LUCA: sista universella gemensamma förfadern och livets ursprung
Utforska LUCA — den sista universella gemensamma förfadern: teorier, 3,9 miljarder år gamla ursprung och vad det avslöjar om livets början.
Inom evolutionsbiologin har en grupp organismer gemensam härstamning om de har en gemensam förfader. Det finns starkt stöd för teorin att alla levande organismer på jorden härstammar från en gemensam förfader.
Charles Darwin föreslog teorin om universell gemensam härstamning genom en evolutionär process i On the Origin of Species och sade: "Det finns en storhet i denna syn på livet, med dess olika krafter, som ursprungligen har andats in i några få former eller i en".p490
Den sista universella förfadern (LUA) (eller sista universella gemensamma förfadern, LUCA) är den senaste gemensamma förfadern för alla nu levande organismer. Man tror att den uppstod för cirka 3,9 miljarder år sedan.
Vad LUCA betyder och vad den inte är
LUCA betecknar den senaste organism (eller population) från vilken alla nu levande organismer kan härledas. Det är viktigt att skilja mellan LUCA och livets allra första uppkomst: LUCA var troligen inte den första livsformen på jorden utan snarare den sista gemensamma förfadern som har en obruten stam som leder fram till dagens organismer. Före LUCA kan det ha funnits flera tidiga livsformer och experimentella biologiska system som inte lämnat direkta ättlingar till dagens liv.
Vad vi kan härleda om LUCA
Genom jämförande genetik och fylogenetiska analyser har forskare kunnat göra vissa rimliga antaganden om LUCA:s egenskaper. Flera kärnfunktioner tyder på att LUCA hade:
- Genetiskt material och avläsningsmaskineri: arvsmassa (troligen DNA) tillsammans med RNA-baserad translation, ribosomer och tRNA. Många gener som kodar för ribosomala proteiner och translationsfaktorer finns i alla levande organismer och antas härstamma från LUCA.
- En cell-liknande struktur: ett membran eller membranliknande avgränsning som separerar inre kemi från omgivningen.
- Grundläggande metabolism: förmåga att producera energi och bygga biomolekyler — sannolikt anaerob metabolism. Många hypoteser pekar mot att LUCA använde redoxkemi med väte (H2) och koldioxid (CO2), möjligen via Wood–Ljungdahl‑vägen (acetyl‑CoA‑vägen) eller andra primitiva koldioxidfixeringsvägar.
- Universell genetisk kod: den kod som översätter RNA-kodoner till aminosyror verkar redan ha funnits i LUCA eller nära dess tidpunkt.
Hur vi studerar LUCA
Forskningen använder flera metoder för att rekonstruera LUCA:
- Jämförande genomik: identifiera gener och proteiner som finns i alla tre domänerna av liv (Bakterier, Arkéer och Eukaryoter) och anta att dessa härstammar från LUCA.
- Fylogenetiska träd och molekylära klockor: härledningar av släktskap mellan gener och uppskattningar av tidsskalen för divergence.
- Experimentell biokemi och rekonstruktion: laboratorieexperiment som testar hur primitiva metaboliska vägar eller ribosomer kan fungera och hur stabila de är under olika förhållanden.
En stor komplikation är horisontell genöverföring (HGT) — gener som flyttats mellan organismer utanför förälder‑barn‑linjen. HGT gör att livets tidiga evolution inte alltid liknar ett rent träd utan snarare ett nätverk, vilket försvårar att peka ut en enda enkel förfader.
Var och när kan LUCA ha levt?
Geologiska och geokemiska data antyder att liv uppstod väldigt tidigt i jordens historia. Fossila spår och kolisotopsignaturer pekar på biologisk aktivitet för minst ~3,5 miljarder år sedan och möjliga tecken ännu tidigare (upp till ~3,8–3,9 miljarder år). LUCA:s ålder uppskattas därför ofta till omkring 3,5–3,9 miljarder år, beroende på metod och antaganden.
Miljöhypoteser för LUCA inkluderar bland annat:
- Djupa havs-hydrotermala källor: heta, mineralrika miljöer vid havsbotten som levererar energi och katalytiska metaller. Dessa miljöer kan ha främjat tidiga metabolism‑liknande kemiska cykler.
- Grunda varma pölar eller ytnära miljöer: cykler av uttorkning och koncentration som underlättar polymerisering av nukleotider och andra biomolekyler.
Osäkerheter och alternativa idéer
Det finns fortfarande många öppna frågor: exakt vilka gener som var närvarande i LUCA, vilken typ av membran den hade, och om LUCA var en enskild cell eller snarare en genetiskt utbytande population eller ett ekosystem av närbesläktade celler. Vissa forskare föreslår att det tidiga livet var ett "genetiskt delat tillstånd" där horisontell överföring var så omfattande att begreppet en enda sista förfader blir svårtolkat.
Sammanfattning
LUCA representerar den senaste gemensamma förfadern för allt nu levande. Genom moderna metoder har vi kunnat rekonstruera många av dess troliga egenskaper—genetiskt informationsflöde, översättningsmaskineri, basal cellstruktur och primitiva metaboliska vägar—men många detaljer återstår osäkra, särskilt på grund av horisontell genöverföring och brist på direkt fossilt material. Forskningen fortsätter att kombinera genomanalys, geologi och experimentell biokemi för att förbättra vår förståelse av hur LUCA och därigenom livet på jorden uppstod och diversifierades.
Historia
På 1740-talet kom Pierre-Louis Maupertuis med det första kända förslaget om att alla organismer kan ha haft en gemensam förfader och att de har utvecklats genom slumpmässig variation och kamp för sin existens. I Essai de Cosmologie konstaterade Maupertuis följande:
Skulle man inte kunna säga att i de slumpmässiga kombinationerna av naturens produkter, eftersom det måste finnas några som kännetecknas av en viss lämplighetsrelation och som kan fortleva, är det inte att förvåna sig över att denna lämplighet finns hos alla de arter som för närvarande existerar? Slumpen, skulle man kunna säga, skapade en oräknelig mängd individer; ett litet antal fann sig vara konstruerade på ett sådant sätt att djurets delar kunde tillfredsställa dess behov; i ett annat oändligt mycket större antal fanns varken lämplighet eller ordning: alla dessa senare har gått under... De arter vi ser idag är bara den minsta delen av vad det blinda ödet har skapat...
Bevis för universell gemensam härstamning
Gemensam biokemi och genetisk kod
Alla kända livsformer bygger på samma grundläggande biokemiska organisation.
Den genetiska informationen kodas i DNA, transkriberas till RNA och översätts sedan till proteiner av (mycket likartade) ribosomer, med ATP, NADH och andra som energikällor osv.
Likheterna omfattar energibäraren adenosintrifosfat (ATP) och det faktum att alla aminosyror som finns i proteiner är vänsterhänta (kiralitet).
Dessutom är den genetiska koden (den "översättningstabell" enligt vilken DNA-informationen översätts till proteiner) nästan identisk för alla kända livsformer, från bakterier till människor.
Biologer anser i allmänhet att denna kod är universell och att den är ett slutgiltigt bevis för teorin om universell gemensam härstamning. Analysen av de små skillnaderna i den genetiska koden har också gett stöd för universell gemensam härstamning. En statistisk jämförelse av olika alternativa hypoteser har visat att universell gemensam härstamning är betydligt mer sannolik än modeller med flera olika ursprung.
Fylogenetiska träd
Ett annat viktigt bevis är att det är möjligt att konstruera detaljerade fylogenetiska träd (det vill säga "genealogiska träd" för arter) som kartlägger de föreslagna indelningarna och gemensamma förfäderna för alla levande arter. År 2010 gav en analys av tillgängliga genetiska data, där dessa kartlades till fylogenetiska träd, "ett starkt kvantitativt stöd för livets enhet". ...Det finns nu ett starkt kvantitativt stöd, genom ett formellt test, för livets enhet.
Traditionellt har dessa träd byggts upp med hjälp av morfologiska metoder, t.ex. komparativ anatomi och embryologi. På senare tid har det blivit möjligt att konstruera dessa träd med hjälp av molekylära data, baserat på likheter och skillnader mellan genetiska sekvenser och proteinsekvenser. Alla dessa metoder ger i stort sett samma resultat. Att fylogenetiska träd baserade på olika typer av information stämmer överens med varandra är ett starkt bevis för en underliggande gemensam härstamning.
Sista gemensamma universella förfader
Vissa saker kan man dra slutsatser om LUCA eller LUA. Den var inte den allra första cellen, men en vars ättlingar överlevde efter de mycket tidiga stadierna av mikrobiell evolution. På grundval av deras förekomst i eubakterier, arkéer och eukaryoter fanns cirka 325 proteiner i LUCA.
Dessa aminosyror var förmodligen de första som byggdes in i proteiner: alanin, asparagin, asparaginsyra, glycin, histidin, isoleucin, serin, treonin och valin. Dessa aminosyror hittades också i simuleringar av gniströr och i analyser av Murchison-meteoriten. De andra aminosyrorna, som senare har lagts till i den genetiska koden, omfattar flera av de mest komplexa aminosyrorna.
Studier från 2000 till 2018 har visat att LUCA har blivit allt äldre. År 2000 föreslog uppskattningar att LUCA existerade för 3,5 till 3,8 miljarder år sedan under den paleoarkeiska eran, några hundra miljoner år före de tidigaste fossila bevisen på liv, för vilka det finns flera kandidater som varierar i ålder från 3,48 till 4,28 miljarder år sedan.
En studie från 2018 från University of Bristol, som använder en molekylär klockmodell, visar att LUCA uppstod för strax efter 4,5 miljarder år sedan, under Hadean-eran.
Frågor och svar
F: Vad är evolutionsbiologi?
S: Evolutionsbiologi är studiet av hur levande organismer har utvecklats över tid och hur de är relaterade till varandra.
F: Vad föreslog Charles Darwin i On the Origin of Species?
Svar: I On the Origin of Species föreslog Charles Darwin teorin om universell gemensam härstamning genom en evolutionär process. Han ansåg att alla levande organismer på jorden härstammar från en gemensam förfader.
F: Vad är den sista universella förfadern (LUA)?
S: Den sista universella förfadern (LUA), även känd som den sista universella gemensamma förfadern (LUCA), är den senaste gemensamma förfadern till alla nu levande organismer. Man tror att den uppstod för cirka 3,9 miljarder år sedan.
F: Hur stöder evolutionsbiologin Charles Darwins teori?
S: Evolutionsbiologin stöder Charles Darwins teori genom att tillhandahålla bevis för att alla levande organismer på jorden härstammar från en gemensam förfader och att denna process har skett genom en evolutionär process över tid. Detta ger ett starkt stöd för hans hypotes.
F: Vad betyder det när en grupp organismer har "gemensam härstamning"?
S: När en grupp organismer har "gemensam härstamning" betyder det att de delar en enda gemensam förfader någon gång under sin utveckling. Detta tyder på att dessa arter är besläktade med varandra på något sätt och att de kan spåra sin härstamning tillbaka till en ursprungsorganism eller -art.
F: Hur beskrev Charles Darwin sin syn på livet?
S: Charles Darwin beskrev sin syn på livet som "storslagen" och sade: "Det finns en storslagenhet i denna syn på livet, med dess olika krafter, som ursprungligen har andats in i ett fåtal former eller i en".
Sök