L' ultimo antenato comune universale ( DACU ) è l'organismo più recente da cui provengono tutte le specie che attualmente vivono sulla Terra. Il termine in inglese Last Universal Common Ancestor ha l'acronimo LUCA .
LUCA sarebbe stato attivo da 3,3 a 3,8 miliardi di anni fa. Non va confuso con il primo organismo vivente . Era un organismo abbastanza complesso, già frutto di una lunga evoluzione segnata dalla selezione naturale.
Il presupposto alla base di questo concetto di LUCA è che tutti gli esseri viventi discendono da antenati comuni , in un'epoca in cui l'unica riproduzione era la divisione cellulare . Ciò implica l'esistenza nel lontano passato di una cellula come:
LUCA non va confuso con il primo organismo vivente , né con il più recente antenato di tutte le forme di vita vissute sulla Terra (comprese quelle ormai estinte). La complessità degli RNA e delle proteine che conteneva implica che esso stesso provenisse da una linea evolutiva e che probabilmente coesistesse con altre forme di vita che non lasciarono gli attuali discendenti.
Carl Woese aveva proposto nel 1977 il termine progenote per designare un organismo vivente primitivo che cercava di acquisire il controllo sul proprio fenotipo attraverso il proprio genoma e che sarebbe stato l'antenato di tutti gli esseri viventi. LUCA sarebbe secondo lui l'ultimo progenota prima della ramificazione dei vivi come li conosciamo.
Il termine inglese cenancestor ( " cenancestor " ), formato dal greco kainos ( "recente" ) e koinos ( "comune" ), è stato suggerito da Fitch e Upper nel 1987.
Il nome LUCA è stato suggerito nel 1994 da Christos Ouzounis e Nikos Kyrpides. È stato reso popolare da un seminario del 1996 organizzato da Patrick Forterre e dalla fondazione Treilles . Il CNRS propone un possibile cenno a Lucy , un Australopithecus scoperto nel 1974, che le fonti anglosassoni non ripetono.
Richard Dawkins usa il termine concestor ( antenato comune ), coniato da Nicky Warren. Gustavo Caetano-Anollés lo chiama urancestor (antenato assoluto).
In questo approccio supportato dalla genealogia cellulare, i virus non sono inclusi tra gli esseri viventi. Si pone il problema della loro filogenesi , ma l'origine comune dei virus non può essere dimostrata dal confronto delle loro sequenze nucleotidiche , e per il momento nessuna classificazione dei virus pretende di essere filogenetica.
D'altra parte, i virus hanno svolto un ruolo significativo nell'evoluzione degli organismi viventi effettuando trasferimenti genici. È probabile che archaea e batteri abbiano acquisito parte del loro DNA dai virus.
LUCA sarebbe stato suddiviso in due cellule figlie all'origine delle prime due linee che ancora oggi hanno discendenti.
I tre principali lignaggi degli esseri viventi sono batteri , archaea (entrambi costituiti da organismi unicellulari con cellule prive di cellule, noti come procarioti) ed eucarioti (organismi mono o pluricellulari in cui la cellula o le cellule hanno un nucleo, e di cui soprattutto piante, funghi e animali). Queste tre linee hanno in comune 3 molecole di RNA e 34 proteine presenti nel ribosoma . Questo insieme è troppo complesso per essere stato acquisito indipendentemente da organismi lontani come batteri , archaea ed eucarioti . Oltre a queste 34 proteine universali, i ribosomi moderni contengono molte altre proteine comuni, sia a uno dei tre domini degli esseri viventi, sia agli archei e agli eucarioti.
Il problema con la filogenesi delle origini è stabilire quale sia stata la prima biforcazione, cioè quale delle linee di eubatteri , archaea o eucarioti si sia staccata per prima dall'antenato degli altri due (quindi il gruppo fratello di tutti gli altri). Gli studi attuali considerano batteri e archaea come i primi due rami dell'albero della vita , eucarioti emersi tra gli archea di Asgård per endosimbiosi, uno con un α- proteobatterio che divenne mitocondri e un processo ancora povero incluso per il nucleo.
Gli studi di minoranza si sono conclusi diversamente, considerando che i neomuri (il clade comprendente gli archaea e gli eucarioti) hanno origine tra i batteri (che formerebbero quindi un gruppo parafiletico ), o nel ramo dei Firmicutes , o che il ramo dei Chloroflexi sarebbe essere il gruppo fratello di un clade che raccoglie gli Archaea, gli Eucarioti e il resto dei batteri, come proposto da Thomas Cavalier-Smith . Secondo altri autori, LUCA sarebbe stato eucariotico, e avrebbe quindi dato vita a una linea di batteri e archea per semplificazione evolutiva .
L'esistenza di LUCA non è provata dai fossili, ma è presunta dall'analisi delle linee genetiche dei viventi. I caratteri LUCA vengono sottratti da quelli condivisi dai suoi discendenti. Il lavoro in biologia evoluzionistica consente di descrivere con sempre più precisione la storia degli esseri viventi, e in particolare come sono apparse le caratteristiche, condivise o meno dalle principali aree degli esseri viventi .
Secondo Patrick Forterre , LUCA è "una cellula abbastanza complessa" , risultante da una lunga evoluzione da cellule vecchie che presentano un metabolismo e sono in grado di riprodursi.
Aveva una membrana costituita da terpenoidi , più semplici di quelle delle cellule attuali. Non era probabilmente un organismo libero ma confinato nelle micro pori di sorgenti idrotermali alcalini. Il suo metabolismo si basa su reazioni redox . L'idrogeno nell'acqua, ridotto di Fe 2+, potrebbe essere utilizzato per fissare la CO 2 . Non aveva un enzima che le permettesse di nutrirsi di materia organica preesistente.
Presenta invece molti enzimi coinvolti nel metabolismo dei nucleotidi e un ribosoma primordiale che permette la sintesi delle proteine ma in maniera ancora poco affidabile. Lei certamente "ha avuto poche centinaia di geni" e di un RNA del genoma . Oltre ai tre grandi RNA universali (16S, 23S e 5S), il suo ribosoma consisteva di una trentina di proteine (rispetto alle 60-80 dei suoi discendenti moderni). Si ritiene che il DNA sia stato introdotto successivamente e indipendentemente, nella linea batterica e quella che porta agli archei e agli eucarioti , perché le proteine che lo replicano sono diverse in queste due linee. Le 33 proteine ribosomiali caratteristiche degli archaea e degli eucarioti sono sostituite da altre 23 che sono molto diverse nei batteri. Probabilmente sono stati aggiunti al ribosoma di questi organismi da virus dopo la divergenza dei due lignaggi.
LUCA era anche complesso in termini di struttura cellulare. Si ritiene che abbia organelli simili agli acidocalcisomi per immagazzinare energia . Queste strutture cellulari dovevano accumulare composti come i polifosfati che immagazzinano energia nei loro legami di fosfoanidride. Questi composti energetici erano necessari per tioesteri e pirofosfati permettendo il trasporto di energia dal mezzo ambientale a beneficio del metabolismo di questo progenote.
Uno studio pubblicato nel 2016 da William Martin , analizzando 6,1 milioni di geni codificanti proteine derivate dal sequenziamento del genoma di molti procarioti (1.847 genomi batterici e 134 genomi archaea ), ha identificato 355 cluster di proteine che sono probabilmente condivisi con LUCA, tra i 286.514 cluster studiati. Questo permette di descrivere LUCA come un organismo autotrofico , anaerobico , termofilo , dipendente da idrogeno e anidride carbonica con via riducente dell'acetil-coenzima A e in grado di fissare il diazoto . LUCA ha utilizzato un accoppiamento chemio-osmotico su entrambi i lati della sua membrana cellulare per produrre ATP utilizzando un enzima di tipo ATP sintasi . La presenza dell'enzima DNA girasi inversa nel genoma teorico di LUCA, un enzima specifico per gli organismi termofili , suggerisce che LUCA si sia sviluppato vicino a bocche idrotermali , un ambiente anaerobico ricco di H 2, CO 2e ferro. Questo studio ha anche permesso di dimostrare la presenza di geni che codificano per la S-adenosilmetionina , indicando che LUCA ha effettuato modifiche chimiche dei nucleosidi sia nel suo tRNA che nel suo rRNA . Lo studio di William Martin ipotizza che LUCA fosse dipendente dalla sintesi abiotica e spontanea del metano da H 2e CO 2presente nelle bocche idrotermali nel suo ambiente, e sottolinea l'importanza dei gruppi metilici nello sviluppo del metabolismo LUCA. Questo studio suggerisce anche che gli organismi metanogeni e i clostridi acetogeni sono gli attuali parenti più stretti di LUCA.
Secondo il lavoro di Manolo Gouy, LUCA non è probabilmente ipertermofilo perché il suo RNA ribosomiale non mostra il rafforzamento nelle coppie G - C tipico di questi organismi. Sarebbe piuttosto mesofilo (da 20 a 60 ° C). Alcuni batteri e archaea si sono sviluppati successivamente in un biotopo molto caldo, diventando ipertermofili (il che ha richiesto l'esistenza del DNA , che è più stabile dell'RNA a queste temperature). Questo contesto potrebbe aver favorito “le somiglianze superficiali che osserviamo tra archaea e batteri, quello che possiamo chiamare il “fenotipo” procariotico.
Il concetto iniziale di LUCA si basa su ipotesi che prescindono dai fenomeni di coniugazione , endocitosi o trasferimento genetico, che coinvolgono due cellule. Ad esempio, il nucleo delle cellule eucariotiche potrebbe avere un'ascendenza distinta da quella del suo protoplasma . Infatti, nella riproduzione sessuata, il nucleo ha un'ascendenza distinta dal suo protoplasma, il primo proveniente per metà da ciascuno dei genitori, il secondo proveniente spesso esclusivamente dalla madre, in particolare per quanto riguarda i mitocondri , e cloroplasti nel caso di Pianta.
Più di recente, il XXI ° secolo , Luca è invece visto come una popolazione di protocellule capaci di geni di scambio massicciamente, e che nel conto finale dato vita a entrambi i domini sono procarioti archaea e batteri .
Prima di queste separazioni, la popolazione LUCA ha raggiunto una miscelazione genetica sufficiente in modo che una componente genetica che definisce un sistema metabolico coerente potesse essere potenzialmente disseminata in tutta la biosfera. Da questo punto di vista, la popolazione microbica rappresentava un insieme di individui incrociati, quindi un'unica “specie”. Questa popolazione non era necessariamente omogenea, la prevalenza di un particolare metabolismo dipendeva dalle condizioni ecologiche. In particolare, la conservazione di un sistema fotosintetico conferisce un vantaggio riproduttivo solo in ambienti illuminati.
L'analisi dei domini proteici e delle famiglie e superfamiglie di configurazione consente di tracciare l'evoluzione di diverse cellule parallelamente a quella dei virus. L'analisi dell'orologio molecolare associato a queste proteine suggerisce che la prima separazione sia stata quella tra virus e microbi, ci sia -3,4 Ga , seguita da quella tra Archaea e batteri , ci sia -3,0 Ga In relazione alla storia della Terra , la prima separazione corrisponde all'invenzione della fotosintesi, la seconda si riferisce probabilmente all'origine della nitrogenasi.