Nowe odkrycia o „ostatnim uniwersalnym wspólnym przodku”
Stworzenie, które dało początek wszystkim żywym istotom - istniało znacznie wcześniej niż dotychczas sądzono


Jerry A. Coyne 2024-08-06

Źródło zdjęcia: https://www.newscientist.com/article/mg24132120-300-in-the-beginning-the-full-story-of-life-on-earth-can-finally-be-told/
Źródło zdjęcia: https://www.newscientist.com/article/mg24132120-300-in-the-beginning-the-full-story-of-life-on-earth-can-finally-be-told/

Autorzy nowego artykułu z „Nature Ecology & Evolution” użyli sprytnej techniki do oszacowania wieku „LUCA” [last universal common ancestor], „ostatniego uniwersalnego wspólnego przodka” wszystkich żywych istot. LUCA jest pierwszym stworzeniem, którego potomkami są wszystkie żyjące gatunki: przodkiem nas wszystkich. Datują oni LUCA na około 4,2 miliarda lat temu! To o wiele więcej, niż ludzie myśleli. Poprzednie szacunki wynosiły 3,5-3,8 miliona lat, po słynnym „Wielkim Bombardowaniu” (LHB – late heavy bombardment), podczas którego Ziemia była nieustannie bombardowana asteroidami i kometami. Zakładano, że nic żywego na Ziemi nie mogło przetrwać tych uderzeń. Ale jeśli autorzy mają rację, przodkowie LUCA przetrwali to, ponieważ 4,2 miliarda lat to prawdopodobnie duże niedoszacowanie czasu, w którym zaczęło się życie na Ziemi.

Najwcześniejsze powszechnie akceptowane  dowody kopalne na istnienie życia pochodzą sprzed około 3,7 miliona lat i opierają się na izotopach, które, jak sądzą naukowcy, mogły zostać wytworzone tylko przez żywe istoty. Jednak najwcześniejsze prawdziwe skamieniałe organizmy występują nieco później: skamieniałe sinice („stromatolity”), których skamieniałości sięgają 3,5 miliona lat wstecz.


Nowy artykuł autorstwa Moody'ego i in., któremu towarzyszy krótki opis badań (kliknij na link pod zrzutem ekranu poniżej, aby uzyskać dostęp, lub znajdź plik PDF tutaj ), przesuwa wiek LUCA do 4,2 miliarda lat temu, co w rzeczywistości poprzedza LHB. A nowa data dla LUCA pojawia się wkrótce po faktycznym uformowaniu się Ziemi (około 4,54 miliarda lat temu) i po powstaniu Księżyca, prawdopodobnie w wyniku uderzenia ogromnej planety wielkości Marsa w Ziemię i wyrzucenia szczątków, które skonsolidowały się, tworząc nasz Księżyc. (Stało się to wkrótce po uformowaniu się Ziemi). Z pewnością żadne życie nie mogło przetrwać tej kolizji, więc jeśli autorzy mają rację, minęło tylko około 0,3 miliarda lat, czyli 300 milionów lat od uformowania się Ziemi, zanim pojawiło się życie.


Ale LUCA nie było pierwszym życiem na Ziemi: to po prostu bakteriopodobny gatunek organizmu, który dał początek wszystkim żywym istotom. Życie z pewnością powstało przed tym, a nowy artykuł sugeruje, że LUCA sprzed 4,2 miliarda lat był tylko jedną z wielu form życia istniejących w tamtym czasie, a reszta wyginęła, nie pozostawiając potomków. Autorzy uważają tak, ponieważ LUCA prawdopodobnie potrzebował złożonych związków węgla, aby żyć, i prawdopodobnie zapewniał nisze dla innych stworzeń. Oznacza to, że samo życie zaczęło się na długo przed LUCA, szczególnie dlatego, że na podstawie jego genomu autorzy dochodzą do wniosku, że LUCA był dość złożony — mniej więcej tak złożony, jak współczesne bakterie. Z pewnością zajęłoby miliony lat ewolucji, aby dojść do punktu, w którym mogłoby istnieć stworzenie podobne do LUCA. Zobacz poniżej diagram przedstawiający, jaki był LUCA.


Najważniejszą lekcją z artykułu jest to, że życie zaczęło się bardzo, bardzo szybko po tym, jak Ziemia ostygła, a pył opadł po Wielkim Bombardowaniu i odłupaniu Księżyca. Jeśli tak jest, to być może życie na innych planetach mogłoby ewoluować łatwiej, niż myśleliśmy.


Ale przejdźmy do artykułu. Jeśli chcesz przeczytać całość, kliknij na pierwszy link, a drugi zawiera dwustronicowe streszczenie. To bardzo skomplikowany i długi artykuł, więc pochwalcie mnie za przeczytanie go dwa razy, aby go tutaj streścić. Nie mogę jednak twierdzić, że wszystko zrozumiałem, ponieważ analiza danych, a nawet metodologia, są dość tajemnicze i wyrafinowane.


https://www.nature.com/articles/s41559-024-02461-1?utm_source=Live+Audience&utm_campaign=f8586bf0ce-nature-briefing-daily-20240715&utm_medium=email&utm_term=0_b27a691814-f8586bf0ce-51471192
https://www.nature.com/articles/s41559-024-02461-1?utm_source=Live+Audience&;utm_campaign=f8586bf0ce-nature-briefing-daily-20240715&utm_medium=email&utm_term=0_b27a691814-f8586bf0ce-51471192

Dwustronicowe streszczenie z tego samego pisma:


https://www.nature.com/articles/s41559-024-02474-w
https://www.nature.com/articles/s41559-024-02474-w

Dlaczego uważamy, że całe życie pochodzi od jednego gatunku, zamiast od wielu? Ponieważ wszystkie żywe istoty mają pewne podobieństwa, które prawdopodobnie odzwierciedlają działanie przypadku: mutacje, jakie dały początek naszemu przodkowi. W artykule wyjaśniono:

Wspólne pochodzenie wszystkich istniejących form życia komórkowego jest potwierdzone uniwersalnym kodem genetycznym, mechanizmem syntezy białek, wspólną chiralnością niemal uniwersalnego zestawu 20 aminokwasów [JAC : wszystkie aminokwasy używane u współczesnych stworzeń są w formie L, a nie D] i wykorzystaniem ATP jako wspólnej waluty energetycznej. Ostatni uniwersalny wspólny przodek (LUCA) jest węzłem na drzewie życia, od którego rozchodzą się podstawowe domeny prokariotyczne (archeony i bakterie). Zatem nasze zrozumienie LUCA wpływa na nasze zrozumienie wczesnej ewolucji życia na Ziemi.

Naukowcy zazwyczaj szacują LUCA, wykorzystując datowanie molekularne oparte na rozbieżności DNA wśród organizmów żywych. Ponieważ istnieje „zegar molekularny”, w którym DNA zmienia się mniej więcej liniowo w czasie, można obliczyć wstecz od żywych stworzeń, aby oszacować, kiedy ich sekwencje DNA zbiegną się w jedną sekwencję, która będzie sekwencją DNA LUCA. Ale są z tym poważne problemy, co sprawia, że szacunki oparte na DNA są kontrowersyjne. Ale autorzy znaleźli sposób na obejście tego.


Oszacowali czasy dywergencji wszystkich żywych stworzeń (ze względów praktycznych użyli bakterii [prokariontów] i archeonów, organizmów podobnych do bakterii, które tworzą własne królestwo) przy użyciu ZDUPLIKOWANYCH GENÓW. Są to geny, które, śledząc sekwencje żywych organizmów wstecz, zostały już zduplikowane w LUCA. Geny często ulegają duplikacji podczas podziału komórki lub (w organizmach płciowych) mejozy, więc pojedynczy gen może teraz występować w dwóch kopiach. Te dwie kopie będą początkowo identyczne, ale następnie, będąc genetycznie niezależne, zaczną się rozchodzić poprzez mutację, a następnie selekcję lub dryf. (Przykładami zduplikowanych genów są różne formy globin u ludzi, z których dwie, alfa i beta, wytwarzają produkty, które łączą się, tworząc hemoglobinę. Ale wiele, wiele genów uległo duplikacji w historii życia.)


Gen, który jest duplikowany (na podstawie podobieństwa sekwencji) w LUCA, musiał być obecny u przodka LUCA i duplikować się przed powstaniem LUCA. Tak więc oszacowanie wieku duplikowanego genu w LUCA daje nam dolną granicę wieku samego LUCA. A ponieważ niektóre geny są już duplikowane w LUCA, możemy ich użyć, w połączeniu z zegarem molekularnym (i innymi statystykami), aby oszacować, ile czasu zajęło każdej kopii, aby dać początek różnorodności sekwencji DNA w kopiach potomnych u współczesnych mikrobów. Zaletą jest to, że mamy dwie oszacowane sekwencje DNA w LUCA, które zaczęły się identycznie, ale następnie rozeszły się w czasie ewolucji. Daje nam to dwie szanse na oszacowanie wieku stworzenia. Używając innych metod, możemy oszacować, ile genów było w LUCA, rozmiar jego genomu i jakie geny posiadał. To ostatnie może nam następnie dać pojęcie o tym, jakim było stworzeniem i jak żyło.


Oto wyniki w skrócie:


a.) LUCA żył około 4,2 miliarda lat temu. Oto zrekonstruowana filogeneza (zauważ, że istnieją dwa oszacowania jego wieku, ponieważ wykorzystują dwie kopie każdego z pięciu genów wybranych do oszacowania wieku). Po prawej stronie znajdują się wszystkie królestwa organizmów żywych, prześledzone do LUCA. Wykorzystanie dwóch kopii genów daje podobne szacunki, około 4,2 miliarda lat temu. Zakreśliłem dwa oszacowania LUCA, które dochodzą do podobnego wieku (patrz skala wieku u góry dla czasów rozejścia się):


(From paper): Our results suggest that LUCA lived around 4.2 Ga, with a 95% confidence interval spanning 4.09–4.33 Ga under the ILN relaxed-clock model (orange) and 4.18–4.33 Ga under the GBM relaxed-clock model (teal). Under a cross-bracing approach, nodes corresponding to the same species divergences (that is, mirrored nodes) have the same posterior time densities. This figure shows the corresponding posterior time densities of the mirrored nodes for the last universal, archaeal, bacterial and eukaryotic common ancestors (LUCA, LACA, LBCA and LECA, respectively); the last common ancestor of the mitochondrial lineage (Mito-LECA); and the last plastid-bearing common ancestor (LPCA). Purple stars indicate nodes calibrated with fossils. Arc, Archaea; Bac, Bacteria; Euk, Eukarya.
(From paper): Our results suggest that LUCA lived around 4.2 Ga, with a 95% confidence interval spanning 4.09–4.33 Ga under the ILN relaxed-clock model (orange) and 4.18–4.33 Ga under the GBM relaxed-clock model (teal). Under a cross-bracing approach, nodes corresponding to the same species divergences (that is, mirrored nodes) have the same posterior time densities. This figure shows the corresponding posterior time densities of the mirrored nodes for the last universal, archaeal, bacterial and eukaryotic common ancestors (LUCA, LACA, LBCA and LECA, respectively); the last common ancestor of the mitochondrial lineage (Mito-LECA); and the last plastid-bearing common ancestor (LPCA). Purple stars indicate nodes calibrated with fossils. Arc, Archaea; Bac, Bacteria; Euk, Eukarya.

b.) LUCA miał duży genom i wiele genów. Autorzy szacują, że genom LUCA miał 2,75 miliona par zasad DNA, zdolnych do wytworzenia 2657 białek (niedoszacowanie liczby genów). To duży i złożony organizm, porównywalny do istniejących bakterii. (Współczesne E. coli wytwarzają około 4288 białek z 4,6 miliona par zasad). Ta złożoność pokazuje, że nawet LUCA był poprzedzony długim okresem ewolucji.


c.) LUCA prawdopodobnie był beztlenowym i autotroficznym stworzeniem, co oznacza, że nie potrzebował tlenu do wzrostu i rozkwitu, a także, że produkował własne „pożywienie”, pobierając energię z substancji takich jak wodór i dwutlenek węgla. Autorzy sugerują dwa miejsca, w których takie stworzenie mogło żyć: w ciepłych kominach hydrotermalnych w oceanie lub na powierzchni oceanu, gdzie miałoby wystarczający dostęp do gazów stanowiących jego pożywienie. Nie było dowodów na to, że organizm był fotosyntetyczny, ponieważ brakowało mu genów zaangażowanych w nowoczesną fotosyntezę.


Oto szkicowy diagram tego, jakie geny miał LUCA (zauważ „system odpornościowy”, oparty na genach podobnych do CRISPR, które służą do niszczenia wirusów. LUCA prawdopodobnie miał również problem z wirusami!) Rysunek b) pokazuje nam, jak LUCA wpasowuje się w drzewo życia:


(From paper): a, A representation of LUCA based on our ancestral gene content reconstruction. Gene names in black have been inferred to be present in LUCA under the most-stringent threshold (PP = 0.75, sampled in both domains); those in grey are present at the least-stringent threshold (PP = 0.50, without a requirement for presence in both domains). b, LUCA in the context of the tree of life. Branches on the tree of life that have left sampled descendants today are coloured black, those that have left no sampled descendants are in grey. As the common ancestor of extant cellular life, LUCA is the oldest node that can be reconstructed using phylogenetic methods. It would have shared the early Earth with other lineages (highlighted in teal) that have left no descendants among sampled cellular life today. However, these lineages may have left a trace in modern organisms by transferring genes into the sampled tree of life (red lines) before their extinction. c, LUCA’s chemoautotrophic metabolism probably relied on gas exchange with the immediate environment to achieve organic carbon (Corg) fixation via acetogenesis and it may also have run the metabolism in reverse.
(From paper): a, A representation of LUCA based on our ancestral gene content reconstruction. Gene names in black have been inferred to be present in LUCA under the most-stringent threshold (PP = 0.75, sampled in both domains); those in grey are present at the least-stringent threshold (PP = 0.50, without a requirement for presence in both domains). b, LUCA in the context of the tree of life. Branches on the tree of life that have left sampled descendants today are coloured black, those that have left no sampled descendants are in grey. As the common ancestor of extant cellular life, LUCA is the oldest node that can be reconstructed using phylogenetic methods. It would have shared the early Earth with other lineages (highlighted in teal) that have left no descendants among sampled cellular life today. However, these lineages may have left a trace in modern organisms by transferring genes into the sampled tree of life (red lines) before their extinction. c, LUCA’s chemoautotrophic metabolism probably relied on gas exchange with the immediate environment to achieve organic carbon (Corg) fixation via acetogenesis and it may also have run the metabolism in reverse.

d.) LUCA był częścią społeczności innych organizmów. Nie jest do pomyślenia, aby LUCA, który był wyrafinowanym organizmem, mógł żyć bez źródła związków organicznych (takich jak aminokwasy) do wykorzystania do budowy swojego ciała (pamiętaj, że te związki organiczne nie były „pożywieniem”, ale materiałem konstrukcyjnym). Ponadto LUCA sam dostarczał związków organicznych, które tworzyłyby nisze dla innych gatunków. (Prawdopodobnie istniały już wirusy, które nie są dobrymi kandydatami na stworzenie podobne do LUCA). Filogeneza na rysunku (b) powyżej pokazuje, jak LUCA pasowałby do drzewa życia, dając początek wszystkim współczesnym stworzeniom poprzez wydarzenia specjacyjne, ale sam byłby również częścią wcześniejszego drzewa genealogicznego, którego wszyscy członkowie oprócz LUCA wymarli bez pozostawienia potomków.


Oto cztery główne wnioski z artykułu, z których dla mnie najbardziej interesujący jest ten, jak krótki był czas od uformowaniu się Ziemi do ewolucji złożonego życia. A wiek LUCA jest NIEDOSZACOWANIEM czasu, jaki zajęło złożonemu życiu ewoluowanie po tym, jak warunki na Ziemi były odpowiednie do takiej ewolucji.


Zakończę własnymi wnioskami autorów, które są wystarczająco jasne dla laika (pogrubienie moje)

Wnioski :

Traktując obecność genów probabilistycznie, nasza rekonstrukcja mapuje o wiele więcej genów (2657) na LUCA niż poprzednie analizy i skutkuje oszacowaniem rozmiaru genomu LUCA (2,75 Mb), który mieści się w zakresie współczesnych prokariontów. Rezultatem jest obraz organizmu komórkowego, który był raczej prokariotyczny niż progeniczny [JAC: nie posiadającym cech prokariotycznych, które miał LUCA] i który prawdopodobnie istniał jako składnik ekosystemu, wykorzystując WLP [JAC: szlak Wooda-Ljungdahla do wytwarzania energii, na bazie wodoru i dwutlenku węgla] do wzrostu acetogenicznego [JAC: wytwarzanie octanu jako produktu metabolizmu beztlenowego] i wiązania węgla. Nie możemy użyć filogenetyki do rekonstrukcji innych członków tego wczesnego ekosystemu, ale możemy wnioskować o ich fizjologii na podstawie metabolizmu LUCA. Sposób, w jaki przebiegała ewolucja od powstania życia do powstania wczesnych społeczności w czasach LUCA, pozostaje otwartym pytaniem, ale szacowany wiek LUCA (~4,2 mld lat temu) w porównaniu z początkami Ziemi i Księżyca sugeruje, że proces ten wymagał zaskakująco krótkiego okresu czasu geologicznego.

Och, autorzy sugerują intrygującą możliwość, że gdybyśmy potrafili zrekonstruować sekwencję DNA LUCA — co nie wykracza poza sferę możliwości — to być może moglibyśmy stworzyć w laboratorium organizm podobny do LUCA i zobaczyć, jak wyglądał nasz przodek!

 

Link do oryginału: https://whyevolutionistrue.com/2024/07/17/new-paper-puts-the-last-universal-common-ancestor-the-creature-that-gave-rise-to-all-living-things-much-earlier-than-previously-thought-4-2-billion-years/

Why Evolution Is True, 17 lipca 2024

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska



Jerry A. Coyne

Emerytowany profesor na wydziale ekologii i ewolucji University of Chicago, jego książka "Why Evolution is True" (Polskie wydanie: "Ewolucja jest faktem", Prószyński i Ska, 2009r.) została przełożona na kilkanaście języków, a przez Richarda Dawkinsa jest oceniana jako najlepsza książka o ewolucji.  Jerry Coyne jest jednym z najlepszych na świecie specjalistów od specjacji, rozdzielania się gatunków. Jest również jednym ze znanych "nowych ateistów" i autorem (wydanej również po polsku przez wydawnictwo "Stapis") książki "Faith vs Fakt". Jest wielkim miłośnikiem kotów i osobistym przyjacielem redaktor naczelnej.