Ostatni wspólny przodek wszelkiego życia pojawił się już 4,2 miliarda lat temu

DNA wszystkich żyjących obecnie organizmów ma wiele podobieństw, co sugeruje, że całe życie pochodzi od jednego wspólnego przodka nazywanego LUCA (Last Universal Common Ancestor). W nowej publikacji, która ukazała się na łamach pisma "Nature Ecology & Evolution" (DOI: 10.1038/s41559-024-02461-1), międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez badaczy z University of Bristol ustalił, że organizm, który dał początek wszelkiemu życiu obecnemu na Ziemi, mógł ewoluować zaledwie kilkaset milionów lat po uformowaniu się planety, znacznie wcześniej, niż dotychczas sądzono. Co więcej, był bardziej wyrafinowany, niż sugerowały poprzednie oceny.

LUCA

LUCA to hipotetyczny wspólny przodek, od którego pochodzi całe współczesne życie - od organizmów jednokomórkowych, takich jak bakterie, po płetwale błękitne czy gigantyczne sekwoje. LUCA reprezentuje sam początek drzewa życia, zanim podzieliło się na grupy rozpoznawane dzisiaj: bakterie, archeony i eukarioty.

Zespół badaczy porównał genomy zróżnicowanej grupy 700 współczesnych mikrobów. Uczeni szukali wspólnych cech, aby zidentyfikować, które z nich pojawiły się jako pierwsze. Chociaż analiza nie ujawnia, jak powstało życie, to sugeruje, że złożony organizm komórkowy wyewoluował już 4,2 miliarda lat temu, zaledwie czterysta milionów lat po uformowaniu się Ziemi.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Mikrob ten miał dość spory genom kodujący około 2600 białek, odżywiał się wodorem gazowym (H2) i dwutlenkiem węgla i miał szczątkowy układ odpornościowy do walki z wirusowymi najeźdźcami.

- Nasze badanie wykazało, że LUCA był złożonym organizmem, nie różniącym się zbytnio od współczesnych prokariotów, ale co naprawdę interesujące, posiadał wczesny układ odpornościowy, co pokazuje, że nawet 4,2 miliarda lat temu nasz przodek brał udział w wyścigu zbrojeń z wirusami – powiedział Davide Pisani, współautor badania.

- Nasza praca łączy dane i metody z wielu dyscyplin, ujawniając spostrzeżenia na temat wczesnej Ziemi i życia, których nie można było uzyskać w ramach jednej dyscypliny. Pokazuje również, jak szybko na wczesnej Ziemi powstał ekosystem. Sugeruje to, że życie może kwitnąć w biosferach podobnych do Ziemi w innych częściach Wszechświata – podkreślił Philip Donoghue z University of Bristol.

Badania

Naukowcy już wcześniej szukali LUCA. W 2016 roku badacze pod kierunkiem Williama Martina z Heinrich Heine University Düsseldorf zastosowali podobne podejście polegające na porównaniu znanych genomów mikrobów i ustalili, że LUCA prawdopodobnie był beztlenowcem oraz termofilem, czyli organizmem ciepłolubnym. Dowiedli też, że czerpał energię z gazów wodorowych. Ta kombinacja sugerowała, że ​​mógł żyć w pobliżu kominów hydrotermalnych. W tych badaniach nie ustalono, kiedy LUCA wyewoluował.

Badania opierały się na zmiennych, ale znanych wskaźnikach mutacji genetycznych u gatunków mikrobów, a także tempie transferów genów między nimi. Dzięki temu można stworzyć rodzaj zegara molekularnego. Konstruując drzewa genealogiczne pokazujące, które organizmy prawdopodobnie wyewoluowały z innych oraz śledząc zmiany w genach, naukowcy mogą mniej więcej oszacować, kiedy dwie sąsiednie gałęzie się rozeszły, a tym samym określić wiek ich wspólnego przodka.

Analizy zespołu Martina przyjęły to podejście, polegające na śledzeniu zmian w pojedynczych genach wspólnych dla wszystkich potomków. W nowych pracach uczeni skupili się na pięciu zestawach paralogów – białek lub fragmentów DNA lub RNA o wspólnym pochodzeniu, które powstały w wyniku duplikacji. Takie duplikaty znaleziono u wielu bakterii i archeonów, co sugeruje, że rozdział nastąpił jeszcze u LUCA. Śledzenie, czy mutacja występuje w obu kopiach tych genów, czy tylko w jednej, ułatwia ustalenie czasu ich duplikacji, a tym samym wieku wspólnych przodków.

Aby dowiedzieć się nieco więcej o LUCA, uczeni prześledzili 57 markerów genów u 350 bakterii i 350 gatunków archeonów. Oddzielnie śledzili wzorce ewolucyjne poszczególnych genów i rodzin genów u tych bakterii i archeonów. Porównując ewolucyjne historie poszczególnych genów z historiami gatunków, mogli lepiej określić, które geny zostały zduplikowane, utracone lub przeszły poziomy transfer genów. Na tej podstawie wywnioskowali pewne cechy LUCA.

Poza tym, że odżywiał się H2 oraz CO2, uczeni znaleźli też gen, który mógł chronić organizm przed promieniowaniem ultrafioletowym, co sugeruje, że mikrob mógł żyć w wodach powierzchniowych, gdzie wychwytywał CO2 i H2 z atmosfery, a nie na dnie w pobliżu kominów hydrotermalnych, jak to ustalił zespół Martina w 2016 r. Z drugiej strony znaleźli również ślady enzymu, który powszechnie występuje u termofilów, co oznacza, że ​​LUCA mógł również rozwijać się w głębiej położonym środowisku.

Badacze znaleźli też elementy systemu obrony CRISPR-Cas9, tego samego, który stał się inspiracją dla opracowania najpowszechniej używanego edytora genomu. - LUCA miał ten wczesny układ odpornościowy jako sposób na unikanie wirusów – wyjaśnił Edmund Moody, główny autor publikacji. To z kolei sugeruje, że już 4,2 miliarda lat temu istniał różnorodny ekosystem mikrobów i patogenów.

Źródło: University of Bristol, Science, fot. Science Graphic Design/University of Bristol