Последний универсальный общий предок ( LUCA ) — это предполагаемая общая предковая клетка , из которой произошли три домена жизни : бактерии , археи и эукарии . Предполагается, что это был «клеточный организм , который имел липидный бислой и использовал ДНК, РНК и белок». [2] LUCA также определяется как «гипотетический организм, являющийся предком всех трех доменов». [3] LUCA — это точка или стадия, на которой три области жизни отошли от ранее существовавших форм жизни (около 3,5–3,8 миллиардов лет назад). Природа этой точки или стадии расхождения остается темой исследования.
Обычно считается, что все более ранние формы жизни, предшествовавшие этому расхождению, и, конечно же, все существующие наземные организмы имеют общее происхождение . На основе формального статистического теста эта теория универсального общего происхождения (UCA) подтверждается по сравнению с конкурирующими гипотезами множественного происхождения. Первый универсальный общий предок (FUCA) является гипотетическим неклеточным предком LUCA и других ныне вымерших сестринских линий.
Происхождение вирусов до или после LUCA, а также разнообразие существующих вирусов и их хозяев являются предметом исследования.
Хотя никаких ископаемых свидетельств существования LUCA не существует, детальное биохимическое сходство всей нынешней жизни (разделенной на три домена) делает ее правдоподобной. Его характеристики можно вывести из общих черт современных геномов . Эти гены описывают сложную форму жизни со многими коадаптированными функциями, включая механизмы транскрипции и трансляции для преобразования информации из ДНК в мРНК и в белки . Более ранние формы жизни, вероятно, обитали в высокотемпературной воде глубоководных морских жерл вблизи потоков магмы на дне океана около 4 миллиардов лет назад.
Филогенетическое древо напрямую отражает идею эволюции путем происхождения от одного предка . [4] Раннее древо жизни было набросано Жаном-Батистом Ламарком в его «Зоологической философии» в 1809 году. [5] [6] Чарльз Дарвин, более известный, предложил теорию всеобщего общего происхождения посредством эволюционного процесса в своей книге « О происхождении Виды в 1859 году: «Поэтому я должен сделать вывод по аналогии, что, вероятно, все органические существа, когда-либо жившие на этой Земле, произошли от какой-то одной изначальной формы, в которую впервые была вдохнута жизнь». [7] Последнее предложение книги начинается с повторения гипотезы:
Есть величие в этом взгляде на жизнь, с ее несколькими силами, первоначально вдохнутыми в несколько форм или в одну...
— [7]
Термин «последний универсальный общий предок» или «LUCA» впервые был использован в 1990-х годах для обозначения такого первичного организма. [8] [9] [10]
В 2016 году Мэдлин К. Вайс и ее коллеги генетически проанализировали 6,1 миллиона генов, кодирующих белки, и 286 514 белковых кластеров из секвенированных геномов прокариот , представляющих множество филогенетических деревьев , и идентифицировали 355 белковых кластеров, которые, вероятно, были общими для LUCA. Результаты их анализа весьма специфичны, хотя и дискуссионны. Они описывают LUCA как « анаэробный , CO 2 -фиксирующий, H 2 -зависимый с путем Вуда-Люнгдала (восстановительный путь ацетил-коэнзима А ), N 2 -фиксирующий и термофильный . Биохимия LUCA была изобилует кластерами FeS и механизмами радикальных реакций. ." [12] Кофакторы также обнаруживают «зависимость от переходных металлов , флавинов , S-аденозилметионина , кофермента А , ферредоксина , молибдоптерина , корринов и селена . Его генетический код требовал нуклеозидных модификаций и S-аденозилметионин-зависимого метилирования ». [12] Они показывают, что метаногенные клостридии были базальными, около корня филогенетического дерева , в 355 исследованных белковых линиях, и что, следовательно, LUCA, возможно, обитали в анаэробных гидротермальных источниках в геохимически активной среде, богатой H 2 , CO. 2 и железо, где океанская вода взаимодействовала с горячей магмой под дном океана . [12] Предполагается даже, что LUCA также выросла из H 2 и CO 2 посредством обратного неполного цикла Кребса. [13] Другими метаболическими путями, предполагаемыми при LUCA, являются пентозофосфатный путь , гликолиз и глюконеогенез . [14] Даже если филогенетические данные могут указывать на среду гидротермальных жерл для термофильных LUCA, это не является доказательством того, что зарождение жизни произошло в гидротермальных жерлах, поскольку массовые вымирания могли уничтожить ранее существовавшие ветви жизни. [15]
Хотя общую анатомию LUCA можно реконструировать лишь с большой степенью неопределенности, ее биохимические механизмы можно описать довольно подробно, основываясь на «универсальных» свойствах, которые в настоящее время присущи всем независимо живущим организмам на Земле. [16]
У LUCA определенно были гены и генетический код . [11] Его генетическим материалом, скорее всего, была ДНК, [17] так что он жил после мира РНК . [a] [20] ДНК сохранялась двухцепочечной благодаря ферменту ДНК - полимеразе , который распознает структуру и направленность ДНК. [21] Целостность ДНК поддерживалась группой ферментов репарации , включая ДНК-топоизомеразу . [22] Если генетический код был основан на двухцепочечной ДНК , он выражался путем копирования информации на одноцепочечную РНК. РНК вырабатывалась ДНК-зависимой РНК-полимеразой с использованием нуклеотидов, аналогичных нуклеотидам ДНК. [17] У него было несколько ДНК-связывающих белков , таких как белки гистоновой складки. [23] Генетический код был выражен в белках . Они были собраны из 20 свободных аминокислот путем трансляции информационной РНК посредством механизма рибосом , транспортных РНК и группы родственных белков. [17]
LUCA, вероятно, была способна к сексуальному взаимодействию в том смысле, что присутствовали адаптивные функции генов, которые способствовали передаче ДНК между особями популяции для облегчения генетической рекомбинации . Гомологичные генные продукты, способствующие генетической рекомбинации, присутствуют у бактерий, архей и эукариот, например, белок RecA у бактерий, белок RadA у архей и белки Rad51 и Dmc1 у эукариот. [24]
Функциональность LUCA, а также доказательства ранней эволюции мембранозависимых биологических систем позволяют предположить, что LUCA имела клеточность и клеточные мембраны. [25] Что касается общей структуры клетки, она содержала цитоплазму на водной основе , эффективно окруженную липидной двухслойной мембраной; он был способен размножаться путем деления клеток. [26] Он имел тенденцию исключать натрий и концентрировать калий с помощью специальных переносчиков ионов (или ионных насосов). Клетка размножалась путем дублирования всего своего содержимого с последующим клеточным делением . Клетка использовала хемиосмос для производства энергии. Он также восстанавливает CO 2 и окисляет H 2 ( метаногенез или ацетогенез ) посредством ацетилтиоэфиров . [27] [28]
Согласно филогенетическому брекетингу и анализу групп предполагаемых потомков LUCA, LUCA, по-видимому, представляла собой небольшой одноклеточный организм. Вероятно, у него был кольцеобразный клубок ДНК , свободно плавающий внутри клетки. Морфологически он, скорее всего, не выделялся бы среди смешанной популяции мелких современных бактерий. Создатель трехдоменной системы Карл Везе заявил, что по своему генетическому механизму LUCA была бы «более простой и рудиментарной сущностью, чем отдельные предки, породившие три [домена] (и их потомки)». [1]
Альтернативой поиску «универсальных» признаков является использование анализа генома для выявления филогенетически древних генов. Это дает представление о LUCA, который может жить в суровых геохимически условиях и похож на современных прокариотов. Анализ биохимических путей подразумевает тот же тип химии, что и филогенетический анализ. Вайс и его коллеги пишут, что «Эксперименты... демонстрируют, что... путь ацетил-КоА [химические вещества, используемые в анаэробном дыхании] формиат , метанол , ацетильные фрагменты и даже пируват возникают спонтанно... из CO 2 , самородных металлов и воды. ", комбинация, присутствующая в гидротермальных источниках. [29]
Эксперимент показывает, что Zn 2+ , Cr 3+ и Fe могут стимулировать 6 из 11 реакций древнего анаболического пути, называемого обратным циклом Кребса, в кислых условиях, что означает, что LUCA могла обитать либо в гидротермальных жерлах, либо в кислых, богатых металлами гидротермальных источниках. поля. [30]
Поскольку и бактерии, и археи имеют различия в структуре фосфолипидов и клеточной стенки, ионной перекачке, большинстве белков, участвующих в репликации ДНК и гликолизе, предполагается, что LUCA имела проницаемую мембрану без ионного насоса. Появление Na + /H + -антипортеров, вероятно, привело к эволюции непроницаемых мембран, присутствующих у эукариот, архей и бактерий. Утверждается, что «Поздняя и независимая эволюция гликолиза, но не глюконеогенеза, полностью согласуется с тем, что LUCA приводится в действие естественными градиентами протонов через дырявые мембраны. Некоторые противоречивые черты, вероятно, связаны с поздней эволюцией клеточных мембран, особенно клеточной стенки. , синтез которого зависит от мембраны и репликации ДНК». [31] Хотя LUCA, вероятно, имела ДНК, неизвестно, могла ли она реплицировать ДНК, и предполагается, что «просто это могло быть химически стабильным хранилищем для репликации на основе РНК». [32] Вполне вероятно, что проницаемая мембрана LUCA состояла из архейных липидов ( изопреноидов ) и бактериальных липидов ( жирных кислот ). Изопреноиды могли бы улучшить стабилизацию мембраны LUCA в окружающей экстремальной среде обитания. Ник Лейн и соавторы заявляют, что «преимущества и недостатки включения изопреноидов в клеточные мембраны в различных микроокружениях могли привести к дивергенции мембран, при этом более поздний биосинтез фосфолипидов привел к образованию уникальных головных групп G1P и G3P у архей и бактерий соответственно. Если это так, то свойства, придаваемые мембранными изопреноидами, относят к разделению липидов еще в зарождении жизни ». [33]
УФ-свет с длиной волны 200–280 нм (в то время не защищенный озоновым слоем) мог бы повредить нуклеотиды на поверхности, поскольку он может вызвать мутации или ошибки транскрипции и, в конечном итоге, разрушительные последствия для организмов на клеточном уровне. Однако вполне вероятно, что LUCA существовала в УФ-среде из-за преобладания фотолиазы на древе жизни. Фотолиаза использует УФ-излучение для запуска фотореактивации — механизма, который восстанавливает повреждения от радиации, вызванные УФ-излучением.
Некоторые другие исследователи оспорили выводы Вайса и др., сделанные в 2016 году. Сара Беркемер и Шон МакГлинн утверждают, что Weiss et al. выборка семейств белков была недостаточной, так что филогенетические деревья не были полными и не могли правильно описать эволюцию белков. Попытка объяснить окружающую среду LUCA почти универсальным распределением генов сопряжена с двумя рисками (как в Weiss et al., 2016). С одной стороны, это рискует ошибочно приписать события конвергенции или горизонтального переноса генов вертикальному спуску; с другой стороны, это рискует ошибочно отнести потенциальные семейства генов LUCA к событиям горизонтального переноса генов.
Филогеномный и геохимический анализ набора белков, которые, вероятно, относятся к LUCA, показывают, что он имел K + -зависимые ГТФазы, а ионный состав и концентрация его внутриклеточной жидкости, по-видимому, были высокими соотношением K + /Na + , NH+
4, Fe 2+ , CO 2+ , Ni 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ , пирофосфат и PO3−
4что подразумевает наличие наземной среды обитания с горячими источниками . Возможно, у него был метаболизм, основанный на фосфатах. Кроме того, эти белки не были связаны с автотрофией (способностью организма создавать собственное органическое вещество ), что позволяет предположить, что LUCA вел гетеротрофный образ жизни (потребляя органическое вещество) и что его рост зависел от органического вещества, производимого физической средой. [34] Ник Лейн утверждает, что антипортеры Na + /H + могут легко объяснить низкую концентрацию Na + в LUCA и его потомках.
Присутствие ферментов, управляющих энергией CODH / ацетил-коэнзим А- синтазы, в LUCA может быть совместимо не только с автотрофом , но и с жизнью в качестве миксотрофа или гетеротрофа . [35] Вайс и др. В 2018 году ответили, что ни один фермент не определяет трофический образ жизни и что гетеротрофы произошли от автотрофов. [36]
Теперь несколько доказательств позволяют предположить, что LUCA не была термофильной.
Содержание пар нуклеотидов G+C (по сравнению с наличием пар A+T) может указывать на тепловой оптимум организма, поскольку они более термически стабильны за счет дополнительной водородной связи. В результате они чаще встречаются в рРНК термофилов; однако этого не наблюдается в реконструированной рРНК LUCA. [37] [38] [15]
Идентификация термофильных генов в LUCA подверглась критике, [39] поскольку вместо этого они могут представлять собой гены, которые позже развились у архей или бактерий, а затем мигрировали между ними посредством горизонтального переноса генов , как в гипотезе Везе 1998 года. [40] LUCA мог быть мезофилом, который фиксировал CO 2 и полагался на H 2 , и жил недалеко от гидротермальных источников. [41]
Еще одним доказательством того, что LUCA был мезофильным , является аминокислотный состав его белков. Обилие аминокислот I, V, Y, W, R, E и L (обозначаемых IVYWREL) в белках организма коррелирует с оптимальной температурой его роста. [42] Согласно филогенетическому анализу, содержание белков LUCA в IVYWREL позволяет предположить, что идеальная температура для него была ниже 50°C. [15]
Наконец, данные о том, что бактерии и археи независимо претерпели фазы повышенной, а затем и пониженной термотолерантности, предполагают резкий климатический сдвиг после LUCA, который повлиял на обе популяции и может объяснить кажущееся генетическое распространение термотолерантной генетики. [43]
Исследования, проведенные с 2000 по 2018 год, показали, что время существования LUCA становится все более древним. В 2000 году оценки возраста LUCA варьировались от 3,5 до 3,8 миллиардов лет назад в палеоархее , [44] за несколько сотен миллионов лет до самых ранних ископаемых свидетельств жизни , возраст кандидатов для которых варьируется от 3,48 до 4,28 миллиардов лет назад. [45] [46] [47] [48] [49] Это указывает на то, что первые формы жизни возникли вскоре после поздней тяжелой бомбардировки , которая, как считалось, неоднократно стерилизовала поверхность Земли. Тем не менее, в исследовании 2018 года Холли Беттс и ее коллеги применили модель молекулярных часов к геномной и палеонтологической летописи (102 вида, 29 общих генов, кодирующих белки, в основном рибосомальные), и пришли к выводу, что LUCA предшествовала поздней тяжелой бомбардировке. Они предположили, что после события формирования Луны , которое они датировали 4,520 миллиарда лет назад, не было никакого события стерилизации, и пришли к выводу, что наиболее вероятная дата LUCA находится в пределах 50 миллионов лет от этого события. [50]
В 1990 году была представлена новая концепция древа жизни , разделившая живой мир на три ствола, классифицированных как домены Бактерии , Археи и Эукарии . [1] [52] [53] [2] Это первое дерево, основанное исключительно на молекулярной филогенетике и включающее эволюцию микроорганизмов. Его назвали «универсальным филогенетическим деревом в укорененной форме». [1] Это дерево и его корни стали предметом споров. [52] [б]
Тем временем были предложены многочисленные модификации этого дерева, в основном касающиеся роли и важности горизонтального переноса генов для его укоренения и ранних разветвлений (например, [55] [51] ). Поскольку наследственность происходит как вертикально, так и горизонтально, древо жизни могло быть более паутинным или сетчатым на ранней стадии и более древовидным, когда оно росло трехствольным. [51] Предположительно горизонтальный перенос генов уменьшается с ростом стабильности клеток. [3]
Модифицированная версия дерева, основанная на нескольких молекулярных исследованиях, имеет корень между монофилетическим доменом Bacteria и кладой, образованной архей и эукариотами . [55] Небольшое меньшинство исследований помещает корень в домен бактерий, в тип Bacillota , [56] или утверждает, что тип Chloroflexota (ранее Chloroflexi) является базальным по отношению к кладе с архей и эукариотами и остальными бактериями (как предложен Томасом Кавалье-Смитом ). [57] Метагеномный анализ выявил двухдоменную систему с доменами Archaea и Bacteria; с этой точки зрения на древо жизни эукариоты произошли от архей. [58] [59] [60] С более поздним генофондом потомков LUCA, разделяющим общую структуру правила AT/GC и стандартные двадцать аминокислот, горизонтальный перенос генов стал бы возможным и мог бы быть обычным явлением. [61]
Природа LUCA остается спорной. В 1994 году на основе первичного метаболизма (sensu Wächtershäuser ) Отто Кандлер предложил последовательное расхождение трёх доменов жизни [1] из мультифенотипической популяции предклеток , достигаемое путём постепенных эволюционных улучшений ( клеткообразование ). [62] [63] [64] Эти фенотипически разнообразные предклетки представляли собой метаболизирующиеся, самовоспроизводящиеся сущности, демонстрирующие частый взаимный обмен генетической информацией. Таким образом, в этом сценарии не было «первой ячейки». Это может объяснить единство и в то же время разделение на три линии (три области) жизни. Предклеточную теорию Кандлера поддерживает Вехтерсхойзер. [65] [66] В 1998 году Карл Везе , основываясь на концепции мира РНК, предположил, что ни один отдельный организм не может считаться LUCA, и что генетическое наследие всех современных организмов получено в результате горизонтального переноса генов между древним сообществом организмов. . [67] Другие авторы сходятся во мнении, что во времена LUCA существовал «сложный коллективный геном» [68] и что горизонтальный перенос генов был важен в эволюции более поздних групп; [68] Николас Глансдорф утверждает, что LUCA «находилась в метаболически и морфологически гетерогенном сообществе, постоянно перемещающемся вокруг генетического материала» и «оставалась эволюционной сущностью, хотя и слабо определенной и постоянно меняющейся, пока продолжалась эта распущенность». [69]
Широко распространена теория универсального общего происхождения жизни. В 2010 году, основываясь на «огромном массиве молекулярных последовательностей, доступных сейчас во всех сферах жизни» [70] Д. Л. Теобальд опубликовал « формальный тест » универсального общего происхождения (UCA). Речь идет об общем происхождении всех существующих наземных организмов, каждый из которых является генеалогическим потомком одного вида из далекого прошлого. Его формальный тест предпочитал существование универсального общего происхождения широкому классу альтернативных гипотез, включая горизонтальный перенос генов. Основные биохимические принципы предполагают, что все организмы имеют общее происхождение. [71]
Предполагаемый ранее неклеточный предок LUCA - это Первый универсальный общий предок (FUCA). [72] [73] Таким образом, FUCA может быть предком каждой современной клетки, а также древних, ныне вымерших клеточных линий, не являющихся потомками LUCA. Предполагается, что у FUCA были и другие потомки, кроме LUCA, ни у кого из которых нет современных потомков. Считается, что некоторые гены этих древних, ныне вымерших клеточных линий были горизонтально перенесены в геном ранних потомков LUCA. [61]
Происхождение вирусов остается спорным. Поскольку для репликации вирусам необходимы клетки-хозяева, вполне вероятно, что они возникли после образования клеток . Вирусы могут даже иметь множественное происхождение, и разные типы вирусов могли развиваться независимо на протяжении истории жизни. [2] Существуют разные гипотезы происхождения вирусов, например, раннее вирусное происхождение из мира РНК или более позднее вирусное происхождение из эгоистичной ДНК . [2]
Судя по тому, как вирусы в настоящее время распределяются среди бактерий и архей , можно предположить, что LUCA стала жертвой нескольких вирусов, предков тех, которые теперь имеют эти два домена в качестве своих хозяев. [74] Более того, обширная эволюция вирусов, по-видимому, предшествовала LUCA, поскольку желеобразная структура белков капсида является общей для РНК- и ДНК-вирусов во всех трех сферах жизни. [75] [76] Вирусы LUCA, вероятно, представляли собой в основном вирусы с дцДНК из групп, называемых дуплоднавирией и вариднавирией . Две другие группы вирусов с одноцепочечной ДНК внутри Monodnaviria , Microviridae и Tubulavirales , вероятно, заразили последнего общего предка бактерий. Последний общий предок архей, вероятно, был носителем веретенообразных вирусов. Все это вполне могло повлиять на LUCA, и в этом случае каждый из них должен был быть потерян в хост-домене, где он больше не существует. Напротив, РНК-вирусы, по-видимому, не были важными паразитами LUCA, хотя при простом мышлении можно было бы предположить, что вирусы начинаются с РНК-вирусов, непосредственно происходящих из мира РНК. Вместо этого ко времени существования LUCA РНК-вирусы, вероятно, уже вытеснили ДНК-вирусы. [74]
LUCA могла быть предком некоторых вирусов, поскольку у нее могло быть как минимум два потомка: LUCELLA, последний универсальный клеточный предок, предок всех клеток, и архаичный предок вироклеток, предок крупных и средних клеток. ДНК-вирусы . [77] Вирусы могли появиться до LUCA, но после Первого универсального общего предка (FUCA), согласно гипотезе редукции, согласно которой гигантские вирусы развились из первичных клеток, которые стали паразитическими . [61]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )