حیات پیچیده روی زمین ممکن است یک میلیارد سال قدیمی‌تر از تصور گذشته باشد

زومیت/ پژوهشگران احتمال می‌دهند که حیات پیچیده شاید حدود یک میلیارد سال قدیمی‌تر از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد، روی زمین آغاز شده باشد.

منشأ حیات پیچیده و دارای هسته ممکن است بسیار قدیمی‌تر از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد، باشد. پژوهش جدیدی حاکی است که تحول از نیاکان ساده‌تر به سوی حیات پیچیده تقریباً ۳ میلیارد سال پیش آغاز شده است؛ یعنی زمانی که سطح اکسیژن زمین هنوز برای حمایت از یک زیست‌بوم یوکاریوتی پررونق کافی نبود. این یافته تقریباً یک میلیارد سال زودتر از برخی برآوردهای پیشین برای ظهور سلول‌های پیچیده است و نشان می‌دهد که مسیر تکامل به سمت پیچیدگی، فرایندی طولانی و تدریجی و نه جهشی ناگهانی بوده است.

حیات زمینی را می‌توان به روش‌های مختلف دسته‌بندی کرد؛ اما یکی از ابتدایی‌ترین تمایزها میان پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها است. پروکاریوت‌ها، که شامل باکتری‌ها و آرکی‌ها می‌شوند، اولین موجودات زنده‌ای بودند که حدود چهار میلیارد سال پیش ظاهر شدند. پروکاریوت‌ها ساختاری ساده دارند و اساساً از یک غشای سلولی، چند پروتئین مقاوم و DNA شناور تشکیل شده‌اند. درمقابل، یوکاریوت‌ها بعدتر ظاهر شدند و بسیار پیچیده‌ترند؛ آن‌ها دارای هسته، اندامک‌ها، غشاهای داخلی حساس و ژنوم‌های بزرگ و منظم‌تر هستند.

تحول از نیاکان ساده به حیات پیچیده تقریباً ۳ میلیارد سال پیش آغاز شده و مسیر تکامل یوکاریوت‌ها تدریجی بوده است

همان‌طور که ساینس‌آلرت می‌نویسد، یکی از بزرگ‌ترین ابهامات، جایگاه میتوکندری‌ها در خط زمانی تکامل است. میتوکندری‌ها، که به عنوان «نیروگاه‌های سلولی» شناخته می‌شوند، انرژی موجود در گلوکز را به آدنوزین تری‌فسفات (ATP) تبدیل می‌کنند تا فرآیندهای سلولی را تأمین انرژی کنند.

دانشمندان بر این باورند که میتوکندری‌ها ابتدا به صورت باکتری آزاد زندگی می‌کردند، سپس به یک سلول دیگر وارد و در نهایت با آن ادغام شدند. زمان‌بندی این ادغام اهمیت دارد: آیا میتوکندری‌ها ابتدا آمده و تغییرات بعدی به سوی پیچیدگی را آغاز کردند، یا پیچیدگی ابتدا شروع شد و میتوکندری‌ها بعداً وارد شدند؟

برای پاسخ به این پرسش، گروهی به رهبری کریستوفر کی، دیرینه‌شناس زیستی دانشگاه بریستول در بریتانیا، تجزیه و تحلیل ساعت مولکولی ژن‌ها را در طیف وسیعی از موجودات انجام دادند. تام ویلیامز، زیست‌شناس محاسباتی تکاملی دانشگاه باث، می‌گوید: «ابتدا داده‌های ژنی صدها گونه را جمع‌آوری و با شواهد فسیلی ترکیب کردیم تا یک درخت زمان‌بندی‌شده از حیات بسازیم. سپس از این درخت برای تخمین دقیق زمان رخدادهای تاریخی در خانواده‌های ژنی مختلف استفاده کردیم.»

ساعت مولکولی روشی است که به دانشمندان امکان می‌دهد زمان جدایی گونه‌ها و زمان ظهور ویژگی‌ها را تخمین بزنند. به طور ساده، همه موجودات زنده روی زمین چند ویژگی مشترک دارند، مانند کد ژنتیکی جهانی، مجموعه‌ای تقریباً جهانی از اسیدهای آمینه و وابستگی به ATP برای انرژی. دانشمندان می‌توانند نرخ وقوع جهش در یک توالی DNA خاص را تخمین بزنند، همان توالی را در گونه‌های مختلف مقایسه کنند و به عقب برگردند تا زمان آخرین جد مشترک آن‌ها را تعیین کنند. همچنین از ساعت مولکولی می‌توان برای تخمین زمان ظهور ویژگی‌ها یا عملکردهای ژنی استفاده کرد.

پژوهشگران با تمرکز بر تفاوت‌های یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها، از ژن‌های صدها موجود برای بازسازی خط زمانی ظهور ویژگی‌های یوکاریوتی استفاده کردند. آن‌ها مدل خود را CALM نامیده‌اند که مخفف «آرکئون پیچیده، میتوکندری متأخر» است.

شگفت‌آور آنکه برخی از نخستین نشانه‌های ژنتیکی با اولین گام‌های قابل تشخیص به سوی پروتئین‌های اکتین و توبولین، اسکلت سلولی ساده و ویژگی‌های اولیه پروتونوکلس، حدود ۲٫۹ تا ۳ میلیارد سال پیش ظاهر شدند. پس از آن تغییراتی رخ داد که به تشکیل غشاهای سیتوپلاسمی، اندامک‌هایی به نام دستگاه گلژی و تنوع سیستم‌های بیان ژن مانند RNA پلیمرازها منجر شد.

نخستین نشانه‌های ژنتیکی یوکاریوت‌ها شامل اسکلت سلولی ساده و پروتئین‌های اکتین و توبولین حدود ۲٫۹ تا ۳ میلیارد سال پیش ظاهر شدند

میتوکندری‌ها نسبتاً دیر به مسیر تکاملی وارد و حدود ۲٫۲ میلیارد سال پیش ظاهر شدند. این زمان با افزایش سریع اکسیژن در زمین همزمان است؛ به این معنا که حتی اگر حیات یوکاریوتی قبل از رویداد بزرگ اکسیداسیون در مسیر رشد خود بوده باشد، برای رسیدن به سطح کنونی به کمی تقویت از تغییرات محیطی نیاز داشت.

کریستوفر کی توضیح می‌دهد: «ویژگی این مطالعه در بررسی دقیق عملکرد خانواده‌های ژنی است؛ یعنی اینکه هر پروتئین با کدام پروتئین دیگر تعامل دارد و همه این تحلیل‌ها در زمان مطلق انجام شده است.» وی اضافه می‌کند: «انجام این کار نیازمند ترکیبی از چند رشته علمی بود: دیرینه‌شناسی برای اطلاع از خط زمانی، فیلوژنتیک برای ایجاد درخت‌های دقیق و مفید، و زیست‌شناسی مولکولی برای دادن زمینه به این خانواده‌های ژنی.»

پژوهش در ژورنال Nature منتشر شده است.