Живот на Земљи се два пута развио, показује нова студија

Нова студија, објављена у часопису Сајенс адвансес (Science Advances), указује да је невероватни скок настанка живота из неорганске материје направљен не једном, већ чак два пута.

Према новом истраживању, две главне гране живота – бактерије и археје – можда су независно једна од друге откриле тајне метаболизма које су им омогућиле прелазак из неживе у живу материју. Студија се фокусирала на најосновнији скуп хемијских реакција за које се сматра да су омогућиле ову трансформацију.

„Изненађење је то што ензими који катализују те реакције нису очувани преко еволутивне границе која раздваја бактерије и археје“, каже биолог Вилијам Мартин са Универзитета Хајнрих Хајне у Диселдорфу.

„Нови подаци остављају само један закључак. Бактеријска и архејска лоза независно су оствариле прелазак у слободноживеће стање. Само слободноживеће ћелије су заиста живе. Назовимо ствари правим именом: посматрамо једно порекло генетског кода, али два порекла живота“, наводи Мартин.

То је изузетно смела тврдња, посебно зато што чак ни дефинисање самог живота није једноставан задатак.

Уопштено говорећи, живот се сматра обликом материје који реагује на околину, користи енергију, расте и размножава се.

То звучи као довољно широка дефиниција, али ни она није савршена. На крају крајева, вируси испуњавају већину тих услова, али се традиционално не сматрају живим бићима.

Једна особина која је заједничка свим облицима живота, а коју вируси немају, јесте метаболизам – скуп хемијских реакција које организми користе за стварање молекула неопходних за свакодневно функционисање.

Ензими су протеински „радници“ који служе као катализатори тих реакција, али то отвара класично питање: шта је било прво – кокошка или јаје?

Наиме, и сами ензими настају као производ хемијских реакција. Како су онда први облици живота могли да започну метаболизам, укључујући и производњу ензима, без помоћи других ензима?

Одговор се, чини се, крије у њиховом окружењу.

Општеприхваћена теорија каже да је први живот настао у изузетно реактивним срединама, попут хидротермалних извора на дну океана. Метали који се природно налазе на таквим местима могли су да буду први катализатори метаболизма, претварајући једињења попут водоника, амонијака и угљен-диоксида у друге корисне молекуле.

„Готово све у вези са пореклом метаболизма предмет је расправа, укључујући улоге енергије, генетике, аутокатализе, фосфата, кофактора, цијанида, угљен-диоксида и воде“, пишу Мартин и његове колеге у раду.

„Ипак, око једне ствари сви ће се сложити – мрежа од око 400 реакција која претвара H2, CO2, NH3, H2S и фосфате у аминокиселине, азотне базе и кофакторе није могла настати одједном. Њен настанак из спонтаних реакција у природном окружењу морао је да прође кроз међуфазе развоја, које су до сада биле недовољно разјашњене“, објашњавају научници са немачког института.

Истраживачи су анализирали структуре протеина кључних метаболичких ензима у геномима бактерија и археја, а затим развили метод и алгоритам којим су их поређали према сложености. На основу тога могли су да одреде којим редоследом су ензими еволуирали и да саставе оквирну временску линију њиховог развоја.

„Открили смо да је последњи универзални заједнички предак свих ћелија, познат као ЛУЦА, поседовао ензиме за само око половине метаболичких реакција. Другу половину катализовали су метали из окружења у којем је ЛУЦА настао“, каже Мартин.

Тим је закључио да су вероватно постојале четири фазе развоја катализе, односно реакција које покрећу ензими. Прва фаза ослањала се искључиво на метале из окружења.

Када се накупило довољно корисних молекула, протоћелије које још нису биле потпуно живе – међу којима је био и ЛУЦА – почеле су да развијају сопствене ензиме који су преузимали део функција металних катализатора.

Временом су касније протоћелије развијале све већи број ензима, постајале све мање зависне од метала из окружења, да би на крају потпуно престале да их користе. Тек тада могу се сматрати „слободноживећим ћелијама“.

Оно што је посебно важно јесте да се, према истраживачима, то догодило тек након што су се бактерије и археје еволутивно раздвојиле. Ове две гране живота развиле су сопствена решења за исте биохемијске изазове.

„Видимо примере у којима су преци бактерија и археја независно еволуирали структурно различите ензиме који катализују исту кључну метаболичку реакцију“, каже биолог Наталија Мрњавац са Универзитета Хајнрих Хајне у Диселдорфу.