Аббревиатура LUCA от англ. Last Universal Common Ancestor – последний универсальный всеобщий предок, или Last Universal Cellular Ancestor – последний универсальный клеточный предок. 1. Название гипотетического первородного единого мегаорганизма, с которого по представлениям американского учёного Густаво Каэтано-Анольеса (Gustavo Caetano-Anolles) примерно 3–3.5 млрд. лет началась жизнь на Земле. Однако, согласно сравнительным геномным исследованиям учёных Бристольского университета (Великобритания) (2024 г.) дата появления ЛУКА отодвигается вглубь истории Земли, возраст которой 4,5 млрд. лет. Предполагается, что этот единый первоорганизм (“огромный планетарный организм”, или“сверхорганизм”) уже появился 4,2 млрд. лет назад. И он в виде своеобразного роя “первоклеток” заполнял первичный мировой океан, являя собой глобальный генетический обменный пункт, просуществовавший сотни миллионов лет. Тогда ещё не было атмосферного кислорода, и условия для жизни были совсем другие. Кислородная атмосфера, пригодная для существования современных форм жизни, появилась примерно 3 млрд. лет назад. В то же время следы, свидетельствующие о существовании первых микроорганизмов, датируются возрастом 3,48 млрд. лет.
Идея** о глобальном сверхмассивном мегаорганизме отражает взаимоотношения между первичными клетками (протоклетками), которые ещё не конкурировали между собой, а, напротив, обменивались необходимыми для существования компонентами и информацией, обеспечивая сообща своё выживание. Предполагается, что клеточные мембраны (оболочки) ЛУКА были в буквальном смысле “дырявыми” (пористыми), что позволяло клеткам осуществляь лёгкий обмен внутриклеточными компонентами, которые, попадая в воду, сохраняли свою структуру благодаря уникальным свойствам воды образовывать вокруг молекул (структур) своеобразные защитные оболочки. Стратегия выживания ЛУКА – это стратегия поведения и выживания роя, в котором множество отдельных организмов адаптируются лучше, чем единичные особи. Другими словами, ЛУКА – это глобальная система микроорганизмов, которая взаимодействовала как единое целое (см. Белки ()подающихойихся в полиплоиднойции оно было невозможно без участия факторов среды ()).
Считается, что у ЛУКА генетическая информация сохранялась и воспроизводилась в виде РНК (см. статью РНК). От ЛУКА предположительно 2,9 млрд. лет назад возникли три домена жизни*** – одноклеточные бактерии (Bacteria), одноклеточные архебактерии (археи, Archaea) и более сложные эукариотические клетки (Eucarya), от которых произошли в последующем многоклеточные организмы – растения, грибы и животные. Явление миру последних произошло примерно 640–600 млн. лет назад. Но если ЛУКА был РНК-несущим организмом, тогда откуда же взялась ДНК у представителей этих трёх доменов жизни, которые являются полноценными обладателями ДНКовых геномов? Клетки самого ЛУКА по внешнему виду вряд ли походили даже на архебактерии, а тем более, на современные бактерии. Считается, что это были крупные полиплоидные клетки, содержащие множество мелких линейных хромосом. В то же время, возможно, что усложнение генома ЛУКА происходило за счёт способности “протоклеток” обмениваться генетической информацией. ЛУКА – это “всемирная ярмарка генов”, которыми обменивались клетки за счёт горизонтального переноса информации, но не так, как это делают современные бактерии при “половом процессе”, а, скорее всего, путём слияния отдельных клеток между собой с последующим их произвольным делением. Можно также предположить, что “вселенская задача” ЛУКА заключалась, прежде всего, в наработке большого количества разнообразных генов****, сохранявшихся в многокопийной форме. Изначальная избыточность генов (возможно и в форме полиплоидии), порождённая ЛУКА, была страховочным механизмом, позволяющим любой дочерней клетке, возникающей при делении материнской клетки, получать минимальный набор генов, обеспечивающих её жизнеспособность в условиях отсутствия специализированного сегрегационного аппарата***** (к тому же, возможно, что “первоклетки” делились более чем на две части). Распад ЛУКА на три составных домена связывают с появлением в земной атмосфере кислорода и, вследствие этого, способности у клеток этого гипотетического гиганта самостоятельно снабжать себя всем необходимым без обязательного прежде “товарообмена”. Воистину: “Мавр сделал своё дело, Мавр должен уйти!”. В дальнейшем этот распад привёл к конкурентным взаимоотношениям и дивергентному разнообразию одноклеточных организмов, обладающих различными типами питания (автотрофия и гетеротрофия). Гетеротрофный тип питания или вторичная потеря автотрофности, в свою очередь, привели в дальнейшем к возникновению различных форм комменсализма, паразитизма и хищничества (см. Археи). 2. В популярной книге “Лестница жизни” (“Life Ascending”, 2007) английский биохимик Ник Лейн (Nick Lane) представляет ЛУКА “…не свободно живущей клеткой, а целым лабиринтом из минеральных клеток, стенки которого были выстланы каталитическим составом из железа, серы и никеля, получавшим энергию за счёт природного протонного градиента”.
Гипотеза существования ЛУКА правомочна уже по той причине, что у всех живущих в настоящее время организмов есть явные общие свойства, такие как: 1. Клеточность строения. 2. Генетическая информация записана в молекулах ДНК. 3. Белки кодируются с помощью универсального (почти) кода. 4. У всех существ одна разменная энергетическая монета – АТФ (аденозинтрифосфат). 5. Для всех живых существ характерен общий набор ключевых обменных процессов, в центре которых находится цикл реакций, называемый циклом Кребса.
*Этот организм ещё называют Каплука.
**Идея о мегаорганизме LUCA основана на относительно высоком консерватизме трёхмерной структуры белков, которая в ходе эволюции изменяется не так быстро как первичная последовательность ДНК. Каэтано-Анольес, просмотрев базы данных по белкам, обнаружил у нескольких сотен различных современных организмов от 5 до 11 % универсальных белков, чья структура как бы законсервировалась в процессе эволюции (см. Белки).
***В 2006 г. была опубликована гипотеза Фортерра, согласно которой первыми носителями ДНК, были вирусы, которые, заразив “первородные организмы”, привели к возникновению трех независимых клеточных доменов жизни (Forterre P. PNAS, 2006, v. 103, 3669–3674) (см. Археи).
****Результаты, полученные нашими соотечественниками (в частности, Евгением Куниным (Eugene Koonin)****** из NIH, США), в работах по сравнительному анализу генов у клеточных организмов, геномы которых уже расшифрованы, показывают, что практически все они содержат около 60 общих генов. Считается, что все эти гены, несомненно, были у общего предка и достались всем ныне существующим организмам в наследство. Эти гены кодируют белки, обеспечивающие наиболее древние и важные для жизнедеятельности клетки функции, биохимическая основа которых сохранилась неизменной до наших дней.
*****Митотический аппарат, как универсальный способ распределения генетического материала появился только у эукариотических клеток.
******Используя биоинформационные методы, Е. Кунин предсказал существование у бактерий “иммунной” системы, кодирующей особые “защитные” белки и содержащей короткие молекулы РНК, определяющие специфичность действия этих белков. Такой защитной системой бактерий оказалась система CRISPR/Cas9 (см. Геномное “редактирование”).