Якими були перші форми життя? У новій перспективній статті вчені описують стратегію відповіді на це питання, вивчаючи найдавнішу еволюцію ланцюгів транспортування електронів, універсальну метаболічну стратегію з дуже давньою історією. Стаття опублікована в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.
Незважаючи на десятиліття прогресу, походження життя залишається однією з найбільших невирішених проблем науки. «Найосновніші особливості біології, а саме те, що організми складаються з клітин, що вони передають генетичну інформацію через ДНК, що вони використовують білкові ферменти для метаболізму, — все це з’явилося в результаті специфічних процесів у дуже ранній еволюційній історії», — каже Аарон Голдман, юрист Професор біології Оберлінського коледжу.
«Розуміння того, як ці основні біологічні системи вперше сформувалися, дасть нам не тільки краще розуміння того, як життя функціонує на найфундаментальнішому рівні, але й те, що таке життя насправді і як ми можемо шукати його за межами Землі».
Питання про те, як уперше виникло життя, зазвичай вивчається за допомогою лабораторних експериментів, які моделюють середовище ранньої Землі та шукають хімічні речовини, які можуть створювати такі самі види біомолекул і метаболічних реакцій, які ми бачимо в організмах сьогодні. Це відомо як підхід «знизу вгору», оскільки він працює з матеріалами, які були присутні на пребіотичній Землі. Хоча ці так звані експерименти з «пребіотичної хімії» успішно продемонстрували, як «можливо» виникло життя, вони не можуть сказати нам, як насправді «виникло» життя.
Тим часом інші дослідження використовують методи еволюційної біології, щоб реконструювати, як могли виглядати ранні форми життя на основі даних про сучасне життя. Це відоме як підхід «зверху вниз» і може розповісти нам про історію життя на Землі.
Однак дослідження «згори вниз» можуть дивитися лише на те, що існували гени, які все ще зберігаються в організмах сьогодні, а отже, не аж до зародження життя. Незважаючи на свої обмеження, дослідження «зверху вниз» і «знизу вгору» спрямовані на спільну мету виявлення витоків життя, і в ідеалі їхні відповіді мають сходитися на спільному наборі умов.
У новій статті, опублікованій Голдманом, Лорі Бардж (дослідником з астробіології в Лабораторії реактивного руху NASA (JPL) та їх колегами, вчені намагаються подолати цю методологічну прогалину. Автори стверджують, що поєднання низхідних лабораторних досліджень правдоподібних шляхів походження життя з низхідними еволюційними реконструкціями ранніх форм життя може бути використано для виявлення того, як життя справді виникло на ранній Землі.
У своїй статті «Ланцюги транспортування електронів як вікно в найдавніші етапи еволюції» автори описують одне центральне явище сучасного життя, яке можна вивчати шляхом поєднання досліджень як «знизу вгору», так і «зверху вниз»: ланцюги транспорту електронів.
Ланцюги транспортування електронів — це тип метаболічної системи, яка використовується організмами в усьому дереві життя, від бактерій до людей, для виробництва придатних для використання форм хімічної енергії. Багато різних типів ланцюгів транспортування електронів спеціалізуються на кожній формі життя та енергетичному обміні, який вони використовують: наприклад, наші мітохондрії містять ланцюг транспортування електронів, пов’язаний з нашим гетеротрофним метаболізмом енергії (що споживає їжу); у той час, як рослини мають зовсім інший ланцюг транспортування електронів, пов’язаний із фотосинтезом (виробництвом енергії від сонячного світла).
У всьому мікробному світі організми використовують широкий спектр транспортних ланцюгів електронів, пов’язаних із різноманітними енергетичними метаболізмами. Але, незважаючи на ці відмінності, автори описують докази низхідних досліджень того, що цей вид метаболічної стратегії використовувався самими ранніми формами життя, і вони представляють кілька моделей ланцюгів транспортування електронів предків, які можуть датуватися дуже ранньою еволюційною історією. Вони також вивчають поточні докази, які свідчать про те, що ще до появи життя, як ми його знаємо, хімії, схожій на ланцюг транспортування електронів, могли сприяти мінерали та океанічна вода ранньої Землі.
Натхненні цими спостереженнями, автори окреслюють майбутні дослідницькі стратегії, які синтезують низхідні та низхідні дослідження найдавнішої історії ланцюгів транспорту електронів, щоб отримати краще розуміння стародавнього енергетичного метаболізму та походження життя в цілому. Це дослідження є кульмінацією п’ятирічної попередньої роботи міждисциплінарної команди багатьох інститутів під керівництвом Барджа з JPL, щоб вивчити, як метаболічні реакції могли виникнути в геологічних умовах на ранній Землі.
Попередня робота команди досліджувала, наприклад, специфічні ланцюгові реакції транспорту електронів, які викликані мінералами (на чолі з Джесікою Вебер, науковим співробітником JPL); як стародавні ферменти могли включити пребіотичну хімію у свої активні центри (під керівництвом Голдмана); та мікробний метаболізм у надзвичайно обмеженому середовищі з енергоспоживанням (під керівництвом Дуга Лароу з Університету Південної Каліфорнії).
«Виникнення метаболізму є міждисциплінарним питанням, тому нам потрібна міждисциплінарна команда для вивчення», — каже Бардж. «У нашій роботі використовувалися методи з хімії, геології, біології та комп’ютерного моделювання, щоб поєднати ці підходи зверху вниз і знизу вгору, і така співпраця буде важливою для майбутніх досліджень пребіотичних метаболічних шляхів».
