Natalia Mrnjavac, doktorantka z Uniwersytetu Heinricha Heinego w Düsseldorfie, wraz ze swoim zespołem, nie neguje istnienia LUCA. Kwestionuje jednak jego status jako organizmu “żywego” w znanym nam sensie. Gdybyśmy dysponowali wehikułem czasu i przenieśli się około 4 miliardy lat temu, do momentu pojawienia się pierwszych komórek, “zobaczylibyśmy wyłaniające się dwa bardzo różne rodzaje komórek: pionierskie bakterie i pionierskie archeony, które podejmowały swoje pierwsze próby życia poza ograniczeniami komina hydrotermalnego” – wyjaśnia Mrnjavac.
Ta przełomowa konkluzja opiera się na szczegółowej analizie DNA organizmów jednokomórkowych, ich struktur białkowych oraz fundamentalnie odmiennych reakcji metabolicznych, które wykorzystują do życia. Różnice między bakteriami a archeonami są tak głębokie, że zespół uznał, iż rozbieżność ta musiała nastąpić, zanim jeszcze stały się one w pełni funkcjonującymi, wolno żyjącymi komórkami.
Metale u zarania życia, jako klucz do ewolucji
Naukowcy skatalogowali wszystkie 420 reakcji chemicznych zaprogramowanych w kodzie komórkowym, które budują podstawy życia z pierwotnych substancji chemicznych dostępnych na Ziemi. Dziś reakcje te zależą od enzymów. Jednak, jak podkreśla profesor William Martin, współautor badania, “niespodzianką jest to, że enzymy katalizujące te reakcje nie są zachowane w podziale ewolucyjnym, który oddziela bakterie i archeony… LUCA posiadało enzymy dla zaledwie około połowy reakcji metabolicznych”.
Czytaj także: Oto cecha, która może być kluczowa dla powstania życia we wszechświecie
Druga połowa, jak się okazuje, była katalizowana przez metale obecne w środowisku, gdzie LUCA powstało. To sugeruje, że w początkowej fazie ewolucji komórki czerpały metale z otoczenia, używając ich do napędzania reakcji, zanim wyewoluowały własne enzymy. Zespół badawczy idzie jednak o krok dalej. Ich zdaniem “linie bakterii i archeonów dokonały przejścia do stanu wolno żyjącego niezależnie” – wyjaśnia Martin. Obie linie wyewoluowały z rodzajów “zup”, w których geny powodowały reakcje, ale brakowało im barier, by mogły być uznane za organizmy.
“Tylko wolno żyjące komórki są żywe” – kontynuuje Martin. “Nazwijmy to po imieniu: patrzymy na jeden początek kodu genetycznego, ale dwa początki życia“. Jeśli ta hipoteza jest prawdziwa, nie istniała żadna rozpoznawalna forma życia LUCA, a jedynie kod genetyczny przetwarzający chemikalia w bogatym w zasoby środowisku. Zespół proponuje, że pierwszy samoreplikujący się kod całkowicie polegał na metalach do katalizowania molekuł, które miały stać się życiem. Umożliwiło to bardziej złożoną chemię, prowadząc do zastępowania coraz większej liczby tych metali enzymami. To właśnie w tej fazie “hybrydy metalowej” ścieżki bakterii i archeonów rozeszły się, a następnie obie wyewoluowały wystarczająco dużo enzymów, aby żyć niezależnie.
Co napędzało pierwsze reakcje?
Katalizatory, zarówno enzymatyczne, jak i nieorganiczne, nadal wymagają energii do zachodzenia metabolizmu. Dziś energia ta jest zazwyczaj dostarczana przez cząsteczkę zwaną adenozynotrifosforanem (ATP). Jednak ATP jest zbyt złożone, aby mogło istnieć przed pojawieniem się enzymów do jego wytwarzania. Biolodzy badający początki życia długo szukali alternatywy.
Autorzy badania uważają, że znaleźli rozwiązanie w palladzie. Ten rzadki metal, katalizuje fosforylację w taki sposób, w jaki dziś robią to ATP i enzymy. “To niesamowite i znacznie ułatwia zrozumienie wczesnej ewolucji” – mówi Manon Schlikker, również doktorantka zaangażowana w badania. Choć pallad jest obecnie jednym z najdroższych metali na Ziemi, w początkach życia mógł dostarczyć zasobów energii, które wprawiły mechanizmy w ruch, napędzając reakcje, które stworzyły znacznie bardziej złożone cząsteczki, mogące następnie przejąć tę rolę.
Czytaj także: Naukowcy odkryli związek między Księżycem a życiem na Ziemi. To nie przypadek
W miarę jak wyłaniała się aktywność genetyczna, naukowcy sądzą, że bardziej pospolite metale, takie jak żelazo i nikiel, katalizowały inne reakcje. One również zostały ostatecznie zastąpione przez enzymy, ale nie z powodu swojej rzadkości. Uważa się, że metale te nie były wystarczająco specyficzne i katalizowały zbyt wiele różnych reakcji, podczas gdy enzymy są znacznie bardziej ukierunkowane.
Praca zespołu silnie wspiera hipotezę, że kominy hydrotermalne były kolebkami życia, ponieważ są one znacznie bogatsze w metale niż jeziora i stawy. Konsekwencje tych odkryć dla poszukiwania życia na innych planetach pozostają do zbadania.
Badanie jest dostępne w otwartym dostępie w prestiżowym czasopiśmie Science Advances.
