Наш общий предок LUCA

Еще Чарльз Дарвин предположил, что вся биосфера на Земле произошла от одного-единственного предка. Каким он был? Мы не знаем - его давно "съели" более продвинутые потомки. А если не съели, так он сам вымер, не приспособившись к изменяющимся условиям. Однако он оставил богатое потомство - не только нас с вами, но и все огромное многообразие видов.

Эта идея Дарвина долгие два века оставалось не более, чем предположением. Считалось, что геологические пласты не сохранили нам следов жизнедеятельности этого организма, и, уж тем более, не сохранилось ископаемых форм. Тем не менее, относительно недавно ученые заговорили о неком гипотетическом общем предке LUCA (Last universal common ancestor - последний универсальный общий предок). По видимому, эта идея принадлежит Карлу Вёзе, по образованию физику, кстати, тому самому, который выдвинул концепцию РНК-мира. Вклад Вёзе в биологию не менее впечатляющ, чем вклад Максвелла в физику. Вот и удивляйтесь после этого, что физику делать в биологии!

Рождение идеи.

В конце 1970-х годов Карл Вёзе захотел разобраться с рибосомной РНК 16S рРНК, которая входит в состав малой субъединицы рибосомы прокариот. Эта последовательность состоит из почти 1600 нуклеотидов. В то время не существовало техники секвенирования, поэтому Вёзе и его лаборантам все приходилось делать вручную. Прочитав последовательность, Вёзе стал вносить в рРНК мутации. Оказалось, что внутри 16S рРНК есть участок, который трогать нельзя. Стоило изменить в нем ОДИН кодон - и данная рибосома переставала работать! Этот критический для мутаций участок назвали консервативным. Мутации на других фрагментах оказались не столь фатальными - рибосома продолжала работать, немного меняя скорость синтеза белка.

Дальнейшее изучение показало, что этот консервативный участок содержится во многих прокариотах. То есть этот участок был у разных организмов одинаковым! Это само по себе уже чрезвычайно впечатляюще. Из этой информации можно сделать однозначный вывод: все эти организмы связаны "родственными отношениями" и получили этот консервативный участок от одного предка! Не думаю, что такая достаточно длинная последовательность была изобретена несколько раз. Скорее всего, организм, который "изобрел" рибосому, получил потрясающее преимущество по скорости синтеза белка с РНК-матрицы, и соответственно, передал это преимущество потомкам.

Предупреждение динозавра. Полагать, что рибосома возникла вот как сразу, случайно, собравшись из разрозненных рибонуклеотидов, по меньшей мере, наивно. Современые исследования говорят нам, что эта органелла тоже прошла длительную эволюцию. В 2009 канадцы Константин Боков и Сергей Штейнберг (и опять Новый свет и опять русские имена - никому это не кажется странным?), исследовали трехмерную структуру рибосомы. Они последовательно "выдирали" из рибосомы "кусок за куском", наблюдая, как снижается (но не падает до нуля) функциональность. Остановились они на очень маленькой и простой молекуле РНК - "проторибосоме", способной стыковать две аминокислоты. Предполагается, что рибосома начала эволюцию как раз с этого образования, постепенно усложняясь до современного состояния и повышая функциональность. Статья об этом на русском языке здесь.

Открытие консервативного участка положило начало следующим шагам. Вёзе заинтересовался остальной частью рибосомы. Он стал сравнивать между собой изменяющиеся (вариативные) участки. Он обнаружил, у некоторых прокариот эти участки похожи больше, у некоторых меньше. Вёзе предположил, что мутации на вариативных участках накапливаются примерно с одинаковой скоростью, предложив тем самым понятие молекулярных часов. Используя эту гипотезу, оказалось возможным, сравнивая между собой отличия, построить филогенетическое древо прокариот. Работа с его выводами вышла в 1985 году. Позже оказалось что выводы Вёзе можно распространить гораздо шире - на все живые организмы - и разделить их на три группы: археи, бактерии и эукариоты.


Построив подобное (разумеется, весьма далекое от полноты) филогенетическое древо, можно заметить, что все живое выходит из единого корня - некого неизвестного организма. Мы не знаем, что это был за организм, поскольку и он, и все его родственники до наших дней не дожили. Однако мы можем гипотетически рассмотреть некоторые его черты, которые, как представляется, нам от него достались.

Этот предок условно называется LUCA. Это аббревиатура английского сочетания last universal common ancestor (Последний Универсальный Общий Предок). Совершенно очевидно, что это чисто гипотетическое построение, скорее всего, такого организма не было. Более вероятно, что это была группа достаточно близких организмов. Совершенно очевидно, что это не самый первый живущий на Земле организм, ему предшествовала длительная эволюция.

Новые факты

Совсем недавно мы получили подсказку, каким был LUCA, на что похож, где и как жил. Подсказка пришла из недр суперкомьютера. Биологи решили математически смоделировать энергетику мембраны этого гипотетического организма. Статью об этом можно посмотреть тут. Известно, что мембраны бактерий и архей в чем-то похожи, а в чем то отличаются. Это дает нам право предположить, что LUCA, будучи предком обеих групп, передал им общие черты, а отличия у архей с бактериями появились позднее.

Известно, что любая клетка должна поддерживать разность потенциалов между цитоплазмой и окружающей средой. Это электрическое напряжение (что-то около одной десятой вольта) возникает, поскольку концентрация ионов калия в цитоплазме клетки больше чем в 50 раз превышает их концентрацию в окружающей среде, а ионов натрия, наоборот, в 12 раз меньше. Вроде это напряжение невелико, однако, если учесть размеры клетки, напряженность электрического поля в районе мембраны достигает чудовищной величины. Мембрана представляет собой изолятор, превращая клетку в этакий живой конденсатор. Замкни конденсатор - и клетка умрет. Это было многократно доказано на различных опытах.

Где есть разность потенциалов, там обязательно возникает электрический ток. Поскольку мембрана достаточно хороший изолятор, этот ток очень небольшой, доли микроампер. Однако даже такой малый ток "разрядит" клетку за время порядка десятка минут. Поэтому клетка должна постоянно поддерживать свой электрический потенциал, выкачивая из цитоплазмы положительно заряженные протоны. Для этого в ее мембране есть насос, который выкачивает из клетки ионы натрия. На работу этого насоса клетка тоже тратит свою АТФ.

На рисунке видно, что бактерии и археи, первыми разделившиеся на филогенетическом древе, выработали каждая свой способ поддержания электростатического потенциала на мембране. Представляется крайне маловероятным, что, унаследовав от предков достаточно эффективный механизм, организм вдруг выбрасывает его и заменяет на другой. Такого в живой природе просто не бывает! Потомки всегда работают с тем, что им досталось от предков - модернизируя, усовершенствуя, но никогда не меняя. С другой стороны, если одновременно дать разным конструкторам одно задание, они построят разные машины. Пусть даже эти машины будут действовать на одинаковом принципе, это будут разные машины - они не будут друг на друга похожи!

Получается, что у LUCA механизма поддержания электрического потенциала просто не было. Иначе и те, и другие этот механизм бы унаследовали!

Как же тогда этот удивительный LUCA вообще жил???????

А ведь на Земле есть место, где LUCA мог жить без механизма поддержания электрического потенциала. Это гидротермальные источники! Гидротермальный источник представляет собой маленький подводный "вулканчик". Вода, просочившись через раскаленные мантийные породы, нагревается и растворяет в себе многочисленные минералы. Эти соли, смешавшись с океанской водой, в результате химической реакции образуют взвесь мельчайших кристалликов. Поэтому кажется что такой источник "дымит" под водой. Цвет "дыма" зависит от его состава - при преобладании кристаллов солей кальция "дым" белого цвета, железа - черного и.т.д. Температура воды в таком источнике достигает 300 - 350 градусов Цельсия. Растворенные минералы служат пищей для многочисленных термофильный бактерий, которые не боятся жить в таком кипятке. Бактериями питаются черви, рачки и моллюски, червями, рачками и моллюсками - рыбы. Это настоящий оазис на дне океана!

Для нас важно то, что это то самое место, где океанская вода (с высоким водородным потенциалом pH) смешивается с щелочной водой, выходящей из земных недр(с низким pH). Происходящая химическая реакция идет с выделением энергии. Таким образом, хитрющий LUCA мог жить в зоне перемешивания этих двух растворов, питаясь даровой энергией. Для этого ему следовало бы обладать "дырявой" мембраной, чтобы окружающие растворы могли свободно проникать внутрь, а смешавшись, покидать клетку. Расчеты, представленные в журнале PLoS Biology, показывают, что в результате этого процесса LUCA вполне хватало бы энергии на выработку АТФ.

Напоминание динозавра. АТФ (аденозинтрифосфат) - является универсальным топливом клетки. Для высвобождения энергии АТФ гидролизуется, отщепляя фосфорный остаток, превращаясь в АДФ (аденозиндифосфат). При этом выделяется довольно значительная энергия - до 60 кДж/моль АТФ. Для сравнения: для нагрева 1 моля воды на 1 градус требуется 75.6 Дж. Простой подсчет показывает, что химической энергии АТФ с лихвой хватит, чтобы расплавить из льда, нагреть и вскипятить эквивалентное количество воды! Ведь клетке, кроме поддержания электрического потенциала, приходится делать еще кучу дел! Это и строительство белков, и работы, связанные с репликацией генетического материала и много еще чего...

Но за простоту приходится платить. Все дело в том, что этот минеральный "рай" чрезвычайно мал. Чтобы вырваться из его узких тисков, потомкам LUCA пришлось "изобрести" те самые протонные насосы. Естественно, и археи и бактерии "изобрели" разные машины, действующие на одном принципе. Вот как они разошлись на филогенетическом древе...