Универсален общ произход: последният универсален прародител (ЛУП)

В еволюционната биология група организми имат общ произход, ако имат общ предшественик. Съществува силна подкрепа за теорията, че всички живи организми на Земята са произлезли от общ прародител.

Чарлз Дарвин предлага теорията за универсалния общ произход чрез еволюционен процес в "За произхода на видовете", като казва: "Има нещо велико в този възглед за живота с неговите различни сили, който първоначално е бил вдъхнат в няколко форми или в една".^p490

Последният универсален прародител (ЛУП) (или последният универсален общ прародител, ЛУПА) е най-скорошният общ прародител на всички живи в момента организми. Смята се, че той се е появил преди около 3,9 милиарда години.

Какво представлява ЛУП?

ЛУП (на английски LUCA — Last Universal Common Ancestor) не е задължително един-единствен индивид, а по-скоро популация от организми или генетична общност, от която произлизат всички днешни форми на живот. Това понятие означава последната точка в еволюционното дърво, след която линиите на наследяване на ДНК/РНК и белтъците започват да се проследяват до всички съвременни организми.

Какви характеристики вероятно е имал?

Генетичен код и информация: ЛУП е притежавал механизми за съхранение и предаване на наследствена информация (вероятно РНК и/или ДНК) и базова машинария за транскрипция и транслация (рибозоми и свързани протеини).
Метаболизъм: реконструкциите предполагат, че ЛУП е имал набор от основни метаболитни пътища — за синтез на аминокиселини, нуклеотиди и енергиен метаболизъм, вероятно анаеробен (без кислород) и пригоден към химически богата среда.
Клетъчна организация: най-вероятно е бил прокариотен тип (без ядро), с мембрана и базови транспортни механизми; обаче точният вид липидни мембрани е предмет на дебат, защото съвременните бактерии и археи имат различни липиди.
Среда: възможно е да е обитавал топли хидротермални среди (например около подводни вулканични извори), но има и аргументи за по-умерени повърхностни среди.

Доказателства и методи за реконструкция

Сравнителна геномика: учените търсят гени и белтъци, които са универсално запазени във всички три домена на живота (Бактерии, Археи, Еукарии). Тези консервативни елементи най-вероятно съществували в ЛУП.
Филогенетичен анализ: изграждане на дървета на живота на база последователности (напр. рРНК, рибозомни протеини) помага да се локализира общият възел.
Анцестрално възстановяване: чрез математически модели се реконструират вероятни древни белтъци и пътища, които могат да се анализират лабораторно.
Палеонтология и геохимия: следи от древни микробни общности (напр. строматолити) и химични сигнатури в скалите дават времеви ориентири за ранния живот.

Проблеми и усложнения

Хоризонтален генен трансфер (ХГТ): пренасянето на гени между несвързани линии затруднява реконструкцията на "чисто" дърво на живота и прави трудно разграничаването кои гени са действително наследени от ЛУП и кои са придобити по-късно.
Неясна околна среда: липсват директни фосили на самия ЛУП; интерпретациите зависят от индиректни геоложки и молекулярни данни.
Популационен vs. индивидуален образ: възможно е вместо един прототипен организъм да става дума за генетична мрежа от взаимодействащи микроорганизми, което променя начина, по който мислим за "последния" прародител.

Времева рамка и контекст

Оценките за възрастта на ЛУП варират, но често се посочва интервал между ~3,5 и ~4,0 милиарда години. Тази оценка се основава на радиометрични данни за най-старите скални отпечатъци и микрофосили, както и на молекулярни молечки часовници.

Защо изследването на ЛУП е важно

Изясняването на свойствата на ЛУП помага да се разбере как са възникнали основните биологични процеси — генетичен код, метаболни мрежи, синтез на белтъци.
Това е ключово за въпроси за произхода на живота, за това как животът се адаптира към екстремни среди и за търсене на живот извън Земята.
Проучванията дават впоследствие приложения в биотехнологиите чрез откриване и използване на древни/консервативни ензими и пътища.

Отворени въпроси

Основните нерешени теми включват дали ЛУП е термофилен или мезофилен, какъв тип мембрани е имал, доколко генетичният код е бил вече фиксиран и доколко ранният живот е бил мрежа от организми, а не единична линия. Нови данни от метагеномни проучвания, експериментални реконструкции и геологически находки продължават да подобряват нашето разбиране.

В обобщение, ЛУП представлява най-скорошната обща точка на произход за целия познат живот — концепция, която служи като фокусна точка за изследвания относно началото и еволюцията на биологичните системи.

История

През 40-те години на XIX в. Пиер-Луи Мопертюи прави първото известно предположение, че всички организми може да са имали общ прародител и че са се разграничили чрез случайни вариации и борба за съществуване. В Essai de Cosmologie Мопертюи отбелязва:

Не би ли могло да се каже, че в случайните комбинации на природните продукти, тъй като трябва да има такива, които се характеризират с определено отношение на пригодност и които са в състояние да оцелеят, не е чудно, че тази пригодност е налице във всички видове, които съществуват в момента? Шансът, би казал някой, е създал безбройно множество индивиди; малка част от тях са се оказали устроени по такъв начин, че частите на животното са били в състояние да задоволяват нуждите му; в друг, безкрайно по-голям брой, не е имало нито пригодност, нито ред: всички тези последни са загинали... Видовете, които виждаме днес, са само най-малката част от това, което сляпата съдба е създала...

Доказателства за универсален общ произход

Обща биохимия и генетичен код

Всички познати форми на живот се основават на една и съща фундаментална биохимична организация.

Генетичната информация се кодира в ДНК и се транскрибира в РНК, след което се транслира в протеини от (много сходни) рибозоми, като източници на енергия са АТФ, НАДХ и други и т.н.

Приликите включват носителя на енергия аденозинтрифосфат (АТФ) и факта, че всички аминокиселини, които се съдържат в протеините, са леворъки (хиралност).

Освен това генетичният код ("таблицата за превод", според която ДНК информацията се превръща в протеини) е почти идентичен за всички известни форми на живот - от бактериите до хората.

Универсалността на този код обикновено се смята от биолозите за окончателно доказателство в полза на теорията за универсалния общ произход. Анализът на малките разлики в генетичния код също е в подкрепа на универсалния общ произход. Статистическото сравнение на различни алтернативни хипотези показа, че универсалното общо родословие е значително по-вероятно от моделите, включващи множество произходи.

Филогенетични дървета

Друго важно доказателство е, че е възможно да се построят подробни филогенетични дървета (т.е. "генеалогични дървета" на видовете), в които са описани предложените разделения и общите предци на всички живи видове. През 2010 г. един анализ на наличните генетични данни, съпоставяйки ги с филогенетични дървета, даде "твърда количествена подкрепа за единството на живота. ...сега има силна количествена подкрепа, чрез официален тест, за единството на живота.

Традиционно тези дървета се изграждат с помощта на морфологични методи, като сравнителна анатомия, ембриология и др. Напоследък е възможно тези дървета да се построят с помощта на молекулярни данни, въз основа на приликите и разликите между генетичните и протеиновите последователности. Всички тези методи дават по същество сходни резултати. Фактът, че филогенетичните дървета, базирани на различни видове информация, се съгласуват помежду си, е силно доказателство за наличието на общ произход.

Последен универсален общ предшественик

Някои неща са изведени за LUCA или LUA. Тя не е била първата клетка, а такава, чиито потомци са оцелели след най-ранните етапи на микробната еволюция. Въз основа на присъствието им в еубактерии, археи и еукариоти, в LUCA са присъствали около 325 белтъка.

Тези аминокиселини вероятно са първите, които се вграждат в протеините: аланин, аспарагин, аспарагинова киселина, глицин, хистидин, изолевцин, серин, треонин и валин. Тези аминокиселини са открити и при симулации на искрови тръби, както и при анализ на метеорита Мърчисън. Другите аминокиселини, по-късно добавени към генетичния код, включват няколко от най-сложните аминокиселини.

Проучванията от 2000 г. до 2018 г. показват, че времето на LUCA става все по-древно. През 2000 г. оценките сочеха, че LUCA е съществувала преди 3,5-3,8 млрд. години в палеоархайската ера, няколкостотин милиона години преди най-ранните фосилни доказателства за живот, за които има няколко кандидати на възраст от 3,48 до 4,28 млрд. години.

Проучване от 2018 г. на Бристолския университет, използващо модел на молекулярен часовник, поставя LUCA малко след 4,5 милиарда години, в епохата на Хадея.

Въпроси и отговори

В: Какво е еволюционна биология?

О: Еволюционната биология е наука за това как живите организми са еволюирали с течение на времето и как са свързани помежду си.

В: Какво предлага Чарлз Дарвин в "За произхода на видовете"?

О: В "За произхода на видовете" Чарлз Дарвин предлага теорията за всеобщия общ произход чрез еволюционен процес. Той вярва, че всички живи организми на Земята са произлезли от общ прародител.

Въпрос: Какво представлява последният универсален предшественик (LUA)?

О: Последният универсален прародител (LUA), известен също като последен универсален общ прародител (LUCA), е най-скорошният общ прародител на всички живи в момента организми. Смята се, че той се е появил преди около 3,9 милиарда години.

Въпрос: По какъв начин еволюционната биология подкрепя теорията на Чарлз Дарвин?

О: Еволюционната биология подкрепя теорията на Чарлз Дарвин, като предоставя доказателства, че всички живи организми на Земята са произлезли от общ прародител и че този процес е настъпил чрез еволюционен процес във времето. Това осигурява силна подкрепа за неговата хипотеза.

Въпрос: Какво означава, когато група организми имат "общ произход"?

О: Когато група организми имат "общ произход", това означава, че те имат един общ предшественик в определен момент от еволюцията си. Това предполага, че тези видове са свързани помежду си по някакъв начин и могат да проследят произхода си до един организъм или вид.

Въпрос: Как Чарлз Дарвин описва своето виждане за живота?

О: Чарлз Дарвин описва възгледа си за живота като "величествен", като казва: "В този възглед за живота с неговите няколко сили има величие, тъй като първоначално е бил вдъхнат в няколко форми или в една".