В огромной истории Земли миллиарды лет назад засушливый ландшафт с вулканами и мелкими водоемами мог стать свидетелем зарождения чего-то необычного — жизни. Однако, как и когда появился генетический код, объединяющий все живые организмы, остается загадкой, окутанной научными спорами.
Новое исследование, проведенное под руководством Савсана Вехби, докторанта Аризонского университета, сотрясает основы классических теорий об эволюции генетического кода. Исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), бросает вызов традиционной модели развития этого «универсального языка» и предлагает новый взгляд на этапы эволюции строительных блоков жизни, какими мы их знаем.
Генетический код — это, по словам Джоанны Масел, соавтора исследования и профессора экологии и эволюционной биологии, поразительно сложный и удивительно эффективный процесс. Эта система преобразует последовательности ДНК или РНК в белки с помощью 20 специфических аминокислот, и ее оптимизация для выполнения различных функций делает ее чудом молекулярной биологии. Но этот «язык» возник не в одночасье. Эволюция генетического кода происходила поэтапно, и этот процесс, по мнению Вехби и ее команды, гораздо сложнее, чем предполагалось ранее.
Авторы исследования пришли к выводу, что на ранних стадиях примитивная жизнь предпочитала более мелкие и простые аминокислоты. По мере эволюции генетического кода в него включались более крупные и сложные молекулы. Удивительно, но аминокислоты, взаимодействующие с металлами, такие как цистеин, появились гораздо раньше, чем предполагалось ранее.
Более того, исследователи предполагают, что нынешний генетический код является результатом выживания одного из нескольких примитивных генетических кодов, ныне вымерших. Это поднимает увлекательные вопросы о биологических системах, которые предшествовали нашей «современной версии» жизни.
Один из самых ярких аспектов этого исследования — критика исторических экспериментов, которые сформировали общепринятый взгляд на происхождение жизни. Знаменитый эксперимент Миллера-Юри 1952 года, продемонстрировавший, как органические молекулы могут образовываться из неорганических соединений в смоделированных условиях ранней Земли, играет центральную роль в дебатах.
Хотя эксперимент был новаторским, в нем не удалось получить серосодержащие аминокислоты — элемент, в изобилии присутствовавший в первобытных океанах. Это упущение заставило ученых предположить, что серосодержащие аминокислоты, такие как метионин, были включены в код на более поздних стадиях. Однако в исследовании Вехби утверждается, что этот вывод недооценивает раннюю роль серы в химии жизни, учитывая, что этот элемент был намеренно исключен из эксперимента.
По словам Данте Лауретты, соавтора исследования и эксперта по планетарным наукам, богатство серы в ранних организмах может иметь решающее значение для понимания возможных внеземных форм жизни. На таких планетах, как Марс, Энцелад или Европа, где в изобилии присутствуют соединения серы, это может помочь нам в поисках жизни, выявив схожие биогеохимические циклы или аналогичные микробные метаболизмы, пояснил Лауретта.
Чтобы проследить эволюцию генетического кода, команда использовала инновационный подход, сосредоточившись на белковых доменах, а не на полных последовательностях. Домены, похожие на колеса автомобиля, — это детали многоразового использования, которые существовали задолго до появления более сложных структур белков.
Используя современные статистические инструменты, исследователи проанализировали последовательности аминокислот из последнего универсального общего предка (LUCA) — гипотетического организма, жившего около 4 миллиардов лет назад, от которого произошли все современные формы жизни. Этот анализ показал, что некоторые аминокислоты, особенно со структурой ароматического соединения, такие как триптофан и тирозин, присутствуют в генетических кодах более древних организмов, чем LUCA.
Один из самых интригующих выводов исследования заключается в том, что примитивная жизнь, похоже, предпочитала аминокислоты с ароматическими соединениями. Эти молекулы, хотя и были добавлены в репертуар современного генетического кода поздно, занимали видное место в более ранних, ныне исчезнувших кодах. По словам Масела, это открытие указывает на существование других генетических кодов, исчезнувших с течением геологического времени.
Эти находки дают подсказки о биологических системах, которые существовали до нас и больше не существуют, пояснила она. Захватывает мысль о том, что эволюция экспериментировала с различными кодами, прежде чем пришла к тому, который сегодня используют все живые организмы.
Такое переосмысление происхождения жизни бросает вызов линейному восприятию эволюции, показывая гораздо более динамичный путь, полный экспериментов и адаптаций, потерянных во времени. Оглядываясь назад, за пределы LUCA, ученые начинают открывать богатый гобелен эволюционных возможностей, которые могут пересмотреть наше понимание универсальной биологии.
