Razumijevanje kako je život nastao i razvio se na Zemlji pitanje je koje već dugo fascinira ljude, a moderni su naučnici napravili veliki napredak kada je u pitanju pronalaženje nekih odgovora.
Sada se naša nedavna studija nada da će ponuditi nove uvide u podrijetlo života na Zemlji.
Prije oko 375 miliona godina, naši riboliki preci disali su kroz škrge. Prije više od 600 miliona godina pojavio se zajednički predak svih životinja – mikroskopski urmetazoa.
Međutim, milijardama godina prije nego što se sve to dogodilo, zajednički predak svih živih organizama, posljednji univerzalni zajednički predak (Luca), morao je postojati.
Naučnici su desetljećima radili na identificiranju Luce s različitim idejama o tome kakav je Luca bio. Još jedna sporna tačka je Lucina dob. Najraniji fosilni dokazi o postojanju života stari su oko 3,4 milijarde godina.
Neka istraživanja pomiču Lucinu dob blizu rođenja Zemlje, prije 4,5 milijardi godina. Drugi misle da je to nemoguće zbog vremena potrebnog za uspostavljanje genetskog koda i mehanizma za replikaciju DNK.
Luca nije bila prvi oblik života; to je bio organizam od kojeg su potekli svi živi organizmi. Ipak, znanstvenici misle da su živi organizmi mogli postojati puno prije Luce.
Razumijevanje kakva je Luca bila i kada je živjela, važno je da nam pomogne da shvatimo kako se život razvio na Zemlji.
U našoj nedavnoj studiji, objavljenoj u časopisu Nature Ecology & Evolution, upotrijebili smo kombinaciju znanstvenih metoda kako bismo rekonstruirali Lucin genom i pokazali kako su geni koje smo pronašli omogućili Luci da živi. Ovaj projekt rezultat je višegodišnjeg rada i međunarodnog tima suradnika.
Priroda Luca
Da bismo rekonstruirali Lucin genom, trebao nam je uzorak genoma (sve genetske informacije u organizmu) iz različitih skupina bakterija i arheja (jednostaničnih organizama koji se razlikuju od bakterija) kako bismo mogli biti sigurni da uzorkujemo suvremeni život.
Isključili smo eukariote (biljke, životinje i gljive) jer znanstvenici misle da su evoluirali iz zajednice arhea i bakterija, mnogo kasnije. Imali smo skup od 700 genoma (350 arheja i 350 bakterija), već odabranih iz studije iz 2022. godine u kojoj su neki od nas bili uključeni.
Razvrstali smo te gene u različite porodice kako bismo razumjeli njihovu svrhu u modernim organizmima. Za to smo koristili bazu podataka, nazvanu KEGG, koja pomaže naučnicima da shvate metaboličke putove organizama (kako održavaju život).
Zatim smo koristili te porodice kako bismo zaključili o filogenetskim stablima (ili filogenijama, nešto poput porodičnog stabla) kako bismo razumjeli odnos između različitih vrsta i vidjeli kako su evoluirale tokom vremena.
Također smo izgradili zaseban skup od 57 gena koji su zajednički za svih 700 organizama u našoj studiji i koji su vjerovatno prisutni u gotovo svim oblicima života. Ove vrste gena nisu se puno promijenile tijekom posljednjih nekoliko milijardi godina.
Koristili smo ovih 57 gena za izgradnju stabla vrsta, koje pokazuje Darwinov odnos različitih organizama. Tada bismo mogli kombinirati naša stabla KEGG gena sa stablom vrsta, modeliranjem stopa dupliciranja gena, prijenosa i gubitka gena. To nam je također omogućilo da izračunamo vjerovatnost prisutnosti različitih porodica gena u Luci.
Rekonstrukcija Lucinog genoma omogućila nam je procjenu njegovog metabolizma, kao da je danas živa. Lucu zamišljamo kao prilično složen organizam poput modernih bakterija i arheja, s malim genomom. Međutim, nismo pronašli dokaze za fotosintezu (koju koriste neke bakterije) ili fiksaciju dušika, kemijski proces koji neke moderne bakterije i arheje koriste kako bi ostale na životu.
Koliko je Luca imao godina?
Također smo isprobali novu metodu za procjenu Lucine starosti korištenjem gena za koje mislimo da su duplicirani prije Luce zajedno s informacijama iz fosila.
Normalno, da bismo zaključili evolucijske vremenske crte, dobili bismo filogeniju naše vrste od interesa s homolognim genima, koji sežu do zajedničkog pretka.
Zatim bismo pronašli skupinu vrsta koje su u dalekom srodstvu (izvangrupa) s našom vrstom od interesa kako bismo utvrdili korijen filogenije.
“Grane” koje povezuju vrste u filogeniji sadrže informacije o brzini kojom su se dogodile genetske promjene (mutacije) i vremenu u kojem su se vrste razišle. Možemo koristiti fosilne ili geološke dokaze da informiramo molekularni sat o mogućim minimalnim godinama u kojima su se događaji specijacije dogodili.
S Lucom, međutim, imamo dva problema. Nema vanjske skupine za podrijetlo života i nema mnogo fosila ili mnogo geoloških dokaza s rane Zemlje koje možemo koristiti za kalibraciju molekularnog sata, piše Science Alert.
Kako bismo nadvladali ta ograničenja, koristili smo paralogne gene koje su znanstvenici već otkrili Lucu. Paralogni geni međusobno su povezani duplikacijom gena. To se može dogoditi kada se vrsta podijeli na dvije, svaka sa svojom kopijom dupliciranog gena.
Procjenjujemo da je Luca lutao Zemljom prije otprilike 4,2 milijarde godina. Ako je naša vremenska procjena blizu istine, stvari kao što su genetski kod, translacija proteina i sam život morali su se brzo razvijati, gotovo odmah nakon što je Zemlja nastala.
Naša rekonstrukcija Luce nije prva, a sigurno neće biti ni posljednja. Sve više i više organizama se otkriva i sekvencionira svake godine, računala postaju sve moćnija, a evolucijski modeli neprestano se poboljšavaju.
Stoga bi se naše razumijevanje Luce moglo promijeniti kada bude dostupno više podataka i moćnih tehnika.
Na primjer, trebali bismo uzeti u obzir da su vjerojatno postojali mnogi drugi organizmi koji su živjeli u vrijeme Luce koji danas više nisu predstavljeni nikakvim organizmima.
Ako bilo koji od Lucinih ranih potomaka nije uspio doživjeti današnje vrijeme, a njihovi geni nisu preživjeli, tada nikada nećemo moći mapirati te obitelji gena natrag na Lucu, što znači da bi naša rekonstrukcija Luce mogla biti nepotpuna.
Unatoč svim tehničkim ograničenjima, naša studija postavlja novi način razumijevanja Luce. Ali ima još puno posla da se bolje razumije kako se život razvijao od nastanka našeg planeta Zemlje.