În secolul al XX-lea, biologia moleculară a stabilit că toate organismele vii au în comun aceleași macromolecule purtătoare de informații (ADN, ARN și proteine) și același cod genetic pentru transferul de informații între aceste molecule. Această unitate a lumii vii indică o origine comună, un strămoș care avea toate aceste caracteristici. Ca o aluzie la Lucy, strămoșul comun a fost supranumit LUCA (acronim pentru Last Universal Common Ancestor – Ultimul strămoș comun universal) în timpul unui simpozion internațional organizat în Franța de către Fondation des Treilles în 1996. Folosind date din genomica comparativă, o disciplină emergentă la acea vreme, bazată pe secvențierea organismelor aparținând celor trei domenii ale lumii vii (archaea, bacterii și eucariote), această comunitate de cercetători și-a propus să reconstituie caracteristicile LUCA. Anul trecut, un nou forum a fost organizat la Fondation des Treilles pentru a sărbători cea de-a douăzecea aniversare a denumirii LUCA, pentru a trece în revistă datele colectate din 1996 și pentru a schița o primă schiță a acestui strămoș.
Totuși, ar trebui mai întâi clarificată o neînțelegere frecventă: LUCA, care a trăit acum peste trei miliarde de ani, nu a fost prima celulă care a apărut pe planeta noastră. Genomica comparată a demonstrat existența a trei molecule de ARN și a 34 de proteine ribosomale1 comune tuturor organismelor vii și, prin urmare, și LUCA. Având în vedere complexitatea lor, aceste molecule nu ar fi putut apărea decât după o lungă perioadă de evoluție. Prin urmare, LUCA trebuie să fi împărțit planeta cu multe alte organisme rezultate din același interval de timp. Cu toate acestea, contemporanii săi nu au lăsat urmași, ceea ce nu înseamnă că nu ne-au transmis anumite gene, la fel cum au făcut Denisovanii și Neanderthalienii cu strămoșii noștri Homo sapiens. De asemenea, se poate face o paralelă între LUCA și Eva africană, ultima mamă comună tuturor femeilor moderne: Nici Eva nu a fost prima femeie Homo sapiens și nici nu a trăit singură în Africa la acea vreme.
Două ramuri, același arbore
Genomica comparativă în ribozomi a dezvăluit, de asemenea, că, pe lângă cele 34 de proteine universale, ribozomii moderni conțin un număr mare de proteine unice pentru bacterii, archaea și/sau eucariote. Una dintre trăsăturile lor remarcabile este faptul că sunt fie specifice unuia dintre cele trei domenii, fie comune pentru archaea și eucariote. Pe parcursul evoluției, aceste proteine au fost, prin urmare, dobândite în două linii distincte: una care duce de la LUCA la bacterii, iar cealaltă de la LUCA la archaea și eucariote.
LUCA’s ribosomes were therefore less complex than modern ones, with around half the number of proteins. În linii mari, compararea mecanismelor moleculare din archaea și bacterii a arătat că, în toate cazurile, aceste procese trebuie să fi fost considerabil mai simple în LUCA decât în celulele moderne și că o creștere a complexității a avut loc în mod independent în bacterii, pe de o parte, și în archaea și eucariote, pe de altă parte.
Probabil că în LUCA nu existau complexele moleculare ultrasofisticate întâlnite în organismele moderne, care, de exemplu, le permit să producă energie foarte eficient. În mod similar, genomul său era probabil încă alcătuit din ARN și este posibil ca ADN-ul și mecanismele sale de replicare să fi apărut de două ori în mod independent, poate de la linaje virale foarte vechi. Prezența virușilor în timpul LUCA este evidențiată astăzi de existența unor familii majore de viruși ai căror membri infectează fie bacterii, fie archaea, fie eucariote.
Un strămoș rece (sau călduț)
Descoperirea de archaea care trăiesc la temperaturi foarte ridicate a sugerat inițial că LUCA însăși a fost un hipertermofilFermerHipertermofilele sunt archae a căror temperatură optimă de creștere este egală sau mai mare de 80°C (definită de microbiologul german Karl Stetter, care a fost primul care a descris cele mai multe dintre aceste microorganisme)… Reconstrucția unora dintre secvențele sale ancestrale de către o echipă CNRS din Lyon, condusă de Manolo Gouy2, a arătat că, probabil, nu era cazul. Cu toate acestea, lucrările aceleiași echipe demonstrează că strămoșii atât ai bacteriilor, cât și ai archaelor au trăit la temperaturi ridicate. Cum ar fi putut atunci un LUCA rece (sau călduț) să evolueze în strămoșii fierbinți ai bacteriilor și archaea? Am avansat ideea că organismele din ambele domenii ar fi putut evolua în formele lor actuale prin adaptarea la temperaturi din ce în ce mai ridicate. Prin urmare, această schimbare ar fi putut juca un rol crucial în formarea lumii vii pe care o cunoaștem astăzi.
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). O ipoteză populară postulează că eucariotele descind dintr-o arhee care, prin endosimbioză, a asimilat bacteria din care provin mitocondriile. În 2015, o echipă din Suedia a anunțat descoperirea Lokiarchaeota, care ar putea fi veriga lipsă între archaea și eucariote. Lucrările echipei noastre au arătat totuși că această concluzie a fost influențată de mai multe artefacte metodologice. Noi preferăm teoria conform căreia eucariotele nu au descins direct din archaea, ci au un strămoș comun cu acestea. Astfel, este posibil ca anumite caracteristici ale eucariotelor să fi existat în LUCA și să se fi pierdut ulterior în archaea și bacterii.
Fără o mașină a timpului, realizarea unui portret al LUCA și determinarea formei arborelui universal al vieții vor rămâne pentru mult timp probleme controversate. Cu toate acestea, fluxul constant de date noi provenite din genomica comparativă restrânge din ce în ce mai mult scenariile posibile. Urmăriți acest spațiu!
Analizele, punctele de vedere și opiniile exprimate în această secțiune sunt ale autorilor și nu reflectă în mod necesar poziția sau politicile CNRS.
- 1. Ribozomii sunt componente celulare foarte complexe, care sintetizează proteine folosind informații transportate de ARN sau ADN.
- 2. Laboratoire de biométrie et biologie évolutive (CNRS / Univ. Claude-Bernard / VetAgro Sup / Hospices civils de Lyon / Inria).