Мы все произошли от LUCA
Наука
Откуда мы? На этот вопрос можно дать множество ответов: от Евы, от обезьяны, или из «Шинели» Гоголя. А генетики говорят, что от Луки (LUCA).
LUCA (last universal common ancestor) — последний универсальный общий предок всего живого — появился на Земле довольно давно, вскоре, после того как она возникла. Если возраст нашей планеты ученые определяют в 4,5 млрд лет, то LUCA, по их мнению, не намного младше. Он, вероятно, уже существовал 4,1 млрд лет назад. Именно тогда этот общий предок бактерий, архей и эукариот появился на планете, чтобы дать жизнь всему живому.
LUCA дал две ветви потомков — бактерии и археи. От архей появились эукариоты, то есть организмы, чья клетка имеет ядро. Это произошло около 2,4 млрд лет назад.
Так каким же он был? Вот над этим биологи и генетики ломают голову много лет. Восстановить портрет LUCA вряд ли удастся, но некоторые его свойства ученым удалось узнать.
РНК (www.computerra.ru)
Раньше биологи представляли LUCA похожим на микроорганизмы, живующие в подводных термальных источниках, где очень высокие температуры. Но по последним данным генетиков оказалось, что наш предок совсем не любил жару под 90 градусов, а предпочитал умеренную температуру — не выше 50.
Кроме того, это господин хранил информацию не в ДНК, как мы привыкли, а в РНК. А РНК-молекулы, как раз не выносят высоких температур. Со временем LUCA заменил их на ДНК-молекулы, и стал распространяться по всей Земле, даже там где было и впрямь очень горячо.
Произошло это потому, что, как предполагают ученые, когда LUCA только поселился на Земле, наша планета была относительно прохладной. А затем Землю разогрела серия метеоритных катастроф, и пришлось сменить термо неустойчивый сейф для хранения наследственной информации — РНК -
на жаронепроницаемый шкаф — ДНК. А тогда и до людей стало уже недалеко.
Но это всего лишь гипотеза, которую еще не успели ни подтвердить, ни опровергнуть ни геологи, ни космологи. И пока ученые в поисках и в догадках, главными авторами портретов Луки могут стать фантасты. Воображение нельзя остановить.
РНК
Кстати, если говорить о зарождении жизни вообще, то начинать нужно, конечно же, с Земли. Недавно генетики-эволюционисты из университета Монреаля (Канада) совместно с французскими учёными провели исследование, в результате которого выяснили, что последний универсальный общий предок (гипотетический последний существовавший организм, от которого произошли все современные, населял планету около 3,8 миллиарда лет тому назад) был вовсе не таким, каким его принято представлять.
Считается, что этот самый общий предок был гипертермофилом, то есть существовал в экстремально горячей среде (около 90°C), как, например, существа, населяющие гидротермальные источники сейчас. По результатам исследования, проведённого канадскими и французскими учёными, однако, обнаружилось, что этот организм был достаточно нежным и не выживал при температурах выше 50°C.
Каким же образом специалисты сделали такие выводы? Они сравнивали генетическую информацию современных живых существ, чтобы выделить признаки, присущие общему предку. В результате удалось выяснить, что эта форма жизни использовала РНК в качестве ДНК. При этом нужно учитывать, что в то время Земля была горяча, а РНК не может оставаться стабильной при высокой температуре. Это указывает на развитие общего предка в неком прохладном микроклимате. Замена же впоследствии РНК на теплоустойчивую ДНК позволила живым существам покинуть прохладные места обитания и расселиться по всему, тогда ещё горячему, земному шару.
Между прочим, недавно учёные обнаружили, что в области космоса, где ведётся активное формирование звёзд (26000 световых лет от Земли), присутствуют молекулы гликольальдегида, которые при реакции с пропеналом могут образовать рибозу - основную составляющую РНК. Этот сахар был замечен и раньше, но вблизи центра нашей галактики, где планетообразование, увы, невозможно.
По словам Серены Вити из Юниверсити-колледж Лондонского университета, принимавшей участие в исследовании, тот факт, что гликольальдегид нашли в самой обычной области, где идёт образование звёзд, говорит о распространённости этой молекулы во Вселенной.
А раз так, то почему бы не поспекулировать на тему того, какие экзопланеты могут быть наиболее приспособлены для развития жизни? Ян Хедрик Бреденхофт из Открытого университета (Великобритания) разделил их на четыре категории: подобные Земле, подобные Марсу, подобные Европе (спутник Юпитера, подо льдом которого находится водяной океан), а также миры, всю поверхность которых скрывает вода. Если же говорить о том, какую же за форму жизни мы вероятнее всего обнаружим первой, то Бреденхофт полагает, что это будет "нечто вроде слизняка".
Формальні статистичні тести підтверджують походження всіх живих організмів від єдиного предка
Малюнок із записної книжки Дарвіна, зроблений в 1837 році (через рік після повернення із кругосвітнього плавання на "Бигле"). На цьому малюнку вперше в графічній формі представлена ідея походження різних видів живих істот від єдиного предка. Зображення із сайту talkingsquid. net
Ідея про єдність походження всього живого є загальноприйнятою серед біологів, однак аргументи на її користь мають в основному якісний, а не кількісний характер. Формальні статистичні тести, засновані на "теорії вибору моделей" (model selection theory) і не використовують апріорного допущення про те, що подібність білкових молекул говорить про їхнє споріднення, показали, що гіпотеза про єдине походження всього живого набагато більше правдоподібна, чим альтернативні моделі, що припускають незалежне походження різних груп організмів від різних предків
Дарвін думав, що всі живі організми відбулися або від однієї вихідної форми, або від декількох (см. common descent). Дарвін залишив питання про кількість первопредков відкритим, тому що в XIX столітті наука ще не мало у своєму розпорядженні засоби для рішення цієї проблеми. У наші дні більшість біологів упевнена, що все живе виникло від "останнього універсального загального предка" (last universal common ancestor, LUCA). Цей предок, втім, навряд чи був одиничним організмом або "видом" у сучасному розумінні цього слова, а, скоріше, являв собою поліморфне мікробне співтовариство, у якому здійснювався активний горизонтальний обмін генами
Звичайно, LUCA не був першою живою істотою на світі: його появі передувала довга еволюція (у ході якої, зокрема, сформувався сучасний генетичний код і апарат синтезу білка, см.: Vetsigian, Woese, Goldenfeld. 2006. Collective evolution and the genetic code).
-7 3
Жг7н
Одночасно з LUCA, швидше за все, жили й інші істоти, але їхні нащадки вимерли. Більшість експертів уважає, що в LUCA уже були ДНК і РНК, ферменти реплікації й транскрипції, рибосоми й інші компоненти апарата синтезу білка. Найсильнішим аргументом на користь реальності LUCA є єдність генетичного коду й фундаментальна подібність молекулярних систем синтезу ДНК, РНК і білків у всіх живих організмів (см.: Молекулярно-генетичні докази еволюції). Але цей аргумент, при всій його переконливості, є не кількісним, а якісним. Чисельно оцінити його силу досить непросто.
Происхождение жизни на Земле — тайна, которая, кажется, никогда не будет раскрыта. Какие бы предположения на этот счёт ни выдвигались, ясных доказательств им не будет до тех пор, пока человечество не изобретёт машину времени и не увидит своими глазами, что именно происходило. Сейчас же учёным приходится опираться на более чем косвенные молекулярно-генетические свидетельства, которые позволяют худо-бедно восстановить генеалогию жизни до неких таинственных предков.
Густаво Каэтано-Анольес из Университета Иллинойса (США) сообщает о радикальном и остроумном решении проблемы последнего универсального общего предка, одной из ключевых в споре о происхождении жизни. Этот предок (в английской аббревиатуре LUCA) был первым, на котором жизнь разделилась на три главные ветви — архей, бактерий и эукариот; обитал он, как полагают, около 3 млрд. лет назад.
Г-н Каэтано-Анольес предлагает говорить об этом предке в единственном числе: по его словам, это был огромный мегаорганизм, занимавший если не всю, то бóльшую часть биосферы планеты. Его многоклеточное тело было погружено в океан, причём разные клетки не конкурировали друг с другом, а находились в отношениях взаимопомощи (примерно как клетки нашего тела, только не в такой тесной интеграции и взаимозависимости). В какой-то момент общий предок разделился на трёх «потомков» — бактерий, архей и эукариот; последние затем разошлись на растения и животных.
Гипотеза приобрела довольно много сторонников, и несколько исследователей предприняли поиски общих белков, которые говорили бы о принадлежности всех трёх ветвей жизни одному «телу». Таких белков, как утверждают учёные, существует от 5 до 11%, все они жёстко консервативны, распространены во всех формах современной жизни, и даже при различиях в генетическом коде всё равно соблюдают почти одинаковую пространственную структуру. Кроме того, все они имеют отношение к энергетическому обмену, к добыче энергии из какого-либо субстрата.
Впрочем, некоторые черты этого мегапредка вызывают споры даже у сторонников теории. Так, в журнале New Scientist появилась статья, автор которой Майкл Маршалл сомневается, что этот организм был действительно многоклеточным. Ему кажется, что клеточные стенки у последнего универсального общего предка ещё не сформировались. Кроме того, молекулярным информационным носителем в то время была, видимо, не ДНК, а РНК.
Впрочем, на общем глобальном фоне этой гипотезы подобные расхождения кажутся мелкими частностями. Однако нельзя не признать, что изначально идея «океана жизни» не так уж и нова, и учёные, скажем так, подзадержались с научной переработкой одного из выдающихся образцов литературной фантастики XX века.
07.01.2012 Первые варианты генетического кода LUCA
В статье приводится модель первых вариантов кодируемого пептидного синтеза. Данная модель учитывает широкий спектр данных: наличие наиболее простых в биохимическом отношении аминокислот, возможность абиогенного синтеза этих аминокислот, статистические данные полуконсервативных и консервативных мотивов тРНК, возможность кодирования белков на комплементарных цепях РНК, защита от сдвига рамки считывания, GC-богатость последовательностей РНК.
05.01.2012 Размеры геномов в РНКовом мире и мутационный фон. LUCA
Описываются причины ограниченности размера геномов в мире РНК. Предполагается, что предельный размер значащей части генома в РНК и РНК-белковом мире был недостаточен для обеспечения всех метаболических реакций белковыми и РНК-ферментами. Рассматриваются способы, которыми в РНК-мире стало возможным увеличить значащую часть генома. Существенную информацию по этому вопросу дают нам современные РНК-вирусы.
03.05.2011 Об одной странной температурной закономерности LUCA
Странным образом большинство ферментов живых организмов работают лучше всего при двух температурах - 37 и 55 градусов цельсия. Эта двухпиковость температурного оптимума характерна для различных групп живых организмов, независимо от их температурного оптимума их проживания.
29.04.2011 Как мог выглядеть архаичный метаболизм? LUCA
Проведён сравнительный анализ моделей, рассматривающих первые архаичные пути фиксации углерода
17.03.2011 Минеральные корни современных ферментов. LUCA
В рамках гипотезы происхожения активного центра многих древних ферментов из минеральных предшественников рассматривается и анализируется структура современных неорганических металл-серных компонентов современных ферментов. Макинавит ([Fe>>Ni)S]), грейгит (NiS2[Fe4S4]S2Fe), виоларит и другие минералы, были связаны простейшими органическими лиганднами (например, тиолами) и обеспечили катализ ключевых реакций архаичного метаболизма. На более поздних стадиях простые органические лиганды были заменены пептидами.
27.02.2011 Что было первым: метаболизм или ген? Могла ли жизнь начаться как циклическая химическая реакция неполимерных молекул? LUCA
Данная статья во многом разъясняет идеологию ряда моих автопубликаций, посвящённых наиболее ранним этапам возникновения жизни. Противопоставляются две основные модели: 1) первичности реплицирующейся полимерной молекулы (гена), возникшей в условиях первичного бульона; 2) первичности автотрофных автокаталитических сетей реакций малых органических молекул, катализируемых минералами и самими малыми органическими молекулами в условиях отсутствия богатого органическими веществами первичного бульона. Важнейшим утверждением, носящим гипотетический характер, является постулирование того, что система "рибонуклеотидные автокаталитические сети", включавшая древний прообраз восстановительного цикла трикарбоновых кислот и (или) фиксацию через древний прообраз ацетил-коэнзим А пути, представляла собой древнейшую живую систему, которая предшествовала появлению кодируемого пептидного синтеза. Переход к полимерному РНК-геному проходил через стадию олигорубонуклеотидного мира, в котором рибонуклеотидные кофакторы и очень короткие цепочки РНК (предположительно ди- и триммеры) играли ключевую роль в метаболических сетях как катализаторы и ключевые компоненты «конформационного генома».
23.02.2011 Автотрофное термофильное происхождение жизни. Luca
В гидротермальных источниках (в первую очередь щелочных белых курильщиках) в древнем океане, как и в настоящее время, существует очень крутой температурный, химический и электрохимический градиенты, которые могли стать движущей силой первых метаболических цилков способных к связыванию диоксида углерода. Поровые железо-серные структуры в щелочных гидротермах могли служить первыми мембранами, ограничивающими циклические реакции, и выполнявшими каталитические функции по превращению веществ в этих первых ЖС, и поддержанию и преобразованию электрохимического градиента между кислым океаном и щелочными флюидами, ставшего одним из первых непосредственных источников энергии. Проанализированы известные реакции, протекающие в щелочных гидротемах и возможность их превращения в эволюционирующие метаболические сети.
22.01.2011 Самое обоснованное утверждение, касающееся происхождения жизни - первичность молекул РНК по отношению к ДНК и сложным белкам LUCA
В статье суммированы основные известные автору доводы в пользу того, что полимерные молекулы РНК в живых системах возникли до возникновения молекул ДНК и кодируемого пептидного синтеза по крайней мере в современном его варианте.
13.01.2011 Реликтовые составляющие современного метаболизма. С чего он мог начаться? LUCA
Проанализирована блочная схема современного метаболизма, в которой вычленены предположительно наиболее древние части.
08.01.2011 Древний дублетный генетический код был предопределён путями синтеза аминокислот LUCA
В генетическом коде кодоны с общим первым нуклеотидом кодируют аминокислоты со сходными путями биосинтеза, а с общим вторым нуклеотидом - сходны по гидрофильности-гидрофобности. Этот поразительный факт может быть объяснён моделью биосинтеза древних аминокислот с помощью динуклеотидных катализаторов. Данная модель также объясняет возможность специфического безбелкового аминоацилирования древних тРНК.
06.01.2011 Молекулярные механизмы обеспечения вырожденности кода. LUCA
Кратко описаны молекулярные механизмы обеспечения вырожденности генетического кода. Показано, что без модифицированных оснований существующий порядок вырожденности не мог быть обеспечен, что подчёрнкивает важность такого рода оснований на средних и поздних стадиях формирования ГК. Показано, что только кодоны, заканчивающиеся на G, могут быть уникальными, то есть не кодировать эту же аминокислоту при изменении окончания кодона.
06.01.2011 Правило Лагерквиста. Физико-химическое обоснование симметрий и соотношений Румера. LUCA
Сформулировано правило Лагерквиста, из которого вытекают симметрии и соотношения Румера. Показано, что выполнение правила Лагерквиста обеспечивается особыми взаимодействиями второго основания кодон-антикодоновой пары, приводящее к стабилизации взаимодействия тРНК с мРНК.
02.01.2011 Древние тРНК с комплементарными антикодонами кодировались комллементарными РНК-парами. LUCA
Усреднённые последовательности тРНК с комплементарными антикодонами имеют комплементарные антикодоновые ветви и частично Т-ветви. Этот факт означает, что древние тРНК с комплементарными антикодонами кодировались на одной двойной цепи РНК на комплементарных цепях.
02.01.2011 Верхняя половина тРНК более древняя. Протокодоны и первые аминокислоты в древнем пептидном синтезе. LUCA
Статья посвящена анализу эволюции тРНК на самых ранних стадиях формирования кодируемого пептидного синтеза. Показано, что вернхняя половина тРНК более древняя; самые первые тРНК могли содержать протокодоны в акцепторном стебле, кодирующие самые первые аминокислоты - глицин, аланин, валин и глутаминовую кислоту.
28.12.2010 Транспортные РНК как молекулярные реликты LUCA
Во всех современных организмах транспортные РНК (тРНК) - один из центральных участников в синтезе белка. Транспортные РНК - одна из самых древних структур, которые возникли на самых начальных этапах эволюции жизни и в значительной степени сохранили информацию о древней жизни. Такого рода ультраконсервативные структуры относят к так называемым молекулярным реликтам.
27.12.2010 Биохимическая (коэволюционная) модель эволюции генетического кода LUCA
Предложенная модель эволюции генетического кода предсказывает последовательность включения аминокислот код на средних и поздних стадиях своего формирования. Данная модель объясняет целый ряд свойств современного универсального генетического кода.
27.12.2010 Свойства генетического кода - след его возникновения. LUCA
Универсальный генетический код всех живых организмов почти не менялся на протяжении более, чем 3,5 млрд. лет после момента его окончательного формирования. Значит, его структура несёт след его возникновения. В связи с этим представляет интерес анализ различных особенностей генетического кода, которые могут дать ключ к пониманию его ранней эволюции. Данная статья является вступительной для серии автопубликаций, посвященных возникновению генетического кода, и с неё лучше всего начинать знакомство с этой темы.
25.12.2010 Кодазы помогают понять, как возник генетический код. LUCA
Кодазы (или АРСазы) осуществляют фактически кодирование синтеза белка по РНК-матрице. Оказалось, что все АРСазы можно разбить на две группы, каждая из который разбивается на три подгруппы, симметричные относительно каждого класса. Этот факт может быть объяснён тем, что древние кодазы связывались с тРНК парами. Современные АРСазы из симметричных подклассов потенциально способны свзязываться с одной и той же молекулой тРНК так, что связывание АРСазы из одного класса НЕ ПРЕПЯТСТВУЕТ связыванию АРСазы из другого класса, но симметричного подкласса. На ранних этапах комплексы, состоящие из пар АРСаз, могли аминоацилировать РНК, используя неточно для синтеза белка не строго определенную аминокислоту, а пул аминокислот. Эволюция таких комплексов - РНК-пара АРСаз привела сначала к формированию трёх различных видов неспецифических кодаз, каждый из которых дал начало трём симметричным подклассам кодаз. Каждому подклассу уже соответствовал свой пул аминокислот. На поздних этапах формирования генкода каждую молекулу тРНК аминоацилировала уже одна, а не две АРСазы, а каждой молекуле тРНК соответствовал всё более определённый пул аминокислот или одна аминокислота.
Обсуждение Еще не было обсуждений.
Формальные статистические тесты подтверждают происхождение всех живых организмов от единого предка