Studie: Livet på jorden kan ha uppstått två gånger

De första fritt levande cellerna på jorden kan inte ha uppstått i en enda händelse. Istället verkar bakterier och arkéer, livets två ursprungliga linjer, oberoende av varandra ha korsat tröskeln från icke-levande kemi till levande organismer, enligt en studie som publicerades på tisdagen i Science Advances.eurekalert+1

Ett internationellt team lett av biologer vid Heinrich Heine University Düsseldorf har spårat metabolismens djupa historia, det nätverk av cirka 420 kemiska reaktioner som celler använder för att bygga aminosyror, RNA-baser och vitaminer från enkla föreningar. Deras analys pekar på en gemensam kemisk början vid hydrotermiska källor, följt av två separata vägar mot cellulärt oberoende.

En gemensam förfader med ofullständig kemi

Forskarna rekonstruerade de metaboliska förmågorna hos LUCA, den sista universella gemensamma förfadern till alla celler. De fann att LUCA endast besatt enzymer för ungefär hälften av de reaktioner som krävs för metabolism. De återstående reaktionerna katalyserades sannolikt av metaller, såsom järn, nickel, kobolt och palladium, som naturligt förekommer i hydrotermiska källsystem.thebrighterside+1

Teamet identifierade fyra stadier i katalysens uppkomst: en inledande fas som helt förlitade sig på metaller, ett metall-enzym-hybridstadium i LUCA, och sedan två divergerande vägar när bakterier och arkéer utvecklade sina egna enzymer för att ersätta miljöns katalysatorer. I fem fall utvecklade de två linjerna strukturellt obesläktade proteiner för att utföra samma essentiella reaktion, vilket är bevis på parallell, oberoende uppfinning.sciencealert+2

"De nya uppgifterna lämnar bara en slutsats", säger senior författare William Martin. "Bakterie- och arkélinjerna gjorde övergången till det fritt levande tillståndet oberoende av varandra. Endast fritt levande celler är vid liv. Låt oss kalla det vid dess rätta namn: vi ser en genetisk kod, men två ursprung för livet."eurekalert+1

En energikälla före ATP

Studien tar också upp hur tidig metabolism drevs innan ATP existerade. Teamet visade att fosfit, en reducerad form av fosfor som finns i serpentiniserande hydrotermiska miljöer, kombinerat med palladium kunde driva fosforyleringsreaktioner i vatten över en natt, vilket ersatte rollen av ATP och enzymer vid överföring av kemisk energi.bioengineer+2

"Fosfit och palladium ersätter ATP och enzymer; det är fantastiskt och gör tidig evolution mycket lättare att förstå", säger Manon Schlikker från Düsseldorf-teamet.sciencealert

Att skriva om livets träd

Resultaten omformulerar livets ursprung som två händelser snarare än en. Även om alla cellulära organismer delar en enda genetisk kod som ärvts från LUCA, kan förmågan att leva oberoende av en mineralrik miljö vid en källa ha uppnåtts separat av bakterier och arkéer. Osäkerheter kvarstår, arkéernas enzymer är mindre grundligt karakteriserade och många föreslagna metalldrivna reaktioner saknar fortfarande direkt experimentell bekräftelse. Men studien erbjuder forskare ett definierat reaktionsnätverk, en möjlig energikälla och en specifik geologisk miljö att testa vidare.smithsonianmag+2