LUCA оказался древнее, чем было принято считать

Авторы статьи, опубликованной в Nature Biology & Evolution, подсчитали, что последний универсальный общий предок (LUCA) жил примерно 4,2 миллиарда лет назад, что делает его значительно старше, чем по предыдущим оценкам. LUCA обладал геномом размером по меньшей мере 2,5 миллионов пар оснований и кодирующим около 2600 белков — примерно как у большинства современных прокариот.

Оценка возраста последнего универсального общего предка (LUCA) всегда была сложной задачей. Положение LUCA на филогенетическом древе прокариот и сложности с классификацией ископаемых следов прокариот затрудняют определение времени его существования. Альтернативным методом выступают молекулярные часы, основанные на универсальных однокопийных генах-маркерах клад, для которых LUCA служит корнем. Однако калибровка филогенетического дерева, построенного по таким молекулярным часам, затруднена, в частности, из-за того, что скорость эволюции на ранних этапах жизни неизвестна. Авторы исследования, недавно вышедшего в Nature Ecology & Evolution, использовали другой подход: они анализировали гены, которые претерпели дупликацию еще до появления LUCA и сохранились в его геноме по крайней мере в двух копиях. Если построить филогенетическое дерево по таким генам, в его корне будет отображена дупликация, которая произошла до LUCA, а сам последний универсальный общий предок будет присутствовать на одном из более поздних узлов. Благодаря использованию таких универсальных паралогов удается решить проблемы, которые возникали при построении филогенетических деревьев с помощью других подходов. В частности, в некоторой степени это решает вопрос достоверности калибровки ветвей филогенетических деревьев, поскольку благодаря наличию нескольких копий паралогов длину ветвей можно оценить независимо и сравнить. Кроме того, появляется возможность перевести генетическое расстояние, то есть длину ветвей, в реальное время и скорость эволюции. Используя свои усовершенствованные молекулярные часы, геохимические и палеонтологические данные, авторы исследования оценили возраст LUCA примерно в 4,2 млрд лет (4,09–4,33 млрд лет). По предыдущим оценкам возраст LUCA был не более 3,7–3,9 млрд лет, так как он бы не пережил позднюю тяжелую бомбардировку Земли (лунный катаклизм). Однако другие исследователи оспаривают влияние поздней тяжелой бомбардировки на зарождающуюся жизнь, и новое исследование показало, что LUCA мог жить гораздо раньше, чем было принято считать, и жизнь возникла на Земле очень быстро, спустя всего 400 млн лет с момента ее образования.

Ученые смогли также частично восстановить геном LUCA. Он состоял по меньшей мере из 2,5 миллионов пар оснований и кодировал 2657 белков — почти как у большинства современных прокариот. Для реконструкции генома использовались последовательности 57 генов-филогенетических маркеров, взятые из 700 геномов, из которых 350 принадлежали бактериям и еще 350 — археям. Судя по наличию определенных генов, LUCA был анаэробом и обладал путем Вуда — Льюнгдаля, благодаря которому был способен к ацетогенному росту и/или фиксации углерода. В геноме LUCA также закодированы субъединицы гидрогеназы, поэтому, возможно, он мог расти на водороде. Хотя LUCA обладает лишь некоторыми ферментами цикла Кребса, возможно, он был способен к глюконеогенезу и гликолизу. Он точно мог расти как органогетеротроф и, возможно, также и автотрофно. Признаков способности к метаногенезу и фотосинтезу в геноме LUCA не выявили, однако этот организм, по-видимому, обладал АТФ-синтазой и даже разными эффекторными белками Cas, но не другими компонентами системы CRISPR-Cas. Авторы заключают, что этот факт подтверждает возможность происхождения семейства CRISPR-Cas от сигнального пути, в котором задействованы РНК. Таким образом, LUCA уже обладал сложным метаболизмом. На основании метаболических особенностей LUCA авторы исследования предположили, что он жил в среде с избытком азота, но ограниченным количеством водорода.

Проведенная реконструкция генома привела авторов к предположению, что LUCA представлял собой прокариотическую клетку, которая существовала как компонент экосистемы, способный к ацетогенному росту и фиксации углерода. Вопрос о том, как происходила эволюция от зарождения жизни до формирования ранних биологических сообществ, остается открытым, однако ученые подчеркивают, что предполагаемый возраст последнего универсального общего предка говорит о том, что этот процесс занял весьма короткий промежуток геологического времени. 

Реконструирован виром последнего общего предка эукариот