Последний универсальный общий предок или последний универсальный клеточный предок (LUCA ), также называемый последний универсальный предок (LUA ), является самой последней популяцией организмов от которого все организмы, живущие на Земле, имеют общее происхождение ; самый недавний общий предок всей современной жизни на Земле. Схожая концепция - это концепция progenote . LUCA не считается первой жизнью на Земле, а скорее единственным типом организмов своего времени, у которого все еще есть живые потомки.
Хотя нет никаких конкретных ископаемых свидетельств LUCA, его можно изучить, сравнив геномы всех современных организмов, его потомков. Таким образом, исследование 2016 г. выявило набор из 355 генов, которые, скорее всего, присутствовали в LUCA. Гены описывают сложную жизненную форму со многими совместно адаптированными особенностями, включая механизмы транскрипции и трансляции для преобразования информации из ДНК в РНК в белки. Исследование пришло к выводу, что LUCA, вероятно, обитала в высокотемпературных водах глубоководных жерл около дна океана потоков магмы.
Исследования 2000–2018 годов показали, что LUCA становится все более древним. В 2000 году оценки предполагали, что LUCA существовала от 3,5 до 3,8 миллиарда лет назад в палеоархейскую эру, за несколько сотен миллионов лет до самых ранних ископаемых свидетельств жизни. которых есть несколько кандидатов в возрасте от 3,48 до 4,28 миллиарда лет назад. Исследование, проведенное в 2018 г. из Бристольского университета, с применением модели молекулярных часов, помещает LUCA вскоре после 4,5 миллиарда лет назад в хадейский.
Чарльз Дарвин впервые предложил теорию всеобщего общего происхождения через эволюционный процесс в своей книге О происхождении видов в 1859 году: «Поэтому я должен сделать вывод из аналогии, что, вероятно, все органические существа, которые когда-либо жившие на этой земле произошли от какой-то одной изначальной формы, в которую впервые была вдохнута жизнь ". Позднее биологи отделили проблему происхождения жизни от проблемы LUCA.
Согласно анализу предполагаемых групп потомков LUCA, LUCA, по-видимому, был небольшим одноклеточным организмом. Вероятно, он имел кольцевую спираль из ДНК, свободно плавающую внутри клетки. Морфологически он, скорее всего, не выделялся бы среди смешанной популяции мелких современных бактерий. Однако Карл Вёзе и др., Которые первыми предложили используемую в настоящее время трехдоменную систему на основе анализа последовательностей рибосомной РНК (рРНК) бактерий, археи и эукариоты заявили, что по своему генетическому механизму LUCA была бы «... более простой и рудиментарной сущностью, чем отдельные предки, породившие три [домена] (и их потомков)».
Хотя общая анатомия LUCA может быть реконструирована только с большой неопределенностью, его биохимические механизмы можно описать с некоторыми подробностями, основываясь на свойствах, которые в настоящее время разделяют все независимо живущие организмы на Земле.
Его генетический код, вероятно, был основан на ДНК, поэтому он жил после мира РНК. Если ДНК присутствовала, она состояла исключительно из четырех современных нуклеотидов : дезоксиаденозин, дезоксицитидин, дезокситимидин и дезоксигуанозин. ДНК оставалась двухцепочечной с помощью матрично-зависимого фермента, ДНК-полимеразы, которая недавно была предложена как принадлежащая к семейству D. Целостность ДНК улучшалась за счет группы поддерживающие и восстанавливающие ферменты, включая ДНК-топоизомеразу. Если генетический код был основан на ДНК, он выражался через промежуточные соединения одноцепочечной РНК. РНК была продуцирована ДНК-зависимой РНК-полимеразой с использованием нуклеотидов, аналогичных нуклеотидам ДНК, за исключением того, что нуклеотид ДНК тимидин был заменен на уридин в РНК. Он имел несколько ДНК-связывающих белков, таких как гистоновые белки.
Генетический код был выражен в белках. Они были собраны из свободных аминокислот путем трансляции информационной РНК по механизму рибосом, транспортной РНК, и группа родственных белков. Рибосомы состояли из двух субъединиц, большой 50S и маленькой 30S. Каждая рибосомная субъединица состояла из ядра рибосомной РНК, окруженной рибосомными белками. Оба типа молекул РНК (рибосомная и транспортная РНК) играют важную роль в каталитической активности рибосом. Использовали только 20 аминокислот, только в L-изомерах, за исключением бесчисленного множества других аминокислот. АТФ служил промежуточным энергетическим звеном. Несколько сотен белковых ферментов катализируют химические реакции для извлечения энергии из жиров, сахаров и аминокислот, а также для синтеза жиров, сахаров, аминокислот и оснований нуклеиновых кислот различными химическими путями.
Клетка содержала цитоплазму на водной основе, эффективно заключенную двухслойной липидной мембраной. Клетка имела тенденцию исключать натрий и концентрировать калий с помощью специальных переносчиков ионов (или ионных насосов). Клетка размножается путем дублирования всего ее содержимого с последующим делением клеток. Клетка использовала хемиосмос для производства энергии. Он также восстанавливает CO 2 и окисляет H 2(в метаногенезе или ацетогенезе ) через ацетил - тиоэфиры.
Вероятно, LUCA жила в условиях высоких температур, обнаруженных в глубоководных жерлах, вызванных океаном водой взаимодействием с магмой под дном океана.
В 1859 г. Чарльз Дарвин опубликовал статью О происхождении видов, в которой дважды высказал гипотезу о том, что у всех форм жизни был только один прародитель. В заключение он заявляет:
Последняя Предложение начинается с повторного изложения гипотезы:
Когда была выдвинута гипотеза LUCA, кладограммы, основанные на генетическом расстоянии между живыми клетками, показали, что археи рано отделились от остальной части живых существ. Это было сделано на основании того факта, что известные в то время археи были очень устойчивы к экстремальным условиям окружающей среды, таким как высокая соленость, температура или кислотность, что побудило некоторых ученых предположить, что LUCA эволюционировала в такие области, как глубокие океанические жерла, где такие крайности преобладают сегодня. Однако позднее археи были обнаружены в менее враждебной среде, и теперь считается, что они более тесно связаны с эукариотами, чем с бактериями, хотя многие детали до сих пор неизвестны.
2005 древо жизни, показывающее горизонтальный перенос генов между ветвями, что дает начало взаимосвязанной сети, а не дереву. В 2010 году на основе обширный набор молекулярных последовательностей, доступных теперь из всех сфер жизни », был опубликован формальный тест на универсальное общее происхождение. Формальный тест одобрил существование универсального общего предка перед широким классом альтернативных гипотез, которые включали горизонтальный перенос генов. Основные биохимические принципы делают весьма вероятным, что у всех организмов действительно есть один общий предок. Крайне маловероятно, что организмы, произошедшие в результате отдельных инцидентов формирования клеток, смогут завершить горизонтальный перенос генов, не искажая гены друг друга, превращая их в некодирующие сегменты. Кроме того, химически возможно гораздо больше аминокислот, чем 22, содержащихся в белковых молекулах. Эти линии химических доказательств, включенные в формальный статистический тест, указывают на то, что одна клетка была LUCA. Хотя тест в подавляющем большинстве подтвердил существование одного LUCA, это не означает, что LUCA когда-либо был один: вместо этого он был одним из многих ранних микробов, но единственным, чьи потомки выжили после палеоархейской эры.
с В более позднем генофонде потомков LUCA с их общей структурой правила AT / GC и стандартных двадцати аминокислот горизонтальный перенос генов был бы осуществим и мог быть очень распространенным.
В более ранней гипотезе Карл Вёзе (1988) предположил, что:
Хотя результаты, описанные Theobald (2010) и Saey (2010), демонстрируют существование единственной LUCA, аргумент Вёзе все еще может быть применительно к Ur-организмам (исходным продуктам абиогенеза) до LUCA. В начале жизни происхождение не было таким линейным, как сегодня, потому что генетический код не эволюционировал. До высокоточной репликации организмы не могли быть легко отображены на филогенетическом дереве. Однако LUCA жил после возникновения генетического кода и, по крайней мере, в какой-то рудиментарной ранней форме молекулярной корректуры.
Наиболее распространенное дерево life, основанный на нескольких молекулярных исследованиях, имеет свои корни между монофилетическим доменом бактерий и кладой, образованной Археи и Эукариоты. Однако в очень небольшом количестве исследований корень помещается в домен Bacteria, в тип Firmicutes, или утверждается, что тип Chloroflexi базальный кладе с архей, эукариот и остальными бактериями (как было предложено Thomas Cavalier-Smith ).
Исследование William F. Martin (2016) генетически проанализировано 6,1 миллиона генов, кодирующих белок и 286 514 кластеров белков из секвенированных прокариотических геномов различных филогенетических деревьев и идентифицировал 355 кластеров белков, которые, вероятно, были общими для LUCA. Результаты «отображают LUCA как анаэробный, CO 2 -фиксирующий, H 2 -зависимый от пути Вуда-Люнгдаля (восстановительный ацетил-коферментный путь A ), N 2 -фиксирующий и термофильный. Биохимия LUCA был изобилует кластерами FeS и механизмами радикальной реакции ». кофакторы также обнаруживают« зависимость от переходных металлов, флавинов, S-аденозилметионина, коэнзи me A, ферредоксин, молибдоптерин, коррины и селен. Его генетический код требовал нуклеозидных модификаций и S-аденозилметионин-зависимых метилирования. «Результаты« весьма специфичны »: они показывают, что метаногенные клостридии был базальной кладой в 355 исследованных линиях, и что LUCA, следовательно, могла населять анаэробные гидротермальные источники в геохимически активной среде, богатой H 2, CO 2 и железо.
Эти находки могут означать, что жизнь на Земле зародилась в таких гидротермальных жерлах, но также возможно, что жизнь была ограничена такими местами в более позднее время, возможно, из-за Поздняя тяжелая бомбардировка. Идентификация этих генов как присутствующих в LUCA также подвергалась критике, поскольку они могут просто представлять более поздние гены, которые мигрировали посредством горизонтального переноса генов между архей и бактериями.
Основываясь на существующем распространении вирусов в двух основных сферах жизни, бактерии a и архей, было высказано предположение, что LUCA была связана с удивительно сложным виромом, который уже включал основные группы существующих вирусов бактерий и архей, и что обширная эволюция вирусов предшествовала или предшествовала в время, ЛУКА. В этом предковом вироме, вероятно, преобладали вирусы дцДНК из областей Duplodnaviria и Varidnaviria. Кроме того, две группы вирусов с одноцепочечной ДНК (область Monodnaviria ), а именно Microviridae и Tubulavirales, можно отнести к последний общий предок бактерий (LBCA), тогда как веретенообразные вирусы, скорее всего, инфицировали последнего общего предка архей (LACA). Нельзя исключать возможность того, что эти вирусные группы присутствовали в вироме LUCA, но впоследствии были потеряны в одном из двух первичных доменов. Напротив, РНК-вирусы, по-видимому, не были заметной частью вирома LUCA, хотя простое мышление могло предполагать виром LUCA как домен РНК-вирусов, происходящих из первичного мира РНК. Вместо этого, ко времени существования LUCA, РНК-вирусы, вероятно, уже были в значительной степени вытеснены более эффективной ДНК-виросферой.