Те, що ви, я або будь-яка жива істота існує, є результатом серії вражаючих випадковостей, що тривають більше 4 мільярдів років.

Однією з найбільших перешкод було перше питання: як життя виникло з первісного бульйону, що не містив живих організмів?

Радикальне нове дослідження, опубліковане в Science Advances, пропонує, що цей малоймовірний поріг міг бути подоланий не один, а два рази.

Дві основні лінії життя – бактерії та археї – могли незалежно зрозуміти секрети метаболізму, які підвели їх від неживого до живого, згідно з новим дослідженням, яке зосередилося на найпростіших хімічних реакціях, що, як вважається, дозволяють цю трансформацію.

"Сюрприз полягає в тому, що ферменти, які каталізують ці реакції, не зберігаються через еволюційний розрив, що відокремлює бактерії та археї," говорить Вільям Мартін, біолог з Університету Генріха Гейне в Дюссельдорфі, Німеччина.

"Нові дані залишають лише один висновок. Бактеріальні та археальні лінії незалежно перейшли до вільноживучого стану. Лише вільноживучі клітини є живими.

"Назвемо це своїм ім'ям: ми маємо одну походження генетичного коду, але два походження життя."

Це велике твердження, особливо коли визначення того, що таке життя, може бути досить складним.

Загалом, життя вважається матерією, яка реагує на своє оточення, споживає енергію, росте та відтворює себе.

Це звучить так, ніби охоплює основи, але навіть таке широке визначення є недосконалим. Адже віруси можуть робити більшість з цих речей, але традиційно не вважаються 'живими'.

Один аспект життя, який є універсальним – і якого віруси не мають – це метаболізм, сукупність хімічних реакцій, які організми використовують для створення молекул, що є життєво важливими для їх повсякденної функції.

Ферменти – це робочі білки, які діють як каталізатори для цих реакцій в організмах, але це піднімає дивне питання курки та яйця.

Ферменти самі є продуктами хімічних реакцій – тож як перші живі організми почали метаболізувати речі, включаючи виробництво ферментів, без допомоги інших ферментів?

Відповідь, здається, полягає в їх оточенні.

Загалом вважається, що перше життя виникло в надзвичайно реакційних середовищах, таких як гідротермальні джерела. Метали, які природно зустрічаються в цих місцях, могли бути першими каталізаторами для метаболізму, перетворюючи сполуки, такі як водень, аміак і вуглекислий газ, на інші корисні молекули.

"Практично все, що стосується походження метаболізму, обговорюється, включаючи ролі енергії, генетики, автокаталізу, фосфату, кофакторів, ціаністого водню, CO₂ та води," пишуть Мартін та колеги у своїй статті.

"Проте в одному аспекті всі погоджуються: мережа з ~400 реакцій, яка перетворює H₂, CO₂, NH₃, H₂S і фосфат на амінокислоти, основи та кофактори, не могла виникнути миттєво.

"Її виникнення з спонтанних екологічних реакцій повинно було пройти через проміжні стани складання, які раніше були невловимими."

Дослідники вивчили білкові структури основних метаболічних ферментів у геномах бактерій та архей і розробили метод і алгоритм для їх упорядкування за складністю. Звідти вони змогли визначити, які з них еволюціонували в якому порядку, і скласти приблизний хронологічний порядок.

"Ми виявили, що останній універсальний предок всіх клітин, LUCA, мав ферменти лише для приблизно половини реакцій метаболізму," говорить Мартін.

"Інша половина каталізувалася металами в середовищі, де виник LUCA."

Команда виявила, що, ймовірно, було чотири різні фази в розвитку каталізу (реакції, що каталізуються ферментами). Перша повністю покладалася на метали в середовищі.

Коли достатня кількість корисних молекул накопичилася, ще не зовсім живі протоклітини (до яких входив LUCA) могли почати розвивати свої власні ферменти, які виконували деякі функції цих металевих каталізаторів.

З часом пізні протоклітини розвивали все більше ферментів, зменшуючи свою залежність від зовнішніх металів, поки вони більше не потребували їх. Лише в цей момент їх можна було вважати 'вільноживучими клітинами'.

Важливо, що дослідники кажуть, що це не сталося до того, як бактерії та археї відокремилися. Ці дві гілки знайшли свої власні способи вирішення тих самих проблем.

"Ми можемо бачити випадки, коли предки бактерій та архей незалежно еволюціонували структурно різні ферменти для каталізу однієї й тієї ж основної метаболічної реакції," говорить Наталія Мрнявац, біолог з Університету Генріха Гейне в Дюссельдорфі.

"Такі паралельні винаходи могли прокласти шлях до незалежного виникнення вільноживучих бактерій та архей."

Дослідження також може заповнити ще одну прогалину в нашому розумінні походження життя.

Молекула, відома як АТФ, є зараз життєво важливим джерелом енергії для живлення метаболізму – але вона також виробляється ферментами і не була доступна в преорганічній хімії. Дослідники кажуть, що вони виявили альтернативу.

"Коли ми реагуємо фосфітом, формою фосфору, яка природно зустрічається в гідротермальних джерелах, з органічними сполуками, ми отримуємо метаболічні фосфорилювання за ніч у воді," говорить Манон Шлікер, молекулярний еволюційний вчений з Університету Генріха Гейне в Дюссельдорфі.

"Фосфіт і паладій замінюють АТФ і ферменти; це дивовижно, і це робить ранню еволюцію набагато легшою для розуміння."

Проте критично важливим для хімічних реакцій є середовище, в якому вони відбуваються, і вчені досі не мають чіткого уявлення про це. Чи була це вода, чи липка маса?

Якщо ці результати підтвердяться подальшими дослідженнями, здається, що дерево життя, як ми його уявляємо, може потребувати оновлення. Ми звикли вважати LUCA 'стовбуром' дерева, з усіма іншими формами життя, минулими та сучасними, що відгалужуються від нього.

Але, можливо, існували два абсолютно окремі стовбури, які спочатку розділилися на коренях, ще до того, як вони стали технічно живими.

Дослідження було опубліковане в журналі Science Advances.