A huszadik században a molekuláris biológia megállapította, hogy minden élő szervezet ugyanazokkal az információhordozó makromolekulákkal (DNS, RNS és fehérjék) rendelkezik, és ugyanaz a genetikai kód közvetíti az információt e molekulák között. Az élővilágnak ez az egysége közös eredetre utal, egy olyan ősre, amely mindezekkel a tulajdonságokkal rendelkezett. Lucyra utalva a közös őst LUCA-nak (a Last Universal Common Ancestor rövidítése) nevezték el egy 1996-ban Franciaországban a Fondation des Treilles által szervezett nemzetközi szimpóziumon. A kutatóközösség az összehasonlító genomika – egy akkoriban kialakulóban lévő tudományág, amely az élővilág három területéhez (archaea, baktérium és eukarióta) tartozó szervezetek szekvenálásán alapul – adatainak felhasználásával nekilátott a LUCA jellemzőinek rekonstruálásához. Tavaly a Fondation des Treilles-ben újabb fórumot tartottak, hogy megünnepeljék a LUCA elnevezésének huszadik évfordulóját, áttekintsék az 1996 óta gyűjtött adatokat, és felvázolják ennek az ősnek a kezdeti körvonalait.
Egy gyakori félreértést azonban először is tisztázni kell: A több mint hárommilliárd évvel ezelőtt élt LUCA nem az első sejt volt, amely bolygónkon megjelent. Az összehasonlító genomika kimutatta három RNS-molekula és 34 riboszomális1 fehérje létezését, amelyek közösek minden élő szervezetben, így a LUCA-ban is. Tekintettel összetettségükre, ezek a molekulák csak hosszú evolúciós időszak után jelenhettek meg. A LUCA-nak tehát sok más, ugyanebből az időszakból származó élőlénnyel kellett megosztania a bolygót. Kortársai azonban nem hagytak utódokat, ami nem jelenti azt, hogy ne adtak volna át nekünk bizonyos géneket, ahogyan a denisovaiak és a neandervölgyiek tették ezt a mi Homo sapiens őseinkkel. Párhuzamot vonhatunk LUCA és az afrikai Éva, az utolsó, minden modern nővel közös anya között is: Éva sem volt az első Homo sapiens nő, és nem is egyedül élt akkoriban Afrikában.
Két ág, ugyanaz a fa
A riboszómák összehasonlító genomikai vizsgálata azt is feltárta, hogy a 34 univerzális fehérje mellett a modern riboszómák nagyszámú olyan fehérjét tartalmaznak, amelyek csak baktériumokra, archaikusokra és/vagy eukariótákra jellemzőek. Egyik figyelemre méltó jellemzőjük, hogy vagy a három domén valamelyikére specifikusak, vagy közösek az archaea és az eukarióták között. Az evolúció során ezeket a fehérjéket tehát két különálló vonalban szerezték meg: az egyik a LUCA-tól a baktériumokhoz, a másik a LUCA-tól az archaea és az eukariótákhoz vezetett.
LUCA’s ribosomes were therefore less complex than modern ones, with around half the number of proteins. Az archaea és a baktériumok molekuláris mechanizmusainak összehasonlítása általánosságban azt mutatta, hogy ezek a folyamatok a LUCA-ban minden esetben lényegesen egyszerűbbek lehettek, mint a modern sejtekben, és hogy a növekvő komplexitás egyrészt a baktériumokban, másrészt az archaea és az eukarióták esetében egymástól függetlenül következett be.”
A LUCA-ból valószínűleg hiányoztak a modern organizmusokban megtalálható, rendkívül kifinomult molekuláris komplexek, amelyek például lehetővé teszik számukra a nagyon hatékony energiatermelést. Hasonlóképpen, genomja valószínűleg még RNS-ből állt, és lehetséges, hogy a DNS és annak replikációs mechanizmusai kétszer is megjelenhettek egymástól függetlenül, talán nagyon ősi vírusvonalakból. A vírusok jelenlétét a LUCA idejében ma már a nagy víruscsaládok létezése bizonyítja, amelyek tagjai vagy baktériumokat, vagy archaea, vagy eukariótákat fertőznek.
Egy hideg (vagy langyos) ős
A nagyon magas hőmérsékleten élő archeák felfedezése kezdetben azt sugallta, hogy maga a LUCA is hipertermofil voltFermerA hipertermofilok olyan archeák, amelyek optimális növekedési hőmérséklete eléri vagy meghaladja a 80°C-ot (ezt Karl Stetter német mikrobiológus határozta meg, aki a legtöbb ilyen mikroorganizmust elsőként írta le). A Manolo Gouy2 által vezetett lyoni CNRS-csoport által végzett néhány ősi szekvencia rekonstrukciója kimutatta, hogy ez valószínűleg nem így van. Ugyanennek a csapatnak a munkája azonban azt mutatja, hogy mind a baktériumok, mind az archaea ősei magas hőmérsékleten éltek. Hogyan alakulhatott ki tehát egy hideg (vagy langyos) LUCA a baktériumok és az archaea forró őseiből? Azt az elképzelést vetettem fel, hogy mindkét területen az organizmusok az egyre magasabb hőmérséklethez való alkalmazkodással fejlődhettek jelenlegi formájukká. Ez a váltás tehát döntő szerepet játszhatott a ma ismert élővilág kialakulásában.
We have yet to understand the emergence of eukaryotes, organisms whose cells—unlike archaea and bacteria—have a nucleus and organelles such as mitochondria (responsible for respiration) and chloroplasts (responsible for photosynthesis). Egy népszerű hipotézis szerint az eukarióták egy archeától származnak, amely endoszimbiózis útján asszimilálta azt a baktériumot, amelyből a mitokondriumok származnak. 2015-ben egy svédországi csapat bejelentette a Lokiarchaeota felfedezését, amely az archaea és az eukarióták közötti hiányzó láncszem lehet. Csapatunk munkája mindazonáltal kimutatta, hogy ezt a következtetést több módszertani műhiba is torzította. Mi azt az elméletet részesítjük előnyben, hogy az eukarióták nem közvetlenül az archaea-tól származnak, hanem közös ősük van velük. Az eukarióták bizonyos jellemzői tehát már a LUCA-ban is létezhettek, majd az archaea és a baktériumokban elveszhettek.
Időgép nélkül a LUCA portréjának megrajzolása és az univerzális életfa alakjának meghatározása sokáig vitatott kérdés marad. Az összehasonlító genomikából származó friss adatok folyamatos áramlása azonban egyre inkább leszűkíti a lehetséges forgatókönyveket. Figyeljük ezt a helyet!
Az ebben a részben kifejtett elemzések, nézetek és vélemények a szerzők sajátjai, és nem feltétlenül tükrözik a CNRS álláspontját vagy politikáját.
- 1. Vö. A riboszómák nagyon összetett sejtkomponensek, amelyek fehérjéket szintetizálnak az RNS vagy a DNS által hordozott információk felhasználásával.
- 2. A riboszómák a fehérjék szintézisét végzik. Laboratoire de biométrie et biologie évolutive (CNRS / Univ. Claude-Bernard / VetAgro Sup / Hospices civils de Lyon / Inria).