Дослідження вказує на подвійне зародження клітинного життя

13 серпня 2026 р. 11:14

13 серпня 2026 р. 11:14

Новий аналіз раннього метаболізму свідчить, що бактерії та археї могли окремо стати вільноживучими організмами, хоча й поділяють спільний генетичний код. На думку дослідників, перші клітини виникали в середовищі гідротермальних джерел, де природні метали заміняли частину сучасних ферментів. Про це повідомляє команда з Університету імені Генріха Гейне в Дюссельдорфі у публікації в журналі Science Advances, про яку розповідає SciTechDaily .

Гібрид металів та ферментів на початку життя

Приблизно 4 мільярди років тому хімічні реакції, які згодом перетворилися на біохімію живих клітин, могли відбуватися довкола гідротермальних джерел. Там природні метали в породах забезпечували каталіз реакцій ще до появи повного набору ферментів.

Наталія Мрн’явец (Natalia Mrnjavac) та її колеги зіставили геноми, структури білків і хімічні реакції, щоб відтворити дуже ранній етап еволюції мікроорганізмів — ще до того, як з’явилися справді вільноживучі клітини. Вони зосередилися не на окремих генах, а на цілій мережі з 420 реакцій , за допомогою яких клітини синтезують амінокислоти, основи РНК і вітаміни з простих речовин ранньої Землі: водню, аміаку та CO2.

Ця мережа й є метаболізмом, і самі реакції збереглися в усіх відомих організмах майже так само послідовно, як і генетичний код. Водночас дослідники виявили, що ферменти, які їх каталізують, по різні боки еволюційної межі між бактеріями та археями зовсім не однакові.

LUCA спирався на метали з навколишнього середовища

За оцінкою авторів, останній універсальний спільний предок усіх клітин (LUCA) мав ферментні системи лише приблизно для половини метаболічних реакцій. Інша частина, за їхніми розрахунками, могла каталізуватися неорганічними сполуками — металами, природно присутніми в зоні гідротермальних джерел, де виник цей предок.

У моделі дослідників реакції метаболізму позначені як кола, а метаболіти — як ромби, між якими проходять лінії спільних сполук. Кола з пурпуровим відтінком відповідають реакціям, які потенційно могли відбуватися за участю лише неорганічних каталізаторів середовища.

Інорганічний хімік Харун Тюйсюз (Harun Tüysüz) підкреслює, що метали, які природно трапляються в гідротермальних системах, здатні замінювати «вражаюче велику» кількість ферментів у метаболізмі. Джозеф Моран (Joseph Moran) з Університету Оттави зазначає, що що глибший аналіз, то чіткіше видно: рання біохімічна еволюція була гібридом ферментного та металевого каталізу.

Бактерії та археї знайшли різні біохімічні рішення

Порівнюючи ці мережі, дослідники відтворили чотири послідовні стадії становлення біологічного каталізу. Ланцюг починається з реакцій, повністю керованих металами, переходить до змішаної стадії в LUCA, а далі розходиться до предків сучасних бактерій і архей.

У міру розділення цих двох гілок еволюції з’являлися нові ферменти, що перебирали на себе реакції, які до того залежали від неорганічних каталізаторів довкілля. Команда бачить приклади, коли предки бактерій і архей незалежно розвинули структурно відмінні ферменти для каталізу одних і тих самих ключових метаболічних реакцій.

На думку Мрн’явец, саме такі паралельні «винаходи» могли прокласти шлях до незалежного становлення вільноживучих бактеріальних і архейних клітин поза межами гідротермальних джерел.

Фосфіт і паладій як можливе джерело ранньої енергії

Окремо команда досліджувала питання енергії. Сучасний метаболізм майже повністю спирається на АТФ, але ця молекула занадто складна, щоб просто існувати в середовищі без допомоги ферментів.

Манон Шліккер (Manon Schlikker) та колеги виділили потенційно альтернативне джерело енергії на початку метаболізму. Воно ґрунтується на фосфіті — формі фосфору, що природно трапляється в гідротермальних умовах, — і паладії, металі, який хіміки широко використовують як каталізатор.

У лабораторних умовах реакція фосфіту з органічними сполуками за участю паладію давала фосфорилювальні метаболічні реакції у воді за одну ніч. У цій схемі фосфіт і паладій замінюють і АТФ, і ферменти, що, за словами авторів, робить ранні еволюційні кроки більш зрозумілими.

Як відновили послідовність появи реакцій

Ще одна задача полягала в тому, щоб з’ясувати можливий порядок виникнення самих метаболічних реакцій. Через щільну взаємопов’язаність мережі з 420 реакцій і численними спільними сполуками це складна математична проблема.

Майк Стил (Mike Steel) з Університету Кентербері та Даніель Гузон (Daniel Huson) з Тюбінгенського університету розробили метод, який розташовує реакції від простіших до структурно складніших. Така послідовність може відображати приблизний історичний порядок їх появи.

Стил зазначає, що першим кроком було з’ясувати, чи існує взагалі унікальний порядок для цієї мережі. Після математичного доведення його існування створення алгоритму впорядкування стало можливим.

Один генетичний код, але два зародження життя?

У ширшій перспективі результати вказують на те, коли найдавніші клітинні лінії стали по-справжньому незалежними організмами. За інтерпретацією авторів, бактерії й археї окремо здійснили перехід від систем, тісно прив’язаних до геохімічного середовища, до вільноживучих клітин.

Вільноживучий стан вони вважають критерієм «справжнього» життя, а отримані дані, за словами Вільяма Мартіна (William F. Martin), ведуть до висновку: ми маємо справу з одним походженням генетичного коду, але з двома незалежними зародженнями клітинного життя — бактеріального та архейного.

Наука