Biologer kæmper stadig med mysteriet om livets oprindelse på Jorden. Det er nødvendigt at forstå, hvordan primitive bakterier og andre livsformer opstod. Der er lidt kendt om forfaderorganismen, men genomik giver os mulighed for at finde ud af noget om de ældste skabninger, der beboede verden ved starten af dens eksistens. "Lenta.ru" fortæller om en artikel, der er offentliggjort i tidsskriftet Nature, hvor forfatterne forsøger at besvare spørgsmålet om, hvem LUCA (sidste universelle fælles stamfar) var, Luca er den universelle fælles stamfar til alle moderne organismer.
Der var endnu ikke tre domæner (superkongeriger) af liv - bakterier, archaea og eukaryoter, men han eksisterede allerede. Denne organisme er en mellemliggende forbindelse mellem det livlige miljø på den tidlige jord og de første mikrober, der levede i klipper for 3,8-3,5 milliarder år siden. Det vides ikke, hvordan Luke så ud, og under hvilke forhold han levede. Forskere har ligesom detektiv rekonstrueret dens grundlæggende træk stykke for stykke. Vi fortsatte fra følgende princip: Da Luke er stamfar til alle levende organismer, betyder det, at de arvet nogle træk fra ham. Baseret på de biologiske egenskaber, der er iboende i ethvert levende væsen, har biologer skabt et portræt af Luke: en encellet organisme, der ligner en bakterie.
En ny undersøgelse af tyske forskere gjorde det muligt at afklare den interne organisation af den universelle stamfar. Forskere har bestemt, hvilke gener der kunne inkludere Luke's DNA. For at gøre dette anvendte de en fylogenetisk tilgang, med andre ord, analyseret de evolutionære forhold mellem forskellige livstyper på Jorden. Dette blev gjort på følgende måde. Efter at have konstateret, hvilke proteiner der kodes for af det prokaryote genom, valgte biologer dem, der opfyldte flere kriterier. Først skal proteinet være til stede i den højere taxa for både bakterier og archaea. For det andet, hvis vi konstruerer et fylogenetisk træ - et diagram, der reflekterer evolutionære forhold - skal bakterier og archaea, der har dette protein, danne en monofyletisk gruppe, det vil sige have en fælles stamfar. Den sidstnævnte tilstand øger sandsynligheden for, at disse samme proteiner var til stede i Luke,og fra ham blev videregivet til efterkommere.
I alt blev mere end seks millioner gener, der koder for proteiner, analyseret og til stede i 1.847 bakterie- og 134 archaeale genomer. Fra det samlede antal dannede forskere 286 514 grupper (klynger), hvoraf kun ca. 11 tusind indeholdt bakterielle og archaeal proteiner. Da de fylogenetiske træer blev bygget og proteingrupperne blev testet for at følge det monophyletiske princip, var der kun 335 klynger tilbage, der opfyldte de oprindelige betingelser. Alle proteiner i den endelige prøve var ifølge biologer til stede i LUCA-genomet. Det skal bemærkes, at disse kriterier ikke udelukker muligheden for horisontal genoverførsel. Således kunne et protein, der først optrådte i tidlige bakterier, komme ind i Archea og spredes blandt repræsentanter for hvert af domænerne, selvom det aldrig var til stede i Lukas krop.
Biologer var interesseret i generne, der udgør "informationskernen" i cellerne i levende organismer. Vi taler om 19 proteiner, der er involveret i syntesen af ribosomer, samt otte enzymer, der spiller en vigtig rolle i dannelsen af transport-RNA (de flytter aminosyrer til konstruktionsstederne for proteinmolekyler).
Sorte rygere
Salgsfremmende video:
Foto: NOAA / Wikipedia
Lukas rekonstruerede genom antyder, at det var et anaerobt (tilpasset et iltfrit miljø) væsen, der modtog den nødvendige energi til livet som et resultat af kemosyntesen - kemiske reaktioner, der oxiderer mineraler. Tilsyneladende boede den universelle stamfar nær hydrotermiske åbninger, som sorte rygere. Dette er indikeret ved den mulige tilstedeværelse af gyraser i den - enzymer, der er specifikke for termofile (termofile) organismer. Også i LUCA var der sandsynligvis enzymer, der muliggør kemosyntesen, hvor carbondioxid er den eneste kilde til kulstof. Generelt kunne denne organisme modtage energi fra gasser som brint, kuldioxid og nitrogen.
Nogle af enzymerne indeholder jern-svovlklynger (FeS) -klynger, som er en gruppe af cofaktormolekyler, der specifikt binder til proteiner og bestemmer deres katalytiske aktivitet. Dette indikerer, at Luke levede i et jern-rigt miljø. En anden gruppe proteiner, der er involveret i sukkermetabolismen, er blevet identificeret: glycosylaser og hydrolaser. Disse enzymer i moderne celler er vigtige for syntesen af cellevæggen, hvilket kan indikere eksistensen af en primitiv cellevæg i LUCA.
The Great Prismatic Spring er et typisk arkæisk habitat
Foto: Jim Urquhart / Reuters
Forskernes resultater bekræfter en række vigtige teser. FeS-klynger såvel som overgangsmetaller i sammensætningen af kofaktorer er arven fra den gamle metabolisme. De første levende organismer opstod i hydrotermiske åbninger. Kemiske reaktioner, der forekommer ved grænsen til vandmiljøet og klipper, skabte betingelserne for livets opkomst. De første repræsentanter for bakterier og archaea var autotrofer, afhængige af brint og brug af kuldioxid som en terminal acceptor i energimetabolismen (hos dyr og planter spiller indåndet ilt denne rolle).
De konstruerede fylogenetiske træer gjorde det ikke muligt at isolere de proteiner, der er karakteristiske for LUCA, som var involveret i syntesen af aminosyrer, der udgør proteiner og nukleosiderne, der danner DNA og RNA. Ikke desto mindre kunne en universel stamfar have dannet sig fra de komponenter, der blev dannet som et resultat af spontane kemiske processer, der er karakteristiske for den tidlige jord.
Interessant nok modsiger resultaterne af tyske biologer konklusionerne fra franske forskere, der blev offentliggjort i 2008. De tilskrev løg til organismer, der foretrækker moderate temperaturer (mindre end 50 grader celsius). Det antages, at LUCA ikke kunne være en termofil på grund af det faktum, at dens proteiner ikke var resistente over for høje temperaturer. På samme tid kunne forfædrene til bakterier og archaea have levet i et meget opvarmet miljø. Det nye arbejde er opmærksom ikke på enzymernes øjeblikkelige stabilitet, men til hvilke miljøbetingelser disse proteiner er karakteristiske for.
Alexander Enikeev
