Биологи нашли системы обмена веществ, которые старше первых клеток ( 2 фото )

Изучив обмен веществ примитивных микробов, биологи нащупали следы системы, которая могла быть предшественником живых клеток. Речь идёт о сложном самоподдерживающемся цикле биохимических реакций, который стал основой первых живых организмов.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.

Даже самая примитивная живая клетка устроена очень сложно. Трудно поверить, что она могла возникнуть “в готовом виде” из смеси нужных химических веществ. Вероятно, клеткам предшествовали более простые системы, тоже способные размножаться и эволюционировать, и в этом смысле живые. Постепенно усложняясь и совершенствуясь под давлением естественного отбора, они дали начало первым клеткам.

Что это могли быть за системы? Почти 50 лет назад известный биолог и соавтор нового исследования Стюарт Кауффман (Stuart Kauffman) предположил, что речь об автокаталитических циклах химических реакций.

Поясним, о чём речь. Когда одни и те же вещества могут вступить в разные химические реакции, между реакциями начинается конкуренция за исходные реагенты. По сути, включается естественный отбор. Побеждает реакция, которая идёт быстрее. А быстрее всего идут реакции, продукт которых одновременно является катализатором, ускоряющим ход этой же реакции (такие процессы и называются автокаталитическими, то есть подстёгивающими сами себя).

Но что случится, когда все доступные реагенты будут истрачены? Реакция, разумеется, прекратится, то есть “умрёт”. Чтобы этого не случилось, она должна быть обратимой: наряду с прямым процессом, где исходные вещества превращаются в продукт, должен идти и обратный, в котором продукт снова “разваливается” на реагенты.

Расчёты и эксперименты показывают, что автокаталитические химические циклы способны “размножаться” и “эволюционировать”, то есть они действительно могли быть предшественниками жизни.


Схема самоподдерживающейся автокаталитической сети химических реакций, которая могла быть предшественником жизни. Красным выделены исходные компоненты.

Иллюстрация Joana C. Xavier.

Но какие именно циклы реакций дали начало первым живым клеткам? Cоавторы новой статьи Майк Стил (Mike Steel) из Кентерберийского университета в Новой Зеландии и Вим Хордейк (Wim Hordijk) из Института эволюции и когнитивных исследований имени Конрада Лоренца выдвинули интригующую гипотезу.

Они нашли целый класс химических циклов, удивительно похожих на реальный метаболизм живых клеток. Авторы назвали их рефлексивно-автокаталитическими сетями, порождаемыми питанием (reflexively autocatalytic food generated networks, или FAR).

FAR интересны не только тем, что похожи на реальные биохимические процессы. Они ещё и легко запускаются при наличии нужных реагентов, стоит чуть-чуть подтолкнуть систему, добавив в неё начальный катализатор.

“Это то, что физики называют самоорганизацией, своего рода святым Граалем в исследованиях зарождения жизни”, — объясняет Хордейк.

Авторы новой статьи принялись за поиски RAF в метаболизме примитивных микробов. Они сосредоточились на бактериях и археях, не нуждающихся в кислороде, поскольку свободный кислород на Земле появился через миллиарды лет после первых живых организмов и, более того, как продукт их деятельности.

Они нашли несколько разных RAF в обмене веществ тех или иных микробов. Самая сложная из найденных систем включает 1335 реакций. Примерно столько же процессов определяют метаболизм современной клетки. Однако исследователей интересовали прежде всего самые простые циклы, которые могли быть предшественниками сложных.

У микробов, получающих энергию за счёт поглощения водорода и углекислого газа (тот и другой в изобилии присутствовали на ранней Земле), специалисты нашли две простейшие системы RAF, способные, однако, выполнять основные функции метаболизма. Первая присутствует у организмов, производящих метан, и содержит 209 реакций. Вторая характерна для микробов, выделяющих ацетат, и состоит из 394 реакций.

При этом 172 реакции оказываются общими для обоих наборов. Они встречаются как у бактерий, так и у архей, и, видимо, восходят к последнему общему предку всех живых существ.

В отличие почти от всех биохимических реакций выделенные процессы не требуют в качестве катализаторов больших и сложных белковых молекул. Им хватает значительно более простых веществ — кофакторов и частиц металлов. Тем не менее в них синтезируются аминокислоты (строительные блоки белков) и азотистые основания (один из основных компонентов ДНК и РНК).

Эти биохимические циклы, вероятно, старше генов. Возможно, это последний биохимический реликт доклеточной эпохи. Интересно, что микробы, у которых они были найдены, обитают в геотермальных источниках.