Một bản trình bày kỹ thuật số cho thấy LUCA thực sự đã bị virus tấn công như thế nào từ 4,2 tỷ năm trước. Bản quyền: Thiết kế đồ họa khoa học

Một Đại học BristolMột nghiên cứu của các nhà nghiên cứu tại Đại học Harvard đã phát hiện ra rằng sự sống trên Trái đất, bắt nguồn từ một tổ tiên chung tên là LUCA, đã phát triển mạnh mẽ ngay sau khi hành tinh này hình thành.

Thông qua phân tích di truyền và mô hình tiến hóa, các nhà nghiên cứu đã xác định chính xác sự tồn tại của LUCA khoảng 4,2 tỷ năm trước, tiết lộ nó là một sinh vật phức tạp với hệ thống miễn dịch sớm được tích hợp với các hệ sinh thái lâu đời nhất trên Trái đất.

Bản thiết kế di truyền của LUCA và con cháu của nó

Mọi thứ còn sống ngày nay đều bắt nguồn từ một tổ tiên chung duy nhất được trìu mến gọi là LUCA (Tổ tiên chung cuối cùng của vũ trụ).

LUCA được cho là tổ tiên chung mà mọi dạng sống tế bào hiện đại đều bắt nguồn từ đó, từ các sinh vật đơn bào như vi khuẩn đến những cây gỗ đỏ khổng lồ (cũng như con người chúng ta). LUCA đại diện cho rễ của cây sự sống trước khi nó được chia thành các nhóm được biết đến ngày nay là Vi khuẩn, Vi khuẩn cổ và Bạch đàn. Cuộc sống hiện đại được phát triển từ LUCA từ nhiều nguồn khác nhau: giống nhau Axit amin Nó được sử dụng để tạo ra protein trong tất cả các sinh vật tế bào, đồng tiền năng lượng chung (ATP) và sự hiện diện của các bộ máy tế bào như ribosome và các bộ phận khác liên quan đến việc tạo ra protein từ thông tin được lưu trữ trong ADNvà thậm chí thực tế là tất cả các dạng sống tế bào đều sử dụng chính DNA làm phương tiện lưu trữ thông tin.

Phương pháp nghiên cứu và kỷ nguyên LUCA

Nhóm nghiên cứu đã so sánh tất cả các gen trong bộ gen của sinh vật Phân loạibằng cách đếm các đột biến đã xảy ra trong trình tự của chúng theo thời gian kể từ khi chúng có chung tổ tiên ở LUCA.

Thời điểm phân tách của một số loài được biết đến từ hồ sơ hóa thạch, vì vậy nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp di truyền tương đương với phương trình quen thuộc dùng để tính tốc độ trong vật lý để tìm ra thời điểm LUCA tồn tại và đi đến câu trả lời rằng nó xảy ra cách đây 4,2 tỷ năm. , khoảng bốn trăm triệu năm sau khi Trái đất và hệ mặt trời của chúng ta hình thành.

Tiến sĩ Sandra Alvarez Carretero, đồng tác giả nghiên cứu từ Trường Khoa học Trái đất của Bristol, cho biết: “Chúng tôi không ngờ hành tinh Luca lại già đến vậy, chỉ trong vòng hàng trăm triệu năm kể từ khi Trái đất hình thành. Tuy nhiên, kết quả của chúng tôi đều nhất quán”. với những quan điểm gần đây về khả năng sinh sống ban đầu của Trái đất.

Những hiểu biết về sinh lý và mô hình tiến hóa của LUCA

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu làm việc để xác định đặc điểm sinh học của LUCA bằng cách mô hình hóa các đặc điểm sinh lý của các loài sống thông qua dòng dõi của sự sống tới LUCA. Tác giả chính, Tiến sĩ Edmund Moody giải thích: “Lịch sử tiến hóa của gen rất phức tạp do sự trao đổi giữa các dòng dõi. Chúng ta phải sử dụng các mô hình tiến hóa phức tạp để dung hòa lịch sử tiến hóa của gen với phả hệ của các loài.”

Tiến sĩ Tom Williams, đồng tác giả của nghiên cứu từ Trường Khoa học Sinh học của Bristol, cho biết: “Một trong những lợi thế thực sự ở đây là áp dụng phương pháp đối chiếu cây gen và cây loài cho một tập hợp dữ liệu đa dạng đại diện cho các lĩnh vực quan trọng của cuộc sống như vi khuẩn cổ và vi khuẩn Điều này cho phép chúng tôi “Bằng cách nói điều đó một cách khá tự tin và đánh giá mức độ tin cậy đó về cách LUCA sống.”

Sự phức tạp của dự án LUCA và tác động môi trường của nó

Giáo sư David Pisani, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy LUCA là một sinh vật phức tạp, không khác biệt mấy so với sinh vật nhân sơ hiện đại, nhưng điều thực sự thú vị là nó rõ ràng đã có hệ thống miễn dịch sớm, cho thấy ngay cả trước đó”. “4,2 tỷ năm trước, tổ tiên của chúng ta đã tham gia vào một cuộc chạy đua vũ trang với virus.”

Đồng tác giả Tim Lenton (từ Trường Địa lý của Đại học Exeter) cho biết: “LUCA rõ ràng đang khai thác và thay đổi môi trường của chúng, nhưng chúng dường như không sống một mình. Chất thải của chúng có thể là thức ăn cho các vi khuẩn khác, chẳng hạn như methanogens , điều này sẽ giúp tạo ra một hệ sinh thái tái chế.”

Ý nghĩa rộng hơn của việc học tập đối với giai đoạn đầu đời

Đồng tác giả, Giáo sư Anya Spang (Viện Nghiên cứu Hàng hải Hoàng gia Hà Lan) cho biết thêm: “Kết quả và phương pháp được sử dụng trong công trình này cũng sẽ mang lại lợi ích cho các nghiên cứu trong tương lai điều tra chi tiết hơn về quá trình tiến hóa tiếp theo của vi khuẩn cổ trong lịch sử Trái đất, bao gồm cả những nghiên cứu ít được nghiên cứu hơn”. vi khuẩn cổ và các đại diện sinh metan của chúng.”

Giáo sư Philip Donoghue, đồng tác giả, cho biết: “Công trình của chúng tôi tập hợp dữ liệu và phương pháp từ nhiều ngành, tiết lộ những hiểu biết sâu sắc về Trái đất và sự sống ban đầu mà không riêng ngành nào có thể đạt được. Nó cũng cho thấy hệ sinh thái được hình thành sớm như thế nào. Trái đất. Điều này “Nó gợi ý rằng sự sống có thể phát triển mạnh mẽ ở các sinh quyển giống Trái đất ở những nơi khác trong vũ trụ.”

Tham khảo: “Bản chất của Tổ tiên chung phổ quát cuối cùng và tác động của nó đối với hệ thống Trái đất sơ khai” của Edmund R. R. Moody, Sandra Alvarez-Carretero, Tara A. Mahendrarajah, James W. Clark, Holly C. Bates, Nina Dombrowski, Lenard L . Xantho, Richard A. Boyle và Stuart Dennis, Shi Chen, Nick Lin, Zhiheng Yang, Graham A. Shields, Gergely J. Solosi, Anya Spang, David Pisani, Tom A. Williams, Timothy M. Linton và Philip C. J. Donoghue, ngày 12 tháng 7 năm 2024. Sinh thái tự nhiên và tiến hóa.
doi: 10.1038/s41559-024-02461-1

Các nhà khoa học từ Đại học College London (UCL), Đại học Utrecht, Trung tâm Nghiên cứu Môi trường Budapest và Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa của Đại học Sau đại học cũng tham gia nghiên cứu.

Nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ John Templeton. Quan điểm thể hiện trong ấn phẩm này là của các tác giả và không nhất thiết phản ánh quan điểm của Quỹ John Templeton.