Cyfrowa reprezentacja ilustrująca, jak LUCA była atakowana przez wirusy już 4,2 miliarda lat temu. Źródło: Projekt graficzny naukowy
A Uniwersytet w Bristolubadania wykazały, że życie na Ziemi, wywodzące się od wspólnego przodka zwanego LUCA, rozkwitło wkrótce po powstaniu planety.
Dzięki analizie genetycznej i modelowaniu ewolucyjnemu naukowcy ustalili, że LUCA istniała około 4,2 miliarda lat temu, ujawniając, że jest to złożony organizm z wczesnym układem odpornościowym stanowiącym integralną część najwcześniejszych ekosystemów Ziemi.
Plan genetyczny LUCA i jego potomkowie
Wszystko, co żyje dzisiaj, wywodzi się od jednego wspólnego przodka, zwanego pieszczotliwie LUCA (ostatni uniwersalny wspólny przodek).
LUCA jest hipotetycznym wspólnym przodkiem, od którego wywodzi się całe współczesne życie komórkowe, od organizmów jednokomórkowych, takich jak bakterie, po gigantyczne sekwoje (a także nas, ludzi). LUCA reprezentuje korzeń drzewa życia, zanim podzieliło się ono na znane dziś grupy: Bakterie, Archaea i Eukarya. Współczesne życie wyewoluowało z LUCA z różnych źródeł: tego samego aminokwasy wykorzystywane do budowy białek we wszystkich organizmach komórkowych, wspólna waluta energetyczna (ATP), obecność maszynerii komórkowej, takiej jak rybosom i innych związanych z wytwarzaniem białek na podstawie informacji przechowywanych w DNAa nawet fakt, że całe życie komórkowe wykorzystuje samo DNA jako sposób przechowywania informacji.
Metody badawcze i wiek LUCA
Zespół porównał wszystkie geny w genomach istot żywych gatuneklicząc mutacje, które wystąpiły w ich sekwencjach na przestrzeni czasu, odkąd mieli wspólnego przodka w LUCA.
Czas oddzielenia się niektórych gatunków jest znany z zapisu kopalnego, dlatego zespół wykorzystał genetyczny odpowiednik znanego równania używanego w fizyce do obliczania prędkości, aby ustalić, kiedy istniał LUCA, i doszedł do odpowiedzi: 4,2 miliarda lat temu, około czterech lat temu. sto milionów lat po powstaniu Ziemi i naszego Układu Słonecznego.
Współautorka dr Sandra Álvarez-Carretero ze Szkoły Nauk o Ziemi w Bristolu powiedziała: „Nie spodziewaliśmy się, że LUCA będzie tak stara w ciągu zaledwie setek milionów lat od powstania Ziemi. Jednak nasze wyniki pasują do współczesnych poglądów na temat możliwości zamieszkania na wczesnej Ziemi.”
Spostrzeżenia fizjologiczne i modelowanie ewolucyjne LUCA
Następnie zespół opracował biologię LUCA, modelując cechy fizjologiczne żywych gatunków, sięgając wstecz do genealogii życia LUCA. Główny autor, dr Edmund Moody, wyjaśnił: „Ewolucyjną historię genów komplikuje ich wymiana między liniami. Musimy zastosować złożone modele ewolucyjne, aby pogodzić ewolucyjną historię genów z genealogią gatunków”.
Współautor, dr Tom Williams z Wydziału Nauk Biologicznych w Bristolu, powiedział: „Jedną z prawdziwych zalet jest zastosowanie podejścia polegającego na uzgadnianiu drzewa genowego, gatunku i drzewa do tak zróżnicowanego zbioru danych reprezentującego główne domeny życia Archaea i Bakterie. To pozwala nam z pewną pewnością stwierdzić i ocenić poziom pewności na temat tego, jak żył LUCA”.
Złożoność LUCA i wpływ na środowisko
Współautor, profesor Davide Pisani, powiedział: „Nasze badanie wykazało, że LUCA był organizmem złożonym, niezbyt różniącym się od współczesnych prokariotów, ale naprawdę interesujące jest to, że jasne jest, że posiadał wczesny układ odpornościowy, co wykazało, że już 4,2 miliarda lat temu nasz przodek brał udział w wyścigu zbrojeń z wirusami”.
Współautor Tim Lenton (Wydział Geografii Uniwersytetu w Exeter) powiedział: „Jest oczywiste, że LUCA wykorzystywała i zmieniała swoje środowisko, ale jest mało prawdopodobne, aby żyła samotnie. Jego odpady stałyby się pożywieniem dla innych drobnoustrojów, takich jak metanogeny, co pomogłoby stworzyć ekosystem recyklingu”.
Szersze implikacje badań nad wczesnym życiem
„Odkrycia i metody zastosowane w tej pracy będą również podstawą przyszłych badań, które bardziej szczegółowo przyjrzą się późniejszej ewolucji prokariotów w świetle historii Ziemi, w tym mniej zbadanych Archeonów wraz z ich metanogennymi przedstawicielami” – dodała współautorka, profesor Anja Spang ( Królewskiego Holenderskiego Instytutu Badań Morza).
Współautor, profesor Philip Donoghue, powiedział: „Nasza praca łączy dane i metody z wielu dyscyplin, ujawniając wgląd w wczesną Ziemię i życie, którego nie można było osiągnąć wyłącznie w ramach żadnej jednej dyscypliny. Pokazuje także, jak szybko na wczesnej Ziemi powstał ekosystem. Sugeruje to, że życie może kwitnąć w biosferach podobnych do Ziemi w innych częściach wszechświata.”
Odniesienia: „Natura ostatniego uniwersalnego wspólnego przodka i jego wpływ na wczesny system ziemski” Edmunda RR Moody’ego, Sandry Álvarez-Carretero, Tary A. Mahendrarajah, Jamesa W. Clarka, Holly C. Betts, Niny Dombrowski, Lénárd L. Szánthó, Richard A. Boyle, Stuart Daines, Xi Chen, Nick Lane, Ziheng Yang, Graham A. Shields, Gergely J. Szöllősi, Anja Spang, Davide Pisani, Tom A. Williams, Timothy M. Lenton i Philip CJ Donoghue, 12 lipca 2024 r., Ekologia i ewolucja przyrody.
DOI: 10.1038/s41559-024-02461-1
W badaniu uczestniczyli także naukowcy z University College London (UCL), Uniwersytetu w Utrechcie, Centrum Badań Ekologicznych w Budapeszcie oraz Uniwersytetu Absolwentów Okinawa Institute of Science and Technology.
Badania sfinansowała Fundacja Johna Templetona. Opinie wyrażone w tej publikacji są opiniami autorów i niekoniecznie odzwierciedlają poglądy Fundacji Johna Templetona.
