Biologen kämpfen immer noch mit dem Geheimnis des Ursprungs des Lebens auf der Erde. Es ist notwendig zu verstehen, wie primitive Bakterien und andere Lebensformen entstanden sind. Über den Vorläuferorganismus ist wenig bekannt, aber die Genomik ermöglicht es uns, etwas über die ältesten Kreaturen herauszufinden, die die Welt zu Beginn ihrer Existenz bewohnten. "Lenta.ru" erzählt von einem Artikel in der Zeitschrift Nature, in dem die Autoren versuchen, die Frage zu beantworten, wer LUCA (letzter universeller gemeinsamer Vorfahr) war. Luca ist der universelle gemeinsame Vorfahr aller modernen Organismen.
Es gab noch keine drei Lebensbereiche (Superkönigreiche) - Bakterien, Archaeen und Eukaryoten, aber er existierte bereits. Dieser Organismus ist eine Zwischenverbindung zwischen der leblosen Umgebung der frühen Erde und den ersten Mikroben, die vor 3,8 bis 3,5 Milliarden Jahren in Gesteinen lebten. Es ist nicht bekannt, wie Luke aussah und unter welchen Bedingungen er lebte. Wissenschaftler haben wie Detektive Stück für Stück ihre Grundzüge rekonstruiert. Wir gingen von folgendem Prinzip aus: Da Lukas der Vorfahr aller lebenden Organismen ist, bedeutet dies, dass sie einige Merkmale von ihm geerbt haben. Basierend auf den biologischen Eigenschaften, die jedem Lebewesen innewohnen, haben Biologen ein Porträt von Luke erstellt: einen einzelligen Organismus, der einem Bakterium ähnelt.
Eine neue Studie deutscher Wissenschaftler ermöglichte es, die interne Organisation des universellen Vorfahren zu klären. Wissenschaftler haben festgestellt, welche Gene Lukes DNA enthalten könnten. Zu diesem Zweck verwendeten sie einen phylogenetischen Ansatz, analysierten mit anderen Worten die evolutionären Beziehungen zwischen verschiedenen Arten von Leben auf der Erde. Dies wurde auf folgende Weise durchgeführt. Nachdem Biologen festgestellt hatten, welche Proteine vom prokaryotischen Genom kodiert werden, wählten sie diejenigen aus, die mehrere Kriterien erfüllten. Erstens muss das Protein in den höheren Taxa sowohl von Bakterien als auch von Archaeen vorhanden sein. Zweitens, wenn wir einen phylogenetischen Baum konstruieren - ein Diagramm, das evolutionäre Beziehungen widerspiegelt -, sollten Bakterien und Archaeen, die dieses Protein besitzen, eine monophyletische Gruppe bilden, dh einen gemeinsamen Vorfahren haben. Die letztere Bedingung erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass dieselben Proteine in Luke vorhanden waren.und von ihm wurden an Nachkommen weitergegeben.
Insgesamt wurden mehr als sechs Millionen Gene, die für Proteine kodieren, analysiert und in 1.847 bakteriellen und 134 archaealen Genomen vorhanden. Von der Gesamtzahl bildeten Wissenschaftler 286 514 Gruppen (Cluster), von denen nur etwa 11.000 bakterielle und archaeale Proteine enthielten. Als die phylogenetischen Bäume gebaut und die Proteingruppen nach dem monophyletischen Prinzip getestet wurden, blieben nur 335 Cluster übrig, die die Anfangsbedingungen erfüllten. Alle Proteine in der endgültigen Probe waren laut Biologen im LUCA-Genom vorhanden. Es ist zu beachten, dass diese Kriterien die Möglichkeit eines horizontalen Gentransfers nicht ausschließen. Somit konnte ein Protein, das zuerst in frühen Bakterien auftrat, in Archea eindringen und sich unter Vertretern jeder der Domänen ausbreiten, obwohl es in Lukes Körper niemals vorhanden war.
Biologen interessierten sich für die Gene, die den "Informationskern" in den Zellen lebender Organismen bilden. Wir sprechen über 19 Proteine, die an der Synthese von Ribosomen beteiligt sind, sowie acht Enzyme, die eine wichtige Rolle bei der Bildung von Transport-RNA spielen (sie bewegen Aminosäuren an die Orte, an denen Proteinmoleküle aufgebaut werden).
Schwarze Raucher
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Lukas rekonstruiertes Genom deutet darauf hin, dass es sich um eine anaerobe (an eine sauerstofffreie Umgebung angepasste) Kreatur handelt, die durch Chemosynthese die für das Leben notwendige Energie erhalten hat - chemische Reaktionen, die Mineralien oxidieren. Anscheinend lebte der universelle Vorfahr in der Nähe von hydrothermalen Quellen wie schwarze Raucher. Dies wird durch das mögliche Vorhandensein von Gyrasen angezeigt - Enzymen, die für thermophile (thermophile) Organismen spezifisch sind. Auch in LUCA gab es höchstwahrscheinlich Enzyme, die eine Chemosynthese ermöglichen, bei der Kohlendioxid die einzige Kohlenstoffquelle ist. Im Allgemeinen könnte dieser Organismus Energie aus Gasen wie Wasserstoff, Kohlendioxid und Stickstoff erhalten.
Einige der Enzyme enthalten Eisen-Schwefel (FeS) -Cluster, eine Gruppe von Cofaktormolekülen, die spezifisch an Proteine binden und deren katalytische Aktivität bestimmen. Dies weist darauf hin, dass Luke in einer eisenreichen Umgebung lebte. Eine weitere Gruppe von Proteinen, die am Zuckerstoffwechsel beteiligt sind, wurde identifiziert: Glycosylasen und Hydrolasen. Diese Enzyme in modernen Zellen sind wichtig für die Synthese der Zellwand, was auf die Existenz einer primitiven Zellwand in LUCA hinweisen kann.
Der Große Prismatische Frühling ist ein typischer archaischer Lebensraum
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Die Ergebnisse der Forscher bestätigen eine Reihe wichtiger Thesen. FeS-Cluster sowie Übergangsmetalle in der Zusammensetzung von Cofaktoren sind das Erbe des alten Stoffwechsels. Die ersten lebenden Organismen entstanden in hydrothermalen Quellen. Chemische Reaktionen an der Grenze der aquatischen Umwelt und felsigen Gesteinen schufen die Voraussetzungen für die Entstehung von Leben. Die ersten Vertreter von Bakterien und Archaeen waren autotrophe Autotrophen, die Kohlendioxid als terminalen Akzeptor im Energiestoffwechsel verwendeten (bei Tieren und Pflanzen spielt inhalierter Sauerstoff diese Rolle).
Die konstruierten phylogenetischen Bäume ermöglichten es nicht, die für LUCA charakteristischen Proteine zu isolieren, die an der Synthese von Aminosäuren, aus denen Proteine bestehen, und den Nukleosiden, die DNA und RNA bilden, beteiligt waren. Dennoch könnte sich aus den Komponenten, die durch spontane chemische Prozesse entstanden sind, die für die frühe Erde charakteristisch sind, ein universeller Vorfahr gebildet haben.
Interessanterweise widersprechen die Ergebnisse deutscher Biologen den 2008 veröffentlichten Ergebnissen französischer Wissenschaftler. Sie führten Zwiebeln auf Organismen zurück, die moderate Temperaturen (weniger als 50 Grad Celsius) bevorzugen. Es wurde angenommen, dass LUCA kein Thermophil sein kann, da seine Proteine nicht gegen hohe Temperaturen resistent sind. Gleichzeitig könnten die Vorfahren von Bakterien und Archaeen in einer stark erhitzten Umgebung gelebt haben. Die neue Arbeit achtet nicht auf die unmittelbare Stabilität von Enzymen, sondern darauf, für welche Umweltbedingungen diese Proteine charakteristisch sind.
Alexander Enikeev
