Происхождение жизни на Земле остается одной из величайших загадок в науке.
Мы знаем эту историю в общих чертах: около 4 миллиардов лет назад простые химические соединения дали начало живым клеткам, которые позже сформировались в организмы, состоящие из множества клеток, отличающихся огромным разнообразием и расположенных мириадами способов. Как это произошло, остается неясным — и, возможно, навсегда останется неизвестным, — но исследователи, изучающие происхождение жизни, обнаружили дразнящие подсказки, которые указывают на запутанное взаимодействие геологических, химических и экологических факторов, связанных общей микробиологической нитью. Окаменелости, возраст которых насчитывает 3,7 миллиарда лет, показывают, что все живые существа, от грибов до лисиц и людей-долгожителей, произошли от микробов. (Если более конкретно, каждое живое существо произошло от одного и того же микроба).
“Если мы хотим лучше понять, как развивался этот процесс и к чему он ведет, нам нужно ответить на фундаментальные вопросы о ранней микробной жизни”, - говорит Майкл Линч, директор Центра механизмов эволюции при Университете штата Аризона. Эти ответы не только улучшат наши научные знания; они также могут дать новое представление о нашем будущем, например, о том, как патогены вызывают заболевания или даже как может выглядеть жизнь в других частях космоса. Однако до недавнего времени микробиологи не уделяли особого внимания самым ранним этапам эволюции. “Это странно, - сказал Линч, - "но большинство исследований о происхождении жизни проводятся химиками и физиками”. Несмотря на центральную роль микробной жизни в общей картине эволюции, по его словам, очень немногие биологи-эволюционисты работают в этой области.
Но их число растет, как и усилия по устранению пробелов в знаниях. Один из недавних проектов был разработан Американской академией микробиологии. План состоял в том, чтобы собрать экспертов из различных областей, включая микробиологию, геологию, океанографию, математику и вирусологию. Идея заключалась в том, что, несмотря на то, что исследователи в этих областях подходят к вопросам с разных сторон, для понимания того, как разворачиваются новые биологические процессы на меняющейся планете, потребуется междисциплинарное сотрудничество. “Мы пытаемся объединить все эти различные области для решения... действительно сложных проблем, с которыми не может справиться какая-либо одна дисциплина”, - рассказал Линч. “То, что я вижу в результате этого, - это появление новой области, которую мы называем эволюционной клеточной биологией”.
Эта междисциплинарная работа привела к публикации в июне 2025 года книги "Ранняя микробная жизнь: наше прошлое, настоящее и будущее" - более чем 200-страничного отчета, в котором освещаются возможности и проблемы, возникающие в связи с попытками сформулировать историю микробной жизни на Земле. Выводы, перспективы и достижения, описанные в отчете, собранные в ходе трех научных встреч, указывают на богатые исследовательские возможности в будущем. В докладе обобщены основные этапы перехода от одноклеточных к более сложным эукариотам и многоклеточности и в общих чертах описана история возникновения жизни. Обобщая исследования, направленные на понимание происхождения микробов, авторы отмечают, что исследователи “подготавливают почву для решения многих из наших самых больших человеческих проблем”. И благодаря появлению новых технологий — визуализации, микроскопии, секвенирования, искусственного интеллекта, глубоководных исследований - у ученых теперь есть беспрецедентный набор сложных инструментов для решения этих фундаментальных, перспективных задач.
Частью этой работы является поиск предшественников современных клеток — и того, где они могли возникнуть, — а также подсказок, которые могли бы больше рассказать о последнем универсальном общем предке, известном как LUCA (last universal common ancestor). “Это то, что является предком всего сущего”, - поясняет Эдмунд Муди, биолог-эволюционист из Университета Барселоны. “Все, что живет сегодня, связано с [LUCA]. Люди обычно задают вопросы о происхождении жизни одним из двух способов", - говорит Том Уильямс, специалист по вычислительной биологии в Бристольском университете. Один из них - это подход "снизу вверх", основанный на изучении добиологических компонентов, обнаруженных на ранней Земле, и изучении того, как они могли стать строительными блоками жизни. Другой - нисходящий, который предполагает изучение основных особенностей организмов, живущих сегодня. “Мы пытаемся понять, что эти особенности означают для того, какой могла бы быть ранняя жизнь”, - сказал он. По его мнению, для продвижения науки вперед требуется и то и другое. “На самом деле, именно благодаря взаимодействию этих двух направлений можно добиться прогресса в изучении происхождения жизни”.
В статье, опубликованной в 2024 году в журнале Nature Ecology & Evolution, Уильямс и его коллеги, включая Муди, сообщили о новом анализе возраста LUCA, его генома, метаболизма и влияния на раннюю историю Земли. “Мы думаем, что LUCA на самом деле уже был довольно сложным организмом”, - сказал Уильямс. Вероятно, это был палочковидный прокариот, который жил около 4 миллиардов лет назад, до появления древнейших известных окаменелостей. Возможно он обладал клеточными механизмами, сходными с современными прокариотами, и в его геноме исследователи обнаружили свидетельства существования неполной системы CRISPR-Cas — ранней иммунной системы, которая помогала ему бороться с инфекциями. “Даже 4 миллиарда лет назад вирусы, возможно, уже атаковали одного из наших самых ранних предков”, - сказал Муди. LUCA, возможно, был даже не единственным сложным организмом, существовавшим на тот момент. Его сложность позволяет предположить, что он был частью сообщества разнообразных организмов, которые по той или иной причине не достигли следующего этапа эволюции. LUCA, “скорее всего был счастливчиком”, - говорит Уильямс.
Вторая важная тема, освещенная в докладе, была посвящена появлению эукариотических клеток, которое авторы назвали “одним из самых преобразующих событий в истории жизни на Земле”. Клетки эукариот, в отличие от прокариот, содержат органеллы, заключенные в мембраны. Как правило, они крупнее, беспорядочнее и сложнее, чем прокариоты, и, хотя на Земле их больше, чем прокариот, в результате эволюции эукариотические клетки стали более разнообразными. Недавние исследования, основанные на моделях и экспериментах, фокусируются не только на том, как появились эукариоты, но и на том, как они так быстро диверсифицировались. “Эукариогенез представлял собой уникальный, важный эволюционный переход, который привел к эволюции сложных клеток”, - считает Пурификасьон Лопес-Гарсия, микробиолог из Французского национального центра научных исследований, которая помогала составлять отчет.
По ее словам, за последние два десятилетия ученые приняли идею о том, что эукариоты являются симбионтами, вероятно, эволюционным продуктом слияния бактерий и архей. Это могло бы объяснить, почему эукариотические клетки содержат гены и белки, участвующие в репликации ДНК, как у архей, но также используют биоэнергетические процессы, подобные тем, которые наблюдаются у бактерий. Но это также поднимает важные вопросы, касающиеся деталей процесса и того, как возникло ядро. “Это открытый вопрос, который не рассматривается во многих моделях”, - сказала она. Еще один открытый вопрос тот, что исследователи не знают, когда появились митохондрии и как более древние бактериальные гены проникли в геном эукариот. “Появились ли они в результате горизонтального переноса генов от бактерий в той же среде обитания?” Эти загадки не будут решены только с помощью микробиологии: для их решения потребуется привлечение идей из области геохимии и биохимии, чтобы определить факторы, влияющие на окружающую среду.
Значительная часть доклада были посвящены механизмам, которые приводят к возникновению многоклеточности. Ученым в этой области все чаще приходится сталкиваться с тем, что многоклеточность проявляется во всех сферах жизни на протяжении всей истории планеты. Конечно, это очевидно для эукариотических клеток и в прошлом концепция “многоклеточности” — и сопутствующие ей исследования — были в основном сосредоточены на сложных эукариотических организмах. Но, по словам микробиолога Джулии Шварцман из Университета Южной Калифорнии, в последнее время ученые расширили это определение. Многоклеточность, по ее словам, может описывать группу клеток, которая собирается вместе, чтобы сотрудничать и делать что-то большее, чем сумма ее составляющих. Это означает, что бактерии могут проявлять многоклеточное поведение, даже если оно мимолетно — как в случае, когда образуется и рассеивается биопленка. По ее мнению, в более поздних исследованиях ученые даже обнаружили доказательства многоклеточности архей. Сейчас, по ее словам, вместо того, чтобы сосредоточиться на механизмах, которые управляют многоклеточностью одного типа организмов, исследователи начали искать более общие правила, широко применимые ко всем формам жизни. И эти общие правила могут помочь им лучше определить события, которые привели к важным событиям диверсификации в истории. Шварцман подчеркнула, что, вероятно, существует множество таких факторов, начиная от доступности кислорода и заканчивая улучшением стратегий выживания, позволяющих избегать хищников.
Общая черта трех основных направлений исследований, освещенных в этом отчете, заключается в том, что то, как зародилась и развивалась жизнь на Земле, является одним из многих возможных сценариев того, как она могла бы развиваться. “В истории эволюции микроорганизмов было очень много альтернативных возможностей для всех основных изменений”, - отметил Линч. Он указывает на свидетельства того, что LUCA, вероятно, окружали другие сложные организмы, которые вымерли по неизвестным причинам. LUCA просто повезло? Или что-то еще помешало другим организмам принять участие в следующей фазе эволюции? Он назвал этих потерянных микробов “несчастливыми соседями”.
Многие из выводов, приведенных в отчете, подтверждают, что случайность может играть недооцененную роль в естественном отборе и эволюции. Исследования Линча помогли ученым осознать это недооцененное влияние. “Просто в происхождении жизни много случайностей”, - сказал он. Удача может быть даже важнее, чем адаптация. И это одновременно прекрасно и немного обременительно”. Сложности и задачи, поднятые в отчете, представляют собой дорожную карту, показывающую, к чему может привести будущая работа и как эксперименты могут помочь ответить на основные вопросы. Линч сказал, что в настоящее время исследователи разрабатывают модели и эксперименты для реконструкции условий ранней жизни, надеясь проверить новые идеи.
Выводы, содержащиеся в докладе, могут помочь синтетическим биологам протестировать различные эволюционные альтернативы или даже "уговорить" некоторых из “несчастных соседей” появиться на свет. Линч также отметил, что понимание происхождения жизни поможет исследователям избежать ненужных экспериментов. “Вы можете понять, что вам следует или не следует пробовать”, - сказала он. "Становиться ясно, что наше понимание зарождения жизни останется неполным без понимания эволюции микроорганизмов. Доклад выдвигает биологический аспект на передний план и демонстрирует, как интеграция знаний в области микробиологии, геобиологии и эволюционной биологии может привести к открытиям, которых ни одна дисциплина не может достичь в одиночку сегодня”.
