Frågan "hur exakt började livet?" är ett av modern vetenskapens största mysterier. Medan de flesta forskare tror att alla livsformer utvecklats från en vanlig primitiv forntida mikroorganism, slutar detaljerna där. Vilka slags gener hade denna livsform och var bodde den? En ny studie publicerad i Nature Microbiology belyser ursprunget och utvecklingen av denna forntida organisme.
Erfaren forskare som är intresserade av livets ursprung tacklar vanligtvis problemet på två olika sätt. En av dem är en bottom-up-strategi, där de försöker föreställa sig hur länge sedan livet började och sedan återskapa huvudstadierna för dess ursprung i laboratoriet. Ett alternativt ovanifrån och ner-tillvägagångssätt är att analysera och "hugga" av moderna celler för att förenkla dem och härleda viktiga steg i utvecklingen av cellkomplexitet.
Datorforskare som försöker lösa detta problem utnyttjar de enorma mängder data som har framkommit till följd av revolutionen - DNA-sekvensering. Det har översvämmat forskare med information om organismernas genom, från bakterier till människor. De kan dölja information om DNA-sekvenserna för primitiva celler - de första cellerna på planeten som använder den moderna genetiska koden - som har gått över miljarder generationer.
Den "sista allmänna stamfadern" är hypotetiskt en av de allra första cellerna från vilka allt liv på jorden härstammar. Förhållandet mellan denna förfader och moderna organismer visualiseras ofta som evolutionära träd, varav de första kända exemplen går tillbaka till Charles Darwin.
DNA-sekvensering ger ett utmärkt och mycket kvantitativt mått på genetisk anslutning som genomsyrar all biologi. Nästan alla organismer på planeten använder samma kod för fyra baser A, C, G och T. Därför kan det i princip användas för att bygga evolutionära träd i allt liv. Vi vet att vissa gener fanns vid gryningen av cellulärt liv och ärvdes av alla efterföljande livsformer. Under fyra miljarder år har exempelvis en liten 16S rRNA-gen gradvis förändrats under slumpmässiga mutationer i enskilda linjer som har lett till olika livsformer. Av detta följer att var och en av dem har en karakteristisk sekvens, som kommer att vara liknande i nyutvecklade organismer, men mer och mer olika i stamtavlor.som dök upp tidigare i det evolutionära segmentet.
De första analyserna av dessa”universella” DNA-sekvenser, som genomfördes för cirka 30 år sedan, ledde till betydande förändringar i vår bedömning av livets mångfald på jorden, och särskilt mångfalden av encelliga organismer utan kärnor (prokaryoter). De identifierade också en helt ny domän i det prokaryota livet, som nu kallas archaea.
Kampanjvideo:
Försök att utveckla verkligt universella träd som kommer att bestämma ursprunget för alla moderna celler från deras senaste universella förfäder har begränsats av ett antal tekniska problem. Ett problem är det stora antalet grupper som har separerat sig från varandra från början av livet. Dessutom kan bakterier också utbyta gener med varandra, vilket gör det svårare att bestämma deras ursprung.
Vätätare?
I den nya studien använde forskarna en smart, banbrytande metod för att organisera sekvenserade prokaryota gener i familjer. Då letade de efter likheter och mönster i alla bakterigrupper och hittade en liten uppsättning gener som fanns i både archaea och bakterier. Forskare kunde visa att dessa gener troligen ärvdes direkt från en gemensam förfader och inte erhölls genom utbyte.
Detta resultat är betydelsefullt eftersom det identifierar de specifika grupperna av bakterier (clostridia) och archaea (metanogener) som bär tidiga versioner av dessa gener, och indikerar att de är mycket forntida och kan likna de allra första organismerna som ledde till uppkomsten av separata linjer av bakterier och archaea.
Ännu viktigare är att arten av gener som överlevde berättar en fantastisk historia om miljön där deras sista förfader bodde - inklusive hur han fick energi. Forskning visar att världen bebos av dessa organismer för fyra miljarder år sedan var mycket annorlunda än vår. Det fanns inget tillgängligt syre i det, men om du tror att generna fick den gemensamma förfäder energi från väte, som uppenbarligen producerades av den geokemiska aktiviteten i jordskorpan. "Inerta" gaser, inklusive koldioxid och kväve, gav de grundläggande byggstenarna för produktion av alla cellulära strukturer. Järn fanns i överflöd, och bristen på syre gjorde det inte till olöslig rost, så detta element användes av enzymer i den första cellen. Flera av generna tros ha varit involverade i anpassning till höga temperaturer,vilket antyder annat: organismer utvecklas i en hydrotermisk miljö - liknande moderna hydrotermiska ventiler eller varma källor, där bakterier fortfarande lever med nöje.
Tyvärr, utan en tidsmaskin, kan vi inte verifiera dessa resultat direkt. Men sådan information är av stort intresse, särskilt för forskare som försöker återskapa formerna av det primitiva livet. Det är skrämmande att tro att våra första förfäder (de allra första) gjorde det utan syre.
Ilya Khel