Ontdek de geheimen van LUCA, de oudste levensvormen op aarde

A Universiteit van BristolUit een onderzoek van onderzoekers van de Harvard Universiteit is gebleken dat het leven op aarde, dat voortkomt uit een gemeenschappelijke voorouder genaamd LUCA, kort na de vorming van de planeet floreerde.

Door middel van genetische analyse en evolutionaire modellering hebben de onderzoekers het bestaan ​​van LUCA ongeveer 4,2 miljard jaar geleden vastgesteld, en onthulden het als een complex organisme met een vroeg immuunsysteem geïntegreerd met de oudste ecosystemen op aarde.

Genetische blauwdruk van LUCA en zijn nakomelingen

Alles wat vandaag de dag leeft, stamt af van één enkele gemeenschappelijke voorouder die liefkozend bekend staat als LUCA (Last Universal Common Ancestor).

LUCA is de vermeende gemeenschappelijke voorouder waaruit al het moderne cellulaire leven afstamt, van eencellige organismen zoals bacteriën tot gigantische sequoia’s (en ook wij mensen). LUCA vertegenwoordigt de wortel van de levensboom voordat deze werd verdeeld in de tegenwoordig bekende groepen: Bacteriën, Archaea en Eucalyptus. Het moderne leven is vanuit LUCA vanuit verschillende bronnen ontstaan: hetzelfde Aminozuren Ze worden gebruikt om eiwitten te bouwen in alle cellulaire organismen, de gemeenschappelijke munteenheid van energie (ATP) en het bestaan ​​van cellulaire machines zoals ribosomen en andere die verband houden met het maken van eiwitten uit informatie die is opgeslagen in DNAen zelfs het feit dat alle cellulaire levensvormen DNA zelf gebruiken als middel om informatie op te slaan.

Onderzoeksmethoden en het LUCA-tijdperk

Het team vergeleek alle genen in de genomen van levende organismen Classificerendoor mutaties te tellen die in de loop van de tijd binnen hun sequenties hebben plaatsgevonden sinds ze een voorouder in LUCA deelden.

Het tijdstip van scheiding van sommige soorten is bekend uit het fossielenbestand, dus gebruikte het team een ​​genetisch equivalent van de bekende vergelijking die wordt gebruikt om de snelheid in de natuurkunde te berekenen om erachter te komen wanneer LUCA bestond, en kwam tot het antwoord dat dit 4,2 miljard jaar geleden plaatsvond. , ongeveer vierhonderd miljoen jaar nadat de aarde en ons zonnestelsel ontstonden.

Dr. Sandra Alvarez Carretero, co-auteur van het onderzoek van de Bristol School of Earth Sciences, zei: “We hadden niet verwacht dat de planeet Luca zo oud zou zijn, binnen honderden miljoenen jaren na het ontstaan ​​van de aarde. Onze resultaten zijn echter consistent. met recente opvattingen over de bewoonbaarheid van Early Earth.

Fysiologische inzichten en evolutionaire modellering van LUCA

Vervolgens werkte het team aan het bepalen van de biologie van LUCA door de fysiologische kenmerken van levende soorten te modelleren via de levenslijn van LUCA. Hoofdauteur dr. Edmund Moody legde uit: “De evolutionaire geschiedenis van genen wordt gecompliceerd door hun uitwisseling tussen afstammingslijnen. We moeten complexe evolutionaire modellen gebruiken om de evolutionaire geschiedenis van genen te verzoenen met de genealogie van soorten.”

Dr. Tom Williams, co-auteur van de studie van de Bristol School of Biological Sciences, zei: “Een van de echte voordelen hier is het toepassen van de benadering van de afstemming van genen- en soortenbomen op zo’n diverse reeks gegevens die sleuteldomeinen van het leven vertegenwoordigen, zoals archaea en bacteriën. Dit stelt ons in staat “door het redelijk zelfverzekerd te zeggen en dat niveau van vertrouwen in te schatten over hoe LUCA leeft.”

De complexiteit van het LUCA-project en de impact ervan op het milieu

Professor David Pisani, co-auteur van de studie, zei: “Ons onderzoek toonde aan dat LUCA een complex organisme was, niet erg verschillend van moderne prokaryoten, maar wat echt interessant is, is dat het duidelijk een vroeg immuunsysteem had, wat aantoont dat zelfs vóór “4,2 miljard jaar geleden waren onze voorouders verwikkeld in een wapenwedloop met virussen.”

Co-auteur Tim Lenton (van de School of Geography van de Universiteit van Exeter) zei: “De LUCA waren duidelijk bezig met het uitbuiten en veranderen van hun omgeving, maar het is onwaarschijnlijk dat ze alleen hebben geleefd. Hun afval had voedsel kunnen zijn voor andere microben, zoals methanogenen. , wat zou helpen een recycling-ecosysteem te creëren.”

De bredere implicaties van studie voor het vroege leven

Co-auteur professor Anya Spang (Koninklijk Nederlands Instituut voor Marien Onderzoek) voegde hieraan toe: “De resultaten en methoden die in dit werk worden gebruikt, zullen ook toekomstige studies ten goede komen die de daaropvolgende evolutie van archaea in het licht van de geschiedenis van de aarde gedetailleerder onderzoeken, inclusief de minder bestudeerde archaea en hun methanogene vertegenwoordigers.”

Professor Philip Donoghue, co-auteur, zei: “Ons werk brengt gegevens en methoden uit meerdere disciplines samen, waardoor inzichten over de aarde en het vroege leven worden onthuld die door geen enkele discipline alleen konden worden bereikt. Het laat ook zien hoe snel een ecosysteem al vroeg tot stand kwam Aarde Dit “Het suggereert dat het leven kan floreren in aardachtige biosferen elders in het universum.”

Referentie: “De aard van de laatste universele gemeenschappelijke voorouder en de impact ervan op het systeem van de vroege aarde” door Edmund R. R. Moody, Sandra Alvarez-Carretero, Tara A. Mahendrarajah, James W. Clark, Holly C. Bates, Nina Dombrowski, Lenard L Xantho, Richard A. Boyle en Stuart Dennis, Shi Chen, Nick Lin, Zhiheng Yang, Graham A. Shields, Gergely J. Solosi, Anya Spang, David Pisani, Tom A. Williams, Timothy M. Linton en Philip C.J. Donoghue, 12 juli 2024. Natuurlijke ecologie en evolutie.
doi: 10.1038/s41559-024-02461-1

Wetenschappers van University College London (UCL), Universiteit Utrecht, het Budapest Environmental Research Centre en het Okinawa Institute of Science and Technology van de Graduate University namen ook deel aan het onderzoek.

Het onderzoek werd gefinancierd door de John Templeton Foundation. De standpunten in deze publicatie zijn die van de auteurs en weerspiegelen niet noodzakelijkerwijs de standpunten van de John Templeton Foundation.