Činjenica da živa bića uopšte postoje rezultat je niza nevjerovatno srećnih okolnosti koje se protežu više od četiri milijarde godina unazad. Jedna od najvećih prepreka bila je upravo ona prva – kako je život nastao iz beživotne iskonske „prvobitne supe“ materije?

Foto: Ilustracija/Pixabay.com 

Nova studija, objavljena u časopisu Sajens advanses (Science Advances), ukazuje da je nevjerovatni skok nastanka života iz neorganske materije napravljen ne jednom, već čak dva puta.

Prema novom istraživanju, dvije glavne grane života – bakterije i arheje – možda su nezavisno jedna od druge otkrile tajne metabolizma koje su im omogućile prelazak iz nežive u živu materiju. Studija se fokusirala na najosnovniji skup hemijskih reakcija za koje se smatra da su omogućile ovu transformaciju.

„Iznenađenje je to što enzimi koji katalizuju te reakcije nisu očuvani preko evolutivne granice koja razdvaja bakterije i arheje“, kaže biolog Vilijam Martin sa Univerziteta Hajnrih Hajne u Diseldorfu.

„Novi podaci ostavljaju samo jedan zaključak. Bakterijska i arhejska loza nezavisno su ostvarile prelazak u slobodnoživeće stanje. Samo slobodnoživeće ćelije su zaista žive. Nazovimo stvari pravim imenom: posmatramo jedno poreklo genetskog koda, ali dva porekla života“, navodi Martin.

To je izuzetno smjela tvrdnja, posebno zato što čak ni definisanje samog života nije jednostavan zadatak.

Uopšteno govoreći, život se smatra oblikom materije koji reaguje na okolinu, koristi energiju, raste i razmnožava se.

To zvuči kao dovoljno široka definicija, ali ni ona nije savršena. Na kraju krajeva, virusi ispunjavaju većinu tih uslova, ali se tradicionalno ne smatraju živim bićima.

Jedna osobina koja je zajednička svim oblicima života, a koju virusi nemaju, jeste metabolizam – skup hemijskih reakcija koje organizmi koriste za stvaranje molekula neophodnih za svakodnevno funkcionisanje.

Enzimi su proteinski „radnici“ koji služe kao katalizatori tih reakcija, ali to otvara klasično pitanje: šta je bilo prvo – kokoška ili jaje?

Naime, i sami enzimi nastaju kao proizvod hemijskih reakcija. Kako su onda prvi oblici života mogli da započnu metabolizam, uključujući i proizvodnju enzima, bez pomoći drugih enzima?

Odgovor se, čini se, krije u njihovom okruženju.

Opšteprihvaćena teorija kaže da je prvi život nastao u izuzetno reaktivnim sredinama, poput hidrotermalnih izvora na dnu okeana. Metali koji se prirodno nalaze na takvim mestima mogli su da budu prvi katalizatori metabolizma, pretvarajući jedinjenja poput vodonika, amonijaka i ugljen-dioksida u druge korisne molekule.

„Gotovo sve u vezi sa poreklom metabolizma predmet je rasprava, uključujući uloge energije, genetike, autokatalize, fosfata, kofaktora, cijanida, ugljen-dioksida i vode“, pišu Martin i njegove kolege u radu.

„Ipak, oko jedne stvari svi će se složiti – mreža od oko 400 reakcija koja pretvara H2, CO2, NH3, H2S i fosfate u aminokiseline, azotne baze i kofaktore nije mogla nastati odjednom. Njen nastanak iz spontanih reakcija u prirodnom okruženju morao je da prođe kroz međufaze razvoja, koje su do sada bile nedovoljno razjašnjene“, objašnjavaju naučnici sa njemačkog instituta.

Istraživači su analizirali strukture proteina ključnih metaboličkih enzima u genomima bakterija i arheja, a zatim razvili metod i algoritam kojim su ih poređali prema složenosti. Na osnovu toga mogli su da odrede kojim redosledom su enzimi evoluirali i da sastave okvirnu vremensku liniju njihovog razvoja.

„Otkrili smo da je poslkednji univerzalni zajednički predak svih ćelija, poznat kao LUCA, posedovao enzime za samo oko polovine metaboličkih reakcija. Drugu polovinu katalizovali su metali iz okruženja u kojem je LUCA nastao“, kaže Martin.

Tim je zaključio da su verovatno postojale četiri faze razvoja katalize, odnosno reakcija koje pokreću enzimi. Prva faza oslanjala se isključivo na metale iz okruženja.

Kada se nakupilo dovoljno korisnih molekula, protoćelije koje još nisu bile potpuno žive – među kojima je bio i LUCA – počele su da razvijaju sopstvene enzime koji su preuzimali dio funkcija metalnih katalizatora.

Vremenom su kasnije protoćelije razvijale sve veći broj enzima, postajale sve manje zavisne od metala iz okruženja, da bi na kraju potpuno prestale da ih koriste. Tek tada mogu se smatrati „slobodnoživećim ćelijama“.

Ono što je posebno važno jeste da se, prema istraživačima, to dogodilo tek nakon što su se bakterije i arheje evolutivno razdvojile. Ove dvije grane života razvile su sopstvena rešenja za iste biohemijske izazove.

„Vidimo primjere u kojima su preci bakterija i arheja nezavisno evoluirali strukturno različite enzime koji katalizuju istu ključnu metaboličku reakciju“, kaže biolog Natalija Mrnjavac sa Univerziteta Hajnrih Hajne u Diseldorfu.