Самый древний предок жизни на Земле: кто он и сколько ему лет?

Все живые организмы на Земле – от бактерий до человека – связаны общей эволюционной линией. У этой линии был общий узел, который ученые называют LUCA — Last Universal Common Ancestor или последний универсальный общий предок. Подробнее о нем читайте в статье «».

LUCA — не первый организм на Земле. в прямом смысле слова. Это последняя популяция древних клеток, из которой произошли все современные формы жизни. До LUCA, возможно, существовали и другие линии организмов, но они не оставили потомков, доживших до наших дней.

Идея общего предка основана на сходстве основных механизмов у всех живых существ. Бактерии, археи, растения, животные и грибы имеют общий принцип хранения наследственной информации, общий генетический код, синтез белка посредством рибосом и использование АТФ как универсального источника энергии. Именно эти признаки позволяют утверждать, что современная жизнь возвращается к одному общему корню. Об этом говорится в исследовании Nature Ecology & Evolution, где LUCA рассматривается как узел, от которого разошлись две основные линии прокариот — бактерии и археи.

Почему его возраст трудно определить?

Основная трудность заключается в том, что от LUCA не осталось прямых окаменелостей. Это был микроскопический организм, живший в очень раннюю эпоху, когда Земля только становилась пригодной для устойчивой жизни. Поэтому ученым приходится реконструировать ее историю косвенно — через геномы современных организмов, древние следы микробной жизни, изотопные данные и модели молекулярных часов.

Молекулярные часы работают по принципу накопления мутаций. Если вы сравните родственные гены в разных группах организмов и оцените скорость их изменения, вы сможете примерно подсчитать, когда их линии разошлись. Но есть проблема: чем глубже ученые возвращаются в прошлое, тем больше неопределенность. Скорость мутаций могла варьироваться, древние микробы обменивались генами горизонтально, а ранняя летопись Земли была почти полностью стерта геологическими процессами.

Осьминоги могут захватить Землю: почему ученые так считают

Поэтому оценки возраста LUCA долгое время колебались. Ранее предполагаемый диапазон составлял от 3,5 до 4 миллиардов лет назад. Но исследование 2024 года с использованием анализа дупликаций древних генов и калибровки по микробным ископаемым и изотопным данным приблизило эту дату к началу истории планеты: около 4,2 миллиарда лет назад, с доверительным интервалом около 4,09–4,33 миллиарда лет.

Что показало это открытие?

Земля образовалась около 4,54 миллиарда лет назад. Если LUCA действительно жил около 4,2 миллиарда лет назад, то получается, что сложная клеточная жизнь появилась очень рано – всего через несколько сотен миллионов лет после образования планеты. Это важно, поскольку ранняя Земля долгое время считалась слишком нестабильной: сильный вулканизм, высокие температуры, частые удары астероидов, образование коры и атмосферы.

Но современные данные свидетельствуют о том, что условия могли стать подходящими для водной и химической эволюции раньше, чем считалось. Одним из ключевых источников информации являются древние цирконы из Западной Австралии. Эти минералы устойчивы к разложению и могут сохранять химические следы среды, в которой они образовались. Исследования цирконов возрастом почти 4,4 миллиарда лет показывают, что уже тогда на Земле могла существовать твердая кора и жидкая вода. НАСА также отмечает, что подобные находки приближают возможное появление океанов к самому раннему периоду истории планеты.

Вот почему ранний возраст LUCA больше не выглядит невозможным. Если бы вода и стабильные участки земной коры возникали быстро, химические процессы, ведущие к жизни, имели бы больше времени и более подходящие условия — например, гидротермальные системы, неглубокие водоемы или горячие водоемы.

Какой может быть LUCA?

Долгое время LUCA считалась почти примитивной клеткой — чем-то минимальным, едва способным к самовоспроизведению. Новые реконструкции дают более сложную картину. Согласно исследованию Nature Ecology & Evolution, геном LUCA мог состоять как минимум из 2,5 миллионов пар оснований, которые кодировали около 2600 белков. Это сравнимо с некоторыми современными прокариотами, то есть речь идет о достаточно развитой клеточной системе.

LUCA, вероятно, был анаэробным организмом, то есть жил без кислорода. Это логично: свободного кислорода в атмосфере ранней Земли почти не было; он стал накапливаться значительно позже благодаря фотосинтезирующим микроорганизмам. LUCA может использовать химические реакции с участием водорода и углекислого газа в качестве источников энергии. Исследователи предполагают, что он был близок к ацетогенам — организмам, которые получают энергию путем преобразования CO₂ и водорода в органические соединения.

Еще одна важная деталь — возможная защита от вирусов. В статье 2024 года предполагается, что у LUCA могла быть ранняя иммунная система. Это означает, что уже в древней биосфере шла борьба между клетками и вирусоподобными элементами.

Была ли ЛУКА единственной?

Последний универсальный универсальный предок не обязательно был единственным организмом своего времени. Скорее всего, он жил среди других микробов, обменивался с ними веществами, конкурировал за ресурсы и, возможно, участвовал в ранних круговоротах углерода, водорода и других элементов.

Исследователи предполагают, что продукты метаболизма LUCA могут использоваться другими микроорганизмами, например метаногенами. Это означает, что уже 4,2 миллиарда лет назад на Земле могла существовать не просто отдельная клеточная линия, а ранняя экосистема, где одни организмы создавали условия для других. Популярное изложение этой идеи дает журнал Quanta Magazine: LUCA описывается как организм, который жил на водороде и углекислом газе и уже имел признаки сложной клеточной организации.

Это меняет масштаб проблемы. Если LUCA уже была достаточно сложной, то до нее должна была произойти значительная эволюция: появление генетического кода, мембран, метаболизма, механизмов копирования информации и защиты от паразитических элементов. Но когда именно неизвестно. Некоторые модели предполагают сравнительно небольшой интервал между появлением подходящих условий и клеточной жизнью, другие — длительный этап химической эволюции.

Ранее мы писали, что в глубинах океана были найдены черные яйца неизвестных существ.