха Гейне, в международную команду вошли учёные из Университетов Кентербери (Новая Зеландия), Ростока, Констанца, Оттавы (Канада), Страсбурга и Тюбингена, а также из Института наземной микробиологии Макса Планка в Марбурге, Института исследований угля Макса Планка в Мюльхайме-на-Руре и Института материалов IMDEA в Мадриде (Испания).

Бактерии и археи: две ветви прокариот

Биологи обычно делят клеточную жизнь на две категории. Эукариоты — продвинутые клетки с ядром, а более древние клеточные линии без ядра называют прокариотами.

Прокариоты состоят из двух первичных ветвей жизни: бактерий и архей. Многие из этих организмов способны выживать в экстремальных условиях, включая очень высокие температуры и сильно кислую или щелочную среду.

Многие также обитают вокруг гидротермальных источников на дне океана — в средах, которые некоторые теории называют возможными местами первого возникновения жизни. Эта деталь возвращает нас к идее, что LUCA, последний универсальный общий предок, мог существовать именно в таких порах, где металлы заменяли ферменты.

Кстати, мы уже разбирали, как металлы могли заменить ферменты первым клеткам, — жизнь на Земле зарождалась дважды: металлы заменили ферменты первым клеткам.

Глубоководные горячие источники снова оказались в центре внимания — на этот раз как место, где жизнь могла возникнуть не один, а два раза. Новое исследование, опубликованное в Science Advances, предлагает радикальный взгляд на происхождение клеток: бактерии и археи, две основные ветви жизни, могли независимо друг от друга выйти из «первичного бульона» возле подводных жерл.

Учёные из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе под руководством биолога Уильяма Мартина проанализировали сеть из примерно 420 химических реакций, которые первые клетки, вероятно, использовали для создания строительных блоков жизни — аминокислот и других молекул. Исходными веществами служили простые соединения ранней Земли: водород, аммиак, углекислый газ. Исследователи сравнили геномы, структуры белков и энергетические источники вокруг гидротермальных источников, чтобы понять, как именно древние организмы могли запускать метаболизм.

Результат оказался неожиданным. Ферменты, ускоряющие одни и те же реакции, у бактерий и архей различаются по структуре. Это значит, что две линии жизни не унаследовали общий набор катализаторов от общего предка, а развили их параллельно. «Мы видим случаи, когда предки бактерий и архей независимо эволюционировали структурно различные ферменты для катализа одной и той же важной метаболической реакции», — пояснила биолог Наталья Мрнявц, соавтор исследования.

Ещё более странная деталь: половину реакций в древнем метаболизме, судя по всему, вообще не обслуживали ферменты. Их роль выполняли металлы, которые естественным образом встречаются в гидротермальных источниках. Например, палладий — отличный катализатор, и он мог заменять множество ферментов. «Последний универсальный общий предок всех клеток, LUCA, обладал ферментами лишь для половины реакций метаболизма. Остальную половину катализировали металлы из окружающей среды, где возник LUCA», — отметил Мартин.

Это переворачивает привычную картину. LUCA, возможно, не был свободноживущей клеткой в нашем понимании — он существовал в порах гидротермальных источников, где химию жизни поддерживали неорганические катализаторы. Лишь позже, независимо друг от друга, бактерии и археи достроили собственные ферментные системы и вышли в свободное плавание.

Исследователи реконструировали четыре фазы древнего метаболизма: сначала реакции шли только на металлах, затем появились гибридные варианты с участием металлов и ферментов, а после — отдельные пути для бактерий и архей. В современной жизни энергию переносит молекула АТФ, но на ранней Земле фосфорилирование — ключевой процесс переноса энергии — мог запускаться палладием и фосфитом. «Когда мы реагируем фосфит, форму фосфора, которая естественно встречается в гидротермальных источниках, с органическими соединениями, мы получаем метаболические реакции фосфорилирования за ночь в воде», — рассказал один из авторов.

«Новые данные оставляют только один вывод. Бактериальная и архейная линии совершили переход к свободноживущему состоянию независимо... Мы смотрим на одно происхождение генетического кода, но два происхождения жизни», — резюмировал Мартин. Параллельные изобретения, по словам Мрнявц, могли проложить путь к независимому возникновению свободноживущих бактерий и архей.

Кстати, мы уже разбирали похожий сюжет: Жизнь на Земле зарождалась дважды: металлы заменили ферменты первым клеткам. Новая работа добавляет деталей к этой гипотезе, показывая, как именно металлы могли подменить ферменты на заре жизни.

Два независимых пути к клетке

Представьте: четыре миллиарда лет назад, на дне древнего океана, из гидротермальных источников бьют струи водорода и углекислого газа. Вокруг — горячий раствор минералов, и в этой химической каше, подгоняемые теплом и металлами, рождаются молекулы, которым суждено стать кирпичиками первых клеток. До недавнего времени считалось, что этот процесс завершился одним-единственным переходом от неживой материи к живой клетке. Но новое исследование, опубликованное в Science Advances, утверждает иное: жизнь на Земле зарождалась дважды, независимо друг от друга.

Группа под руководством Уильяма Мартина из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе вместе с химиком Джозефом Мораном из Оттавского университета проанализировала 420 базовых метаболических реакций. Учёные выстроили ферменты по возрастающей сложности и реконструировали порядок их появления. Результат бросает вызов устоявшемуся с 1970-х годов представлению, будто все свободноживущие клетки происходят от одного живого общего предка.

LUCA: не клетка, а химическая система в порах породы

Центральная фигура этой истории — LUCA, последний универсальный общий предок. По данным нового анализа, у LUCA имелись ферменты лишь примерно для половины из 420 реакций. Остальные реакции шли без ферментов — их катализировали минералы и ионы металлов, растворённые в среде гидротермальных источников. Иными словами, LUCA был не свободноплавающей клеткой, а организованной химической системой, заключённой в порах горной породы. Он не был «живым» в привычном нам смысле.

Это меняет картину кардинально. Раньше переход от инертной материи к клетке считался настолько маловероятным, что, по общему мнению, случился лишь однажды за всю пребиотическую историю планеты. Но если LUCA был общей доклеточной фазой, то скачок к свободной клетке мог произойти не один раз.

Ферменты, которых не должно было быть

Ключевое доказательство — сравнение двух доменов прокариот, бактерий и архей, которые и сегодня населяют Землю. Для множества одинаковых химических реакций, точных копий одних и тех же молекулярных превращений, эти две группы используют разные ферменты. У этих ферментов нет общего происхождения. Похоже, они были изобретены дважды, параллельно, для выполнения одной и той же работы.

«Реакция старше ферментов, которые её катализируют», — поясняет Джозеф Моран. Химия существовала задолго до белковых машин; бактерии и археи, каждая ветвь по-своему, построили собственные инструменты, чтобы заставить её работать. Уильям Мартин формулирует вывод ещё резче: один генетический код, но два независимых происхождения клеточной жизни.

Окно в несколько сотен миллионов лет

Если переход от неживой материи к клетке действительно случился дважды на одной планете, аргумент о «неповторимой случайности» теряет силу. Некоторые исследователи уже несколько лет оспаривают идею, будто крупные эволюционные скачки — редкость и почти невозможное событие.

Однако есть важный нюанс. Бактерии и археи разошлись настолько рано — первые химические следы жизни датируются 3,8 миллиарда лет назад, — что «дважды» укладывается в узкое окно в несколько сотен миллионов лет. Химия была та же, гидротермальные источники — те же, поэтому назвать это «повторным экспериментом» можно лишь с натяжкой: скорее, два почти одновременных опыта в одной лаборатории.

Любопытно, что Карл Вёзе, учёный, который ввёл домен архей, ещё двадцать лет назад выдвигал похожую гипотезу — теорию «прогенота». Тогда доказательств не хватало. Теперь часть из них появилась, но научное сообщество не спешит единодушно соглашаться: некоторые интерпретируют различия в ферментах как результат позднейшего горизонтального переноса генов, а не независимого происхождения. Как и в случае с другими пересмотрами глубинной биологии, потребуется время, чтобы новая картина устоялась.

Тем временем меняется взгляд на первую главу земной жизни. Ещё вчера писали «однажды». Теперь, возможно, придётся писать «дважды». И если это случилось два раза на дне океана четыре миллиарда лет назад, сколько ещё раз это могло произойти там, куда мы даже не догадывались заглянуть?

Кстати, мы уже рассказывали о том, как металлы могли заменить ферменты первым клеткам — в материале «Жизнь на Земле зарождалась дважды: металлы заменили ферменты первым клеткам».

Переход от «полуживой» химии к настоящим клеткам — момент, который наука привыкла считать однократным. Но новое исследование международной группы учёных из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, опубликованное в Science Advances, рисует куда более странную картину: возможно, этот рывок случился дважды, независимо у бактерий и архей.

Металлы вместо ферментов: как жил LUCA

В центре работы — реконструкция древнего метаболизма. Учёные проанализировали 420 метаболических реакций, которые, судя по всему, существовали у последнего универсального общего предка — LUCA. Результат оказался неожиданным: ферменты покрывали лишь половину этих реакций. Вторую половину катализировали не белки, а металлы — те самые, что в изобилии встречаются в порах гидротермальных источников.

Это значит, что LUCA не был свободноживущей клеткой в привычном смысле. Он, скорее, существовал внутри минеральных пор, где горячая вода, насыщенная металлами, служила одновременно и средой, и катализатором. Половина его «биохимии» была, по сути, неорганической.

Два независимых рывка к свободе

Отсюда следует радикальный вывод: бактерии и археи — две главные ветви клеточной жизни — совершили переход к свободноживущим клеткам независимо друг от друга. Каждая ветвь достраивала недостающие ферментные системы по-своему, опираясь на один и тот же генетический код, унаследованный от LUCA, но не на общий план клеточного устройства.

Раньше мы уже разбирали похожую логику: в статье «Жизнь на Земле зарождалась дважды: металлы заменили ферменты первым клеткам» шла речь о том, что LUCA обладал ферментами лишь для половины реакций, а остальные катализировали металлы из гидротермальных источников. Новая работа доводит эту мысль до предела: не просто «полуферментная» жизнь, а два самостоятельных акта возникновения клеточности.

Один код — две жизни

Парадокс в том, что генетический код у всех живых организмов един. Он достался от LUCA. Но сам LUCA, судя по всему, не был клеткой в современном понимании — это была, скорее, протоклеточная система, запертая в минеральных порах и зависящая от неорганических катализаторов. А вот выход из этих пор в открытую воду, обзаведение мембраной и полным набором ферментов — шаг, который бактерии и археи сделали порознь.

Это объясняет, почему мембраны бактерий и архей устроены принципиально по-разному. Если бы они происходили от одной свободноживущей клетки, логично было бы ожидать общего плана. Но его нет — и теперь у нас есть метаболическое объяснение этой странности.

Что остаётся неясным

Исследование не отвечает на вопрос, как именно выглядел переход от поровой жизни к свободной. Реконструкция 420 реакций — это статистическая модель, а не прямое наблюдение. Но она опирается на сравнение метаболических сетей современных бактерий и архей и на геохимию гидротермальных источников, где металлы действительно могут катализировать многие реакции без участия белков.

Если модель верна, то жизнь на Земле возникала не один раз, а дважды — в том смысле, что дважды происходило превращение «полуживой» химии в автономные клетки. Общий предок был, но он не был клеткой. А значит, граница между живым и неживым в истории нашей планеты ещё более размыта, чем мы думали.