Два произхода на живота: Свободно живеещи клетки са се появили 2 пъти, когато са се разделили бактерии и археи

Как и къде са възникнали първите форми на живот? Това са основните въпроси, върху които са фокусирани изследванията в Института по молекулярна еволюция към Университета "Хайнрих Хайне" в Дюселдорф (HHU). В нова публикация в Science Advances, международен екип, ръководен от биолози от Дюселдорф, разкрива новаторски прозрения за мрежата от химични реакции, които първите клетки са използвали, за да създадат градивните елементи на живота, и енергийните източници, които са използвали, за да задвижват тези реакции.

Те проследяват произхода на ензимите по време на най-ранното разграничаване на живота в бактерии и археи и откриват доказателства за два независими произхода на живота за свободно живеещите клетки.

Ако можеше да се върнем 4 милиарда години назад във времето и да наблюдаваме как се появяват първите клетки на Земята, какво щяхме да видим?

"Щеше да видим как се появяват два много различни вида клетки, пионерни бактерии и пионерни археи, които правят първите си опити за живот извън пределите на хидротермален извор", отбелязва Наталия Мърнявац (Natalia Mrnjavac), биолог в университета в Дюселдорф и водещ автор на новата публикация.

Там Мърнявац и международен екип от учени докладват за изследвания на геноми, протеинови структури и химични реакции, които изследват най-ранните фази на микробната еволюция, преди да има свободно живи клетки.

"Тези сравнения ни дават безпрецедентна представа за фазата на еволюцията, когато метаболизмът, катализиран от ензими, е произтичал от спонтанни реакции, катализирани от метали в земната кора", разказва биологът от Дюселдорф Уилям Мартин (William Martin), старши автор на изследването.

Метаболизъм на първите клетки: Изходните съединения са показани вляво, те се превръщат чрез метаболизъм в градивните елементи на живота. 420-те ензимни реакции са обозначени като кръгове, химичните метаболити като ромбове, а линиите свързват реакции с общи метаболити. Кръговете, показани в маджента, показват реакции, които биха могли да бъдат катализирани от неорганични съединения в средата, където е възникнал метаболизмът на първите клетки. Кредит: HHU/Nadja Hoffmann

Метаболизъм преди съвременните ензими

Подходът на екипа се различава от предишни изследвания на ранната еволюция, като изследва целия набор от химични реакции, които клетките използват, за да изградят градивните елементи на живота (аминокиселини, РНК бази и витамини) от съединения, присъстващи на ранната Земя: водороден газ, амоняк и CO2. Този набор от 420 химични реакции се нарича метаболизъм. Самите химични реакции са толкова универсално запазени, колкото и генетичният код.

"Изненадата е, че ензимите, които катализират тези реакции, не са запазени през еволюционната граница, която разделя бактериите и археите. Открихме, че последният универсален прародител на всички клетки, LUCA (last universal ancestor of all cells), е притежавал ензими само за около половината от реакциите на метаболизма. Другата половина е била катализирана от метали в средата, където е възникнал LUCA", обяснява Мартин.

"Металите, които се срещат естествено в хидротермалните извори, могат да заместят изненадващо голям брой ензими в метаболизма", отлелязва Харун Тюсюз (Harun Tüysüz), неорганичен химик от Института за кохленфолшинг "Макс Планк" и Института за материали IMDEA в Мадрид, и съавтор на изследването.

"Колкото по-отблизо се вглеждаме, толкова по-ясно виждаме, че ранната биохимична еволюция е била хибрид от ензимни и метални катализатори", разказва Джоузеф Моран (Joseph Moran) от Университета в Отава, Канада, международен лидер в използването на метали за катализиране на метаболитни реакции, замествайки ензими и кофактори.

Четири етапа на ранна катализа

Голяма крачка напред в изследването беше, че екипът успя да реконструира четири фази от ранната еволюция на катализа: само метал, хибрид метал-ензим в LUCA, последван от дивергентна еволюция към предците на бактериалните и археалните линии. В тези линии възникват нови ензими, заместващи неорганичните катализатори, осигурени от средата, където е възникнал метаболизмът.

"Можем да видим случаи, в които предците на бактериите и археите независимо са еволюирали структурно различни ензими, за да катализират една и съща основна метаболитна реакция", посочва Мърнявац. "Подобни паралелни изобретения биха могли да проправят пътя за независимата поява на свободно живеещи бактерии и археи."

Източник на енергия преди АТФ

И откъде е идва енергията, която да задвижва тези реакции? Днес енергията в метаболизма идва главно под формата на АТФ, но АТФ е сложна молекула, произведена от ензими, а не съединение, което е лежало свободно в хидротермални извори.

"Идентифицирахме нов източник на енергия с метаболитен произход", обяснява Манон Шликер (Manon Schlikker) от екипа в Дюселдорф. Сред металите, които се срещат естествено в хидротермалните извори, е паладий, отличен катализатор, познат и използван от химиците от век.

"Когато реагираме с фосфит, форма на фосфор, която се среща естествено в хидротермални извори, с органични съединения, получаваме метаболитни реакции на фосфорилиране за една нощ във вода. Фосфитът и паладият заместват АТФ и ензимите - това е невероятно и прави ранната еволюция много по-лесна за разбиране", посочва Шликер.

Подреждане на най-ранните реакции в живота

Изследването е първото фокусирано изследване на реакционния набор, наречен метаболизъм. Този реакционен набор представлява силно взаимосвързана мрежа от 420 реакции, като много съединения участват в множество реакции. Работата с такива мрежи може да бъде математически сложна.

"Първият въпрос е дали съществува уникален ред за тези реакции. След като успяхме да докажем, че има такъв, алгоритъмът за подреждането им стана проследим", обяснява съавторът Майк Стийл (Mike Steel) от Университета на Кентърбъри в Нова Зеландия.

Той, заедо с Даниел Хюсън (Daniel Huson) от Университета на Тюбинген, са експерти по мрежи, които са разработили нов метод за подреждане на метаболитните реакции от най-простите до най-сложните, вероятно пресъздавайки реда, в който метаболитните реакции са възникнали в началото на живота.

Два пътя към свободно живеещи клетки

Част от човешката природа е да искаме да разберем нашия произход, откъде идваме, къде е започнал животът и как първите клетки на Земята са се прехранвали.

В това е и смисълът на новите открития.

"Новите данни оставят само едно заключение. Бактериалните и археалните линии са направили прехода към свободно живеещо състояние независимо. Само свободно живеещите клетки са живи. Нека го наречем направо: Разглеждаме един произход на генетичния код, но два произхода на живота", заявява Мартин.

Справка: Natalia Mrnjavac, Intermediate stages in the origin of metabolism at a phosphorylating hydrothermal vent, Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aef3128. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aef3128

Източник: Two origins of life: Free-living cells may have emerged twice as bacteria and archaea diverged, Heinrich-Heine University Duesseldorf

Още по темата

07/05/2026

Животът

Животът е изградил своята биохимия върху метал, който е изключително рядък

07/04/2026

Животът

Астероидите, унищожили динозаврите, може да са помогнали за възникването на живота

24/01/2025

Животът

Целият живот на Земята днес произлиза от една-единствена клетка. Запознайте се с LUCA

07/03/2023

Животът

Еволюция преди биологията, естествен подбор преди ДНК