Ученые предложили новую стратегию для понимания происхождения жизни
Какими были первые формы жизни? В новой перспективной статье ученые описывают стратегию ответа на этот вопрос, изучая самую раннюю эволюцию цепей переноса электронов, универсальную метаболическую стратегию с очень древней историей.
Несмотря на десятилетия прогресса, происхождение жизни остается одной из величайших нерешенных проблем науки. «Самые основные черты биологии, то, что организмы состоят из клеток, что они передают генетическую информацию через ДНК, что они используют белковые ферменты для запуска своего метаболизма, — все это появилось в результате специфических процессов в очень ранней истории эволюции», — говорят ученые.
«Понимание того, как эти самые основные биологические системы впервые сформировались, даст нам не только лучшее понимание того, как жизнь работает на самом фундаментальном уровне, но и то, что такое жизнь на самом деле, и как мы можем искать ее за пределами Земли».
Вопрос о том, как впервые возникла жизнь, обычно изучается с помощью лабораторных экспериментов, которые моделируют среду ранней Земли и ищут химические вещества, которые могут создавать такие же виды биомолекул и метаболических реакций, которые мы наблюдаем в современных организмах.
Это известно как подход «снизу вверх», поскольку он работает с материалами, которые должны были присутствовать на добиотической Земле. Хотя эти эксперименты с так называемой «пребиотической химией» успешно продемонстрировали, как «могла» возникнуть жизнь, они не могут сказать, как жизнь «действительно» возникла.
Между тем, другие исследования используют методы эволюционной биологии для реконструкции того, как могли выглядеть ранние формы жизни, на основе данных о современной жизни. Это известно как подход «сверху вниз», и он может рассказать нам об истории жизни на Земле.
Однако исследования «сверху вниз» могут заглянуть только в прошлое, когда существовали гены, которые до сих пор сохранились в организмах, и, следовательно, не на всем пути к происхождению жизни. Несмотря на свои ограничения, исследования «сверху вниз» и «снизу вверх» направлены на достижение общей цели — открытие происхождения жизни, и в идеале их ответы должны сойтись на общем наборе условий.
Новая статья пытается преодолеть этот методологический пробел. Авторы утверждают, что объединение восходящих лабораторных исследований вероятных путей происхождения жизни с нисходящими эволюционными реконструкциями ранних форм жизни может быть использовано для выяснения того, как действительно жизнь возникла на ранней Земле.
В своей статье «Электронно-транспортные цепи как окно в самые ранние этапы эволюции» авторы описывают одно центральное явление современной жизни, которое можно изучать, объединяя исследования «снизу вверх» и «сверху вниз»: цепи переноса электронов.
Цепи переноса электронов — это тип метаболической системы, которая используется организмами по всему древу жизни, от бактерий до человека, для производства пригодных для использования форм химической энергии.
Многие различные типы электронтранспортных цепей специализированы для каждой формы жизни и энергетического метаболизма, который они используют: например, наши митохондрии содержат электронтранспортную цепь, связанную с нашим гетеротрофным (пищевым) энергетическим метаболизмом; тогда как растения имеют совершенно другую цепь переноса электронов, связанную с фотосинтезом (выработка энергии из солнечного света).
Во всем микробном мире организмы используют широкий спектр цепей переноса электронов, связанных с множеством различных энергетических метаболизмов. Но, несмотря на эти различия, авторы приводят данные нисходящих исследований о том, что такая метаболическая стратегия использовалась самыми ранними формами жизни, и они представляют несколько моделей наследственных электронтранспортных цепей, которые могли восходить к очень ранней истории эволюции.
Они также изучают текущие восходящие данные, предполагающие, что даже до появления жизни, какой мы ее знаем, химия, подобная цепи переноса электронов, могла быть облегчена минералами и океанской водой ранней Земли.
Вдохновленные этими наблюдениями, авторы намечают будущие исследовательские стратегии, которые объединяют нисходящие и восходящие исследования самой ранней истории цепей переноса электронов, чтобы лучше понять древний энергетический метаболизм и происхождение жизни в более широком смысле.
Это исследование является кульминацией пятилетней предыдущей работы этой многопрофильной междисциплинарной группы по изучению того, как метаболические реакции могли возникнуть в геологических условиях на ранней Земле.
«Появление метаболизма — это междисциплинарный вопрос, поэтому нам нужна междисциплинарная команда для его изучения», — говорит Лори Бардж, автор работы. «В нашей работе использовались методы химии, геологии, биологии и компьютерного моделирования, чтобы объединить эти подходы «сверху вниз» и «снизу вверх», и такое сотрудничество будет важно для будущих исследований метаболических путей пребиотиков».
Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.