Как узнать, какой была жизнь на Земле до древнейшего известного предка?

Все живые организмы на Земле восходят к одному общему предку, существовавшему около четырех миллиардов лет назад. Ученые называют этот организм последним универсальным общим предком, и он знаменует собой самую древнюю точку в эволюционной истории, которую теперь есть возможность изучить с помощью современных методов.

Исследования показывают, что многие черты, характерные для современной жизни, уже существовали, включая защитную клеточную мембрану и геном, состоящий из ДНК. Поскольку эти основные признаки уже были сформированы к тому времени, то для того, чтобы понять, как зародилась жизнь, необходимо обратиться к еще более ранним эволюционным событиям, произошедшим до существования этого общего предка.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Cell Genomics, ученые описывают подход к изучению этого более раннего этапа истории жизни. Хотя последний общий предок является самым древним организмом, который мы можем изучать эволюционными методами, некоторые гены в его геноме были намного старше. Команда исследователей сосредоточилась на особой категории генов, называемых «универсальными паралогами», — они сохраняют свидетельства биологических изменений, произошедших до последнего общего предка.

Паралог — это группа родственных генов, которые встречаются несколько раз в одном и том же геноме. Например, у человека существует восемь различных генов гемоглобина, и все они производят белки, транспортирующие кислород по кровотоку. Эти гены произошли от одного предкового гена глобина, существовавшего около 800 миллионов лет назад. Со временем ошибки копирования во время репликации ДНК создали дополнительные версии гена, и каждая копия постепенно приобрела уникальные характеристики.

Универсальные паралоги встречаются гораздо реже. Это семейства генов, которые присутствуют как минимум в двух копиях почти у каждого живого организма на Земле. Такое широкое распространение свидетельствует о том, что первоначальная дупликация гена произошла до появления последнего общего универсального предка. Обе копии затем передавались из поколения в поколение, сохраняясь на протяжении миллиардов лет эволюции.

Поэтому авторы исследования утверждают, что универсальные паралоги представляют собой мощный, но недооцененный способ изучения самых ранних стадий жизни на Земле. И он становится все более важным по мере того, как достижения в области искусственного интеллекта и специализированного вычислительного оборудования позволяют анализировать древние генетические закономерности с большей точностью.

Хотя известно очень мало универсальных паралогов, они могут дать много информации о том, какой была жизнь до времени последнего общего предка. В исследовании были проанализированы все известные на данный момент универсальные паралоги. Все эти гены участвуют либо в синтезе белков, либо в транспортировке молекул через клеточные мембраны. Это позволяет предположить, что производство белков и мембранный транспорт были одними из самых первых биологических функций, возникших в процессе эволюции.

Исследователи также подчеркивают важность реконструкции первоначальных форм этих древних генов. В качестве примера они изучили универсальное семейство паралогов, которое помогает встраивать ферменты и другие белки в клеточные мембраны. Команда воссоздала белок, продуцируемый исходным предковым геном. Анализ показал, что этот более простой, древний белок все еще мог прикрепляться к клеточным мембранам и взаимодействовать с механизмами, которые синтезируют белки. Вероятно, он способствовал внедрению ранних, базовых белков в примитивные клеточные мембраны, что позволяет понять, как могли функционировать ранние клетки.

Авторы работы надеются, что дальнейшее совершенствование вычислительных инструментов позволит выявить дополнительные семейства универсальных паралогов и изучить древних предков еще более подробно. Их цель — составить более ясную картину эволюции до последнего общего предка, пролив свет на момент, когда жизнь в том виде, в каком мы её знаем, начала формироваться.