Viața de pe Pământ ar fi putut apărea de două ori. Ce spune, de fapt, noul studiu despre originea bacteriilor și arheelor

Viața de pe Pământ ar putea avea o istorie mai complicată decât sugerează imaginea clasică a unui singur început. Un studiu publicat în Science Advances propune că trecerea de la chimia neînsuflețită la un metabolism complet autonom nu s-ar fi produs o singură dată, ci separat pe cele două mari ramuri care au dus la bacterii și arhee. 

Viața de pe Pământ ar fi putut apărea de două ori. Foto arhivă

Concluzia este una spectaculoasă, dar trebuie înțeleasă cu o precizare importantă: cercetătorii nu spun că au existat două forme complet independente de viață și nici că au existat doi strămoși universali. Modelul propus păstrează un strămoș comun, LUCA, dar sugerează că acesta nu avea încă metabolismul complet autonom al celulelor moderne. Etapele finale ale construirii acestui metabolism s-ar fi produs separat, după despărțirea celor două linii evolutive.

Întrebarea de la care pornește totul

Una dintre cele mai dificile probleme din biologie este să explicăm cum a apărut prima celulă.

Pământul are aproximativ 4,5 miliarde de ani, iar cele mai vechi dovezi ale vieții datează de miliarde de ani. Între chimia simplă a planetei tinere și primele organisme capabile să se întrețină singure există însă un salt enorm.

O celulă vie are nevoie de energie și de o serie întreagă de reacții chimice pentru a produce moleculele necesare creșterii și reproducerii. Aceste reacții alcătuiesc metabolismul.

Problema este că, în organismele actuale, metabolismul este controlat în mare măsură de enzime. Iar enzimele sunt produse de organisme.

Cum au funcționat, atunci, primele reacții metabolice înainte ca celulele să dispună de sistemele enzimatice sofisticate pe care le cunoaștem astăzi?

Noul studiu încearcă să răspundă tocmai acestei întrebări.

Aproape 400 de reacții chimice au trebuit să fie puse în mișcare

Metabolismul celular nu este o singură reacție, ci o rețea enormă de transformări chimice.

Autorii estimează că rețeaua metabolică centrală implicată în producerea unor molecule fundamentale pentru viață cuprinde aproximativ 400 de reacții. Este vorba despre reacții care duc la formarea unor componente precum aminoacizii, nucleotidele și cofactorii. 

O asemenea rețea nu putea apărea instantaneu.

Ipoteza cercetătorilor este că, la început, o parte dintre reacțiile chimice puteau fi favorizate de minerale și metale prezente în mediul geologic. Cu timpul, unele dintre aceste reacții au ajuns să fie preluate și eficientizate de enzime.

Cu alte cuvinte, ceea ce astăzi face o proteină în interiorul unei celule ar fi putut fi făcut, într-o formă mult mai simplă, de mediul geochimic în care se afla protocelula.

Izvoarele hidrotermale, laboratorul natural

Un astfel de mediu ar putea fi reprezentat de izvoarele hidrotermale alcaline de pe fundul oceanelor.

Aceste sisteme sunt de mult timp una dintre ipotezele importante privind originea metabolismului. Ele oferă hidrogen, dioxid de carbon, minerale și metale care pot participa la reacții chimice. Modelele dezvoltate de William Martin și Michael Russell au propus de mai mult timp că astfel de medii ar fi putut furniza condițiile necesare pentru apariția primelor procese biochimice. 

Noul studiu merge mai departe și încearcă să urmărească, pornind de la genomurile organismelor actuale, felul în care s-ar fi construit treptat rețeaua metabolică.

Cercetătorii au analizat enzimele implicate în metabolismul bacteriilor și arheelor și au încercat să stabilească ordinea în care diferitele componente ale acestei rețele ar fi apărut.

Rezultatul este esențial pentru ipoteza lor: metabolismul ultimului strămoș comun universal ar fi fost incomplet, iar completarea lui s-ar fi produs separat în cele două ramuri.

Bacteriile și arheele au mers pe drumuri diferite

Bacteriile și arheele sunt două dintre cele mai vechi și mai importante ramuri ale vieții celulare.

Deși au în comun elemente fundamentale ale biologiei și descind dintr-un trecut comun, ele prezintă diferențe profunde în ceea ce privește structura celulară și biochimia. Studiile asupra metabolismului lor au evidențiat de multă vreme această separare profundă. 

Noua ipoteză folosește tocmai aceste diferențe.

Dacă anumite enzime metabolice esențiale nu provin dintr-un singur set de enzime moștenit de la un strămoș comun, atunci există posibilitatea ca ele să fi apărut independent pe cele două ramuri.

Scenariul propus ar fi, simplificat, următorul:

chimie geologică → protocelule dependente de mediul înconjurător → apariția unor enzime primitive → dezvoltarea progresivă a metabolismului → celule autonome.

Punctul controversat este ultima parte. Potrivit studiului, bacteriile și arheele ar fi ajuns la această autonomie metabolică pe căi separate.

Atunci viața chiar a apărut de două ori?

Aici apare cea mai importantă nuanță.

În sensul obișnuit al cuvântului, nu avem dovezi că pe Pământ au existat două apariții complet independente ale vieții, care ulterior s-au întâlnit.

Cercetătorii păstrează ideea unui strămoș comun al vieții actuale. LUCA – Last Universal Common Ancestor, sau ultimul strămoș universal comun – rămâne punctul comun din istoria evolutivă a organismelor moderne.

Noutatea este interpretarea naturii lui LUCA.

Dacă metabolismul autonom este considerat o condiție indispensabilă pentru existența vieții, atunci autorii susțin că LUCA nu reprezenta încă o celulă complet autonomă în sensul modern. Avea componente genetice și procese metabolice, dar depindea într-o măsură mai mare de chimia mediului.

Din această perspectivă, „viața” în sensul unui sistem celular capabil să-și producă singur componentele metabolice esențiale ar fi apărut de două ori: o dată pe linia bacteriilor și o dată pe linia arheelor.

Este o diferență de interpretare cu implicații importante. Nu vorbim despre doi LUCA, ci despre o singură istorie genetică timpurie urmată de două procese de autonomizare metabolică.

De ce contează metabolismul?

Metabolismul este mai mult decât un set de reacții chimice.

O celulă trebuie să poată obține energie din mediul înconjurător și să folosească această energie pentru a produce și menține structurile de care are nevoie. Fără acest flux de energie și materie, sistemul nu se poate întreține.

Tocmai de aceea, autorii tratează metabolismul drept o componentă fundamentală a vieții.

Această perspectivă rezolvă și o parte din paradoxul originilor: în loc să presupunem că o celulă modernă, cu toate enzimele sale, a apărut dintr-o dată, putem imagina o tranziție graduală în care mediul a făcut inițial o parte din munca pe care ulterior au preluat-o moleculele biologice.

Ce rol au avut metalele?

Unul dintre aspectele interesante ale studiului este rolul atribuit metalelor.

În scenariul propus, reacțiile metabolice timpurii nu ar fi depins de la început de enzimele complexe ale organismelor moderne. Metalele prezente în mediul hidrotermal ar fi putut cataliza unele dintre reacțiile necesare.

Pe măsură ce sistemele prebiotice și apoi celulele primitive au evoluat, enzimele ar fi preluat progresiv aceste funcții.

În acest fel, apariția metabolismului nu mai este văzută ca un salt de la zero la o rețea de sute de reacții, ci ca o succesiune de înlocuiri: catalizatori geologici au fost înlocuiți treptat de catalizatori biologici.

Această idee se potrivește cu cercetări mai vechi asupra originii biochimiei în sistemele hidrotermale alcaline, unde metalele și reacțiile dintre apă și rocă joacă un rol central. 

Și ATP-ul are o problemă

Una dintre cele mai mari dificultăți în scenariile privind originea metabolismului este ATP-ul, principala monedă energetică folosită de celulele moderne.

ATP-ul permite transferul de energie necesar pentru numeroase reacții biologice. Dar producerea și utilizarea sa în celulele actuale implică sisteme enzimatice complexe.

De aici apare întrebarea: ce a folosit un sistem prebiotic pentru a stoca și transfera energia înainte de apariția acestor mecanisme?

Studiul discută posibilitatea ca forme primitive ale chimiei fosforului și reacțiile favorizate de mediile hidrotermale să fi oferit soluții pentru această problemă. Fosfitul, de exemplu, apare în mod natural în roci asociate cu procese de serpentinizare și este considerat un posibil participant la chimia prebiotică a fosforului. Aceasta nu înseamnă că problema este rezolvată. Este însă o piesă suplimentară în scenariul prin care metabolismul ar fi putut deveni treptat independent de geochimia mediului.