Biologer sliter fortsatt med mysteriet om livets opprinnelse på jorden. Det er nødvendig å forstå hvordan primitive bakterier og andre livsformer oppsto. Lite er kjent om avkommende organisme, men genomikk lar oss finne ut noe om de eldste skapningene som bebod verden ved begynnelsen av dens eksistens. "Lenta.ru" forteller om en artikkel publisert i tidsskriftet Nature, der forfatterne prøver å svare på spørsmålet om hvem LUCA (den siste universelle felles stamfar) var, Luca er den universelle felles stamfaren til alle moderne organismer.
Det var ennå ikke tre domener (superkongeriker) av liv - bakterier, archaea og eukaryoter, men det eksisterte allerede. Denne organismen er en mellomliggende forbindelse mellom det livlige miljøet på den tidlige jorda og de første mikrober som levde i bergarter for 3,8-3,5 milliarder år siden. Det er ikke kjent hvordan Luke så ut og under hvilke forhold han levde. Forskere, som detektiver, har rekonstruert de grunnleggende trekkene sine stykke for stykke. Vi gikk ut fra følgende prinsipp: siden Luke er stamfar til alle levende organismer, betyr det at de arvet noen egenskaper fra ham. Basert på de biologiske egenskapene som ligger i ethvert levende vesen, har biologer laget et portrett av Luke: en encellet organisme som ligner en bakterie.
En ny studie av tyske forskere gjorde det mulig å avklare den interne organisasjonen til den universelle stamfaren. Forskere har bestemt hvilke gener som kan inkludere Lukas DNA. For å gjøre dette, brukte de en fylogenetisk tilnærming, med andre ord, analyserte de evolusjonære forholdene mellom forskjellige typer liv på jorden. Dette ble gjort på følgende måte. Etter å ha fastslått hvilke proteiner som er kodet av det prokaryote genomet, valgte biologer de som oppfylte flere kriterier. Først må proteinet være til stede i den høyere taxaen av både bakterier og archaea. For det andre, hvis vi konstruerer et fylogenetisk tre - et diagram som gjenspeiler evolusjonsrelasjoner - bør bakterier og archaea som har dette proteinet danne en monofyletisk gruppe, det vil si ha en felles stamfar. Den sistnevnte tilstanden øker sannsynligheten for at de samme proteinene var tilstede i Luke,og fra ham ble gitt videre til etterkommere.
Totalt ble mer enn seks millioner gener som koder for proteiner analysert og til stede i 1 847 bakterie- og 134 arkaale genomer. Fra totalt dannet forskere 286 514 grupper (klynger), hvorav bare rundt 11 000 inneholdt bakterie- og archaealproteiner. Da de fylogenetiske trærne ble bygget og proteingruppene ble testet for å følge det monofyletiske prinsippet, gjensto bare 335 klynger som oppfylte de opprinnelige betingelsene. Alle proteiner i den endelige prøven var ifølge biologer til stede i LUCA-genomet. Det skal bemerkes at disse kriteriene ikke utelukker muligheten for horisontal genoverføring. Dermed kunne et protein som først dukket opp i tidlige bakterier komme inn i Archea og spre seg blant representanter for hvert av domenene, selv om det aldri var til stede i Lukas kropp.
Biologer var interessert i genene som utgjør "informasjonskjernen" i cellene til levende organismer. Vi snakker om 19 proteiner som er involvert i syntesen av ribosomer, i tillegg til åtte enzymer som spiller en viktig rolle i dannelsen av transport-RNA (de flytter aminosyrer til konstruksjonsstedene for proteinmolekyler).
Svarte røykere
Salgsfremmende video:
Foto: NOAA / Wikipedia
Lukas rekonstruerte genom antyder at det var en anaerob (tilpasset et oksygenfritt miljø) som fikk energien som var nødvendig for livet som et resultat av kjemosyntese - kjemiske reaksjoner som oksiderer mineraler. Tilsynelatende bodde den universelle stamfar nær hydrotermiske ventilasjonsåpninger, som svarte røykere. Dette indikeres av mulig tilstedeværelse av gyraser i den - enzymer som er spesifikke for termofile (termofile) organismer. Også i LUCA var det mest sannsynlig enzymer som muliggjør kjemosyntese, der karbondioksid er den eneste kilden til karbon. Generelt kan denne organismen motta energi fra gasser som hydrogen, karbondioksid og nitrogen.
Noen av enzymene inneholder jern-svovel (FeS) klynger, som er en gruppe med kofaktormolekyler som spesifikt binder seg til proteiner og bestemmer deres katalytiske aktivitet. Dette indikerer at Luke levde i et jernrikt miljø. En annen gruppe proteiner som er involvert i sukkermetabolismen har blitt identifisert: glykosylaser og hydrolaser. Disse enzymene i moderne celler er viktige for syntesen av celleveggen, noe som kan indikere eksistensen av en primitiv cellevegg i LUCA.
The Great Prismatic Spring er et typisk arkeisk habitat
Foto: Jim Urquhart / Reuters
Funnene fra forskerne bekrefter en rekke viktige teser. FeS-klynger, så vel som overgangsmetaller i sammensetningen av kofaktorer, er arven fra gammel metabolisme. De første levende organismer oppsto i hydrotermiske ventilasjonsåpninger. Kjemiske reaksjoner som skjedde ved grensen til vannmiljøet og svaberg skapte forholdene for livets oppkomst. De første representantene for bakterier og archaea var autotrofer, avhengig av hydrogen og bruk av karbondioksid som en terminal akseptor i energimetabolismen (hos dyr og planter, inhalert oksygen spiller denne rollen).
De konstruerte fylogenetiske trærne gjorde det ikke mulig å isolere de proteiner som er karakteristiske for LUCA, som var involvert i syntesen av aminosyrer som utgjør proteiner og nukleosidene som danner DNA og RNA. Likevel kunne en universell stamfar ha dannet seg fra de komponentene som ble dannet som et resultat av spontane kjemiske prosesser som er karakteristiske for den tidlige jorden.
Interessant nok motsier resultatene fra tyske biologer funnene fra franske forskere publisert i 2008. De tilskrev løk til organismer som foretrekker moderate temperaturer (mindre enn 50 grader celsius). Det ble antatt at LUCA ikke kunne være en termofil på grunn av at proteinene ikke var resistente mot høye temperaturer. På samme tid kunne forfedrene til bakterier og archaea godt ha levd i et høyt oppvarmet miljø. Det nye arbeidet legger ikke vekt på enzymeres umiddelbare stabilitet, men på hvilke miljøforhold disse proteinene er karakteristiske for.
Alexander Enikeev
