Ako vznikol život na Zemi? Jedna z najväčších otázok môže mať dve nezávislé riešenia
Nová štúdia skúma pôvod života na Zemi. Naznačuje, že prvé bunky baktérií a archeí mohli vzniknúť nezávisle v hydrotermálnych prieduchoch.
Vedci sa už desaťročia snažia odpovedať na jednu z najťažších otázok prírodných vied, ako sa z neživej hmoty stali prvé bunky? Nová štúdia medzinárodného tímu vedeného vedcami z Heinrichovej univerzity v Düsseldorfe prináša výsledok, ktorý túto otázku ešte viac zamotáva. Výskumníci našli dôkazy, že baktérie a archeóny mohli prejsť k samostatnému životu nezávisle od seba.
Výsledky publikovali v časopise Science Advances. Tím sa pritom nezameral iba na jednu chemickú reakciu alebo konkrétnu molekulu. Vedci analyzovali celý súbor reakcií, ktoré bunky potrebujú na výrobu základných stavebných prvkov života. Ide o metabolizmus, teda chemickú sieť, ktorá zabezpečuje produkciu aminokyselín, základov RNA či vitamínov.
Táto sieť obsahuje približne 420 reakcií. Na ich uskutočnenie dnes bunky využívajú množstvo enzýmov. Pri pohľade na veľmi skorú Zem však vedci narazili na zaujímavý problém. Prvé bunky nemohli mať všetky enzýmy, ktoré poznáme zo súčasných organizmov. Odkiaľ teda získali energiu a ako dokázali poháňať svoje chemické reakcie?
Dve samostatné evolučné cesty pre dve hlavné kategórie života
Tím skúmal genómy, štruktúry bielkovín aj samotnú chémiu reakcií. Výsledky naznačili, že úplne prvé metabolické procesy nemuseli závisieť od enzýmov tak, ako dnešný život. Významnú úlohu mohli zohrávať kovy nachádzajúce sa v prostredí hydrotermálnych prieduchov na dne oceánov.
„Naše porovnania prinášajú bezprecedentný pohľad na obdobie evolúcie, keď enzýmami katalyzovaný metabolizmus prechádzal zo spontánnych reakcií katalyzovaných kovmi v zemskej kôre,“ vysvetlil biológ William Martin z Düsseldorfu, senior autor štúdie.
Hydrotermálne prieduchy sú pre podobný scenár zaujímavé práve preto, že ponúkajú množstvo chemických látok, minerálov, kovov a energetických rozdielov. Vedci už dlhšie skúmajú možnosť, že takéto prostredie poskytlo vhodné podmienky pre prvé chemické kroky smerujúce k životu.
Neprehliadni
Nová štúdia však prináša ďalší detail. Výskumníci rozdelili raný vývoj metabolizmu do štyroch fáz. Najprv reakcie zabezpečovali iba kovy z prostredia. Neskôr sa k nim pridali enzýmy a vznikol akýsi hybridný systém. Ten sa následne rozdelil na dve evolučné vetvy, ktoré viedli k predkom dnešných baktérií a archeí.
Práve tu sa objavil jeden z najzaujímavejších výsledkov. Predkovia baktérií a archeí si pri niektorých rovnakých chemických reakciách vytvorili štruktúrne odlišné enzýmy. Inými slovami, obe línie si mohli nezávisle vyvinúť vlastné riešenie rovnakého problému.
„Vidíme prípady, keď predkovia baktérií a archeí nezávisle vytvorili štruktúrne odlišné enzýmy pre rovnakú základnú metabolickú reakciu,“ uviedla Natalia Mrnjavac, hlavná autorka štúdie.
Tento výsledok súvisí s ďalším problémom, odkiaľ prvé bunky získali energiu. Dnešný metabolizmus často využíva ATP, teda molekulu, ktorá funguje ako univerzálna energetická mena bunky. ATP však nevysvetľuje úplný začiatok príbehu. Ide o pomerne zložitú molekulu, ktorej tvorba sama vyžaduje enzýmy.
Vedci preto hľadali jednoduchší mechanizmus. Zamerali sa na fosfit, formu fosforu, ktorá sa môže nachádzať v hydrotermálnom prostredí, a na paládium. Tento kov dokáže účinne katalyzovať chemické reakcie. Experimenty ukázali, že kombinácia fosfitu, paládia a organických zlúčenín dokáže vo vode spustiť reakcie spojené s metabolickou fosforyláciou.
„Fosfit a paládium nahrádzajú ATP a enzýmy. Je to pozoruhodné a vďaka tomu sa raná evolúcia metabolizmu dá oveľa ľahšie pochopiť,“ povedala Manon Schlikker z düsseldorfskeho tímu.
Výskumníci zároveň vytvorili nový spôsob, ako zoradiť 420 metabolických reakcií od najjednoduchších po zložitejšie. Pomohli im pri tom matematické metódy na analýzu sietí. Ak sa dá reakcie usporiadať do jedinečného poradia, môže to naznačiť, v akom slede sa jednotlivé časti metabolizmu pridávali.
Štúdia naznačuje, že LUCA nemusel byť prvým spoločným predkom všetkého
Výsledky tak ponúkajú zaujímavý obraz úplných začiatkov života. Najskôr mohla chemickú prácu vykonávať samotná geológia Zeme, predovšetkým kovy a minerály v hydrotermálnych prieduchoch. Neskôr sa k nim pridali prvé enzýmy. A keď sa línie vedúce k baktériám a archeám oddelili, obe si vytvorili vlastné enzymatické riešenia.
Autori štúdie preto prichádzajú s odvážnou interpretáciou. Podľa Williama Martina existuje jeden spoločný pôvod genetického kódu, ale prechod k samostatne žijúcim bunkám mohol mať dve nezávislé vetvy.
To znamená, že posledný univerzálny spoločný predok všetkých dnešných buniek, známy ako LUCA, nemusel predstavovať úplne prvú bunku. Časť jeho metabolizmu už využívala enzýmy, no pri približne polovici skúmaných reakcií mohli stále zohrávať hlavnú úlohu kovy z okolitého prostredia.
Štúdia tak neposkytuje jednoduchú odpoveď na otázku, kde presne sa život začal. Skôr pridáva ďalší dielik do skladačky a naznačuje, že hranica medzi geológiou a biológiou bola na úplnom začiatku oveľa menej výrazná, než sa dnes môže zdať. Prvé kroky smerom k bunkovému životu totiž podľa týchto výsledkov nemuseli patriť výhradne biologickým molekulám. Významnú časť práce mohli ešte pred nimi vykonať minerály a kovy ukryté v chemicky aktívnom prostredí mladej Zeme.
