Самое чёткое описание нашего «последнего универсального общего предка» позволяет предположить, что это был относительно сложный организм, живший 4,2 миллиарда лет назад — время, которое долгое время считалось слишком суровым для процветания жизни.
Если вы пройдёте по любому пути генеалогического древа достаточно далеко назад, вы придёте к одной и той же точке. Начнёте ли вы с горилл, деревьев гинкго или бактерий, живущих глубоко в недрах Земли, или с самого себя — все дороги ведут к LUCA, «последнему универсальному общему предку». Этот древний одноклеточный организм (или, возможно, популяция одноклеточных организмов) был прародителем всех разнообразных форм, которые сегодня живут на нашей планете.
LUCA не относится к тому моменту, когда впервые зародилась жизнь — когда в результате химической алхимии молекулы превратились в форму, обеспечивающую самовоспроизведение и все механизмы эволюции. Скорее, это момент, когда зародилась жизнь в том виде, в котором мы её знаем. LUCA — это самая отдалённая точка в эволюционной истории, которую мы можем увидеть, работая в обратном направлении от того, что живёт сегодня. Это самый поздний предок, общий для всей современной жизни — наша коллективная родословная, восходящая к одной древней клеточной популяции или организму.
«Это не первая клетка, не первый микроб, не первое что-либо, — говорит Грег Фурнье, эволюционный биолог из Массачусетского технологического института. — В каком-то смысле это конец истории о зарождении жизни».
Тем не менее, понимание LUCA — был ли он простым или сложным, и как быстро он возник после зарождения жизни — может помочь ответить на некоторые из наших самых глубоких вопросов о том, откуда мы взялись и одиноки ли мы во Вселенной.
«[LUCA] рассказывает нашу собственную историю, — говорит Эдмунд Муди, эволюционный биолог из Бристольского университета. — Она даёт нам площадку, с которой мы можем заглянуть ещё дальше в прошлое».
В течение полувека биологи концентрировались на различных видах физиологических, геномных и ископаемых данных, чтобы нарисовать портреты LUCA, которые иногда кардинально расходятся. В 2024 году Муди и команда междисциплинарных исследователей, включая геологов, палеонтологов, системных модельеров и филогенетиков, объединили свои знания, чтобы построить вероятностную модель, которая реконструирует общего предка современной жизни и оценивает, когда именно он жил.
Анализ, опубликованный в июле в журнале Nature Ecology and Evolution, обрисовал удивительно сложную картину клетки. Согласно исследованию, LUCA жил за счёт газообразного водорода и углекислого газа, имел геном такого же размера, как у некоторых современных бактерий, и уже обладал рудиментарной иммунной системой. По мнению авторов, сложность генома позволяет предположить, что LUCA был одной из многих линий — остальные уже вымерли — живших около 4,2 миллиарда лет назад, в бурное время, относительно раннее в истории Земли, которое долгое время считалось слишком суровым для процветания жизни.
По словам Аарона Голдмана, который изучает молекулярную эволюцию ранней жизни в Оберлинском колледже и не принимал участия в новом исследовании, анализ позволяет сделать два вывода, которые, на первый взгляд, противоречат друг другу. «Первое — это то, что LUCA был сложным клеточным организмом, который, вероятно, жил в сложной экологической обстановке, — сказал он. — Второе — LUCA датируется довольно ранним периодом в истории Земли». Полученные результаты могут означать, что жизнь превратилась из простого репликатора в нечто, напоминающее современные микробы, очень быстро, сказал он. «Это действительно захватывающе».
«Наша работа говорит о том, что ранние этапы эволюции не были сложными, они довольно просты, — говорит соавтор работы Фил Донохью, биолог-эволюционист из Бристольского университета. — Если речь идёт о происхождении жизни микробного уровня, то это, очевидно, очень просто, и должно быть довольно распространено во Вселенной».
Однако не все эксперты в этой области с этим согласны. Некоторые утверждают, что несколько сотен миллионов лет — недостаточный срок для эволюции сложной жизни. Авторы подчёркивают, что их анализ — это первая попытка нарисовать более полную, хотя и нечёткую, картину LUCA. «Я очень надеюсь, что в некоторых аспектах мы окажемся неправы, — говорит Муди, ведущий автор статьи, — особенно если новые результаты позволят более чётко представить себе древнего предка всех известных нам видов жизни».
Вероятностный портрет
Нелёгкая задача — разгадать природу существа, жившего так давно, на основе фрагментарных данных и умозаключений. Микроскопические окаменелости могут частично помочь исследователям, но самые древние следы жизни датируются всего лишь 3,5 миллиардами лет назад, что, скорее всего, происходило намного позже того времени, когда жил LUCA. Остаётся изучать потомков LUCA. «Способ изучения LUCA заключается в сравнении разнообразия генов, физиологии и метаболизма в наши дни, а затем движение в обратном направлении», — говорит Фурнье, который не принимал участия в новой работе.
В 1970-х годах — задолго до начала геномной эры — исследователи считали, что последний общий предок всего живого (ещё не названный LUCA) был довольно примитивным, реплицирующимся существом, которое ещё не научилось переводить гены в белки. Но с развитием технологии генетического секвенирования и увеличением количества расшифрованных геномов у исследователей появилась возможность искать общие гены среди множества различных организмов, чтобы сделать вывод о том, какие из них являются наиболее древними и сохранились до наших дней.
Именно так начала свою работу команда Муди. Они построили эволюционное дерево, отражающее взаимоотношения между 350 видами живых бактерий и 350 видами архей. Затем они проанализировали эволюционную историю почти 10 000 семейств генов, общих для этих видов, чтобы создать эволюционное дерево для каждого гена.
Когда мы сравниваем две близкородственные генные линии, естественно предположить, что любой общий генетический материал должен был присутствовать у их общего предка. Однако по мере углубления во времени подобные предположения становится делать всё сложнее. Если один из генов LUCA исчез в некоторых более поздних линиях, может показаться, что он появился совсем недавно. Или же ген, развившийся задолго после LUCA, мог распространиться среди неродственных линий в результате процесса, известного как горизонтальный перенос генов; в этом случае генетический анализ создаст впечатление, что нечто, возникшее гораздо позже, зародилось в LUCA. «Существует множество эволюционных процессов, которые могут помешать получению чёткой схемы эволюции», — говорит Голдман.
Один из способов вычленить сигнал из эволюционного шума — отобрать только те гены и белки, в которых мало признаков горизонтального переноса генов. Самый известный анализ такого рода, проведённый в 2016 году, предположил, что LUCA была относительно простым образованием, которое было лишь «наполовину живым» и зависело от геохимии гидротермальных источников энергии. Однако, по словам Донохью, такой консервативный подход к изучению только наиболее очевидно общих генов и белков может предвзято отнестись к исследователям, что приведёт к слишком простой концепции LUCA.
Поэтому вместо бинарного подхода «да/нет» Муди и его коллеги вычислили вероятность присутствия того или иного гена. Сравнивая генные деревья с видовыми деревьями, исследователи оценили скорость горизонтального переноса генов, потери генов и других эволюционных процессов, которые могли бы испортить картину. В конце процесса они присвоили каждому гену вероятность того, что он был частью генома LUCA.
«Они взяли лучший практический подход для одного семейства и расширили его», — говорит Голдман.
Команда выявила 399 семейств генов с высокой вероятностью присутствия в LUCA, что примерно соответствует консервативному анализу 2016 года. Проинтегрировав вероятности тысяч других семейств генов, они подсчитали, что геном LUCA, вероятно, кодировал около 2600 белков, что делает его похожим по размеру на геномы некоторых современных бактерий.
Учитывая то, что известно об этих белках, «вы получаете картину довольно сложного организма», — говорит Муди. LUCA, вероятно, существовал без кислорода, преобразуя углекислый газ и водород в энергию. Эти вещества могли поступать из неживых источников, таких как гидротермальные источники или атмосферные газы на поверхности океана.
Портрет нашего предка
Более 4 миллиардов лет назад жила клетка, от которой произошли все ныне живущие на Земле организмы — наш «последний универсальный общий предок» или LUCA. Недавно учёные создали самую сложную на сегодняшний день её реконструкцию.
Познакомьтесь с LUCA: согласно исследованию, LUCA, вероятно:
обладал молекулярным механизмом для поддержания генома и создания белков;
имел геном, сходный по размеру с современными бактериями, кодирующий около 2600 белков;
метаболизировал водородный газ и углекислый газ;
боролся с вирусами с помощью базовой иммунной системы;
был окружён простой фосфолипидной мембраной.
Анализ показывает, что LUCA имел основные компоненты современных клеток. Позже LUCA эволюционировал в бактерии (от последнего общего предка бактерий, или LBCA), археи (от последнего общего предка архей, или LACA) и эукариоты, включая человека (от последнего общего предка эукариот, или LECA).
Как вариант, LUCA мог питаться химическими отходами других существ, что позволяет предположить, что он уже был частью сложной экосистемы вместе с другими микробами. Анализ не может предоставить прямых доказательств такой возможной древней экологии, поскольку следы таких линий давно исчезли. Но маловероятно, чтобы LUCA развивался в изоляции, утверждают авторы. Поскольку метаболизм LUCA соответствует тому, чтобы полагаться на другие микробы и потенциально поддерживать их, он, скорее всего, был частью более широкой экосистемы, из которой его линия оказалась единственной выжившей.
По крайней мере, эта экосистема содержала вирусы: по словам исследователей, в LUCA, вероятно, находилось 19 генов CRISPR, которые бактерии используют для уничтожения вирусных угроз.
«Мы склонны думать, что ранняя жизнь как-то проще, менее развита... но я не думаю, что есть основания для подобных предположений, — говорит Бетюль Качар, эволюционный биолог из Висконсинского университета в Мэдисоне, не принимавший участия в исследовании. — Сложная экосистема, на мой взгляд, звучит более реалистично».
Возможно, жизнь была проще
Единственные оставшиеся следы LUCA содержатся в генетическом коде каждого ныне живущего существа. К счастью, исследователи могут воспользоваться основным фактом жизни — она эволюционирует — и выяснить, как давно жил LUCA. Гены меняются со временем, и «тиканье» случайных, но неизбежных мутаций может служить своего рода молекулярными часами. Сравнивая накопленные генетические изменения между двумя линиями, исследователи могут определить, как давно они разделились.
Исследователи обычно калибруют эти часы по датированным окаменелостям, используя в качестве эталона линии, распавшиеся до интересующего нас момента. Однако летопись окаменелостей начинается намного позже времени LUCA. Чтобы добавить к дереву корень, существовавший до LUCA, и более точно определить его возраст, исследователи обратились к пяти генам с особенно древней историей. «Это хитрый способ подкрепить свои выводы», — говорит Голдман.
По этим генам они определили, что LUCA жил около 4,2 миллиарда лет назад — примерно через 300 миллионов лет после того, как Луна образовалась в результате столкновения планеты размером с Марс с Землёй. Это было бурное время в истории нашей планеты. Вероятно, потребовалось не менее 100 или 200 миллионов лет, чтобы планета успокоилась настолько, что на ней появилась жизнь.
Если эти сроки верны, то у жизни было всего пара сотен миллионов лет, чтобы зародиться и стать достаточно сложной. LUCA и её ранние потомки также должны были пережить период, который когда-то считался слишком суровым для жизни, когда Землю постоянно бомбардировали астероиды.
Не все учёные согласны с тем, что LUCA настолько древняя. «Очень трудно представить, что LUCA существовала до 4 миллиардов лет назад», — говорит Патрик Фортер, бывший руководитель отдела микробиологии Института Пастера, который был одним из организаторов конференции, где был введён термин «LUCA». Он утверждает, что Земле потребовалось бы больше времени на охлаждение после образования Луны, и скептически относится к тому, что мы можем точно определить темпы эволюции во времена LUCA.
Тем не менее, возраст в 4,2 миллиарда лет примерно совпадает с выводами в других исследованиях. «Я думаю, что LUCA действительно древний», — сказал Луис Делае, биолог из исследовательского института Cinvestav Irapuato в Мексике. Однако Делайе не уверен, что LUCA был настолько сложным, как показало исследование. Он указывает на ключевые различия в клеточных мембранах и механизмах репликации ДНК между двумя ветвями, отделившимися от LUCA, — бактериями и археями — в качестве доказательства того, что LUCA мог быть несколько проще.
По словам Делайе, для уточнения картины микроба, от которого произошло всё живое на Земле, потребуется более детальное изучение отдельных общих генов и белков, чтобы лучше понять их эволюционную функцию. И в конечном итоге даже идеальная реконструкция биологии LUCA расскажет нам лишь о первых химических шагах жизни. «Возможно, если мы продвинем биологию настолько далеко, насколько это возможно, — сказал он, — химики смогут заполнить остающиеся пробелы».
