منش سلولهای پیچیده و هستهدار — از آمیبها گرفته تا انسان — شاید بسیار پیشتر از آنچه تصور میکردیم روی زمین شکل گرفته باشد.
به گزارش انتخاب و به نقل از sciencealert؛ یک مطالعهی جدید که نخستین گامهای حیات پیچیده را بررسی کرده، نشان میدهد این گذار از نیاکان سادهتر تقریباً ۳ میلیارد سال پیش آغاز شده است — یعنی زمانی بسیار قبلتر از آنکه سیارهی ما سطح اکسیژن لازم برای یک زیستبوم پررونق یوکاریوتی را داشته باشد.
این زمانبندی نزدیک به یک میلیارد سال قدیمیتر از برخی برآوردهای پیشین است و نشان میدهد که حیات پیچیده، بهجای یک جهش ناگهانی، طی فرآیندی بسیار طولانی و تدریجی تکامل یافته است.
دو نوع اصلی حیات: پروکاریوتها و یوکاریوتها
روشهای زیادی برای گروهبندی حیات روی زمین وجود دارد، اما شاید بنیادیترین دستهبندی، پروکاریوتها در برابر یوکاریوتها باشد.
• پروکاریوتها — شامل باکتریها و آرکئا — نخستین شکلهای حیات روی زمین بودند؛ حدود ۴ میلیارد سال پیش. آنها ساختاری بسیار ساده دارند: یک غشای سلولی، تعدادی پروتئین مقاوم و DNA آزاد در سیتوپلاسم.
• یوکاریوتها بعدها پدیدار شدند و بسیار پیچیدهترند؛ با هسته، اندامکها، غشاهای داخلی ظریف و ژنومهای بزرگ و سازمانیافته.
اینکه یوکاریوتها دقیقاً چقدر دیرتر ظهور کردند و ترتیب پیدایش اجزای پیچیدهی آنها چه بوده، دهههاست که پرسشی مهم در زیستشناسی تکاملی است.
یکی از مجهولهای اصلی این است که میتوکندری — «نیروگاه» سلول — در چه زمانی وارد داستان شده است. میتوکندری انرژی موجود در گلوکز را به ATP تبدیل میکند و برای حیات حیاتی است.
دانشمندان باور دارند میتوکندری در ابتدا باکتری آزادزی بوده که وارد یک سلول دیگر شده و کمکم با آن در هم آمیخته است. اما اینکه این اتفاق قبل از پیچیدهشدن سلول افتاده یا بعد از آن، برای درک چگونگی تکامل حیات بسیار مهم است.
تحلیل «ساعت مولکولی» چه میگوید؟
برای پاسخ به این سؤال، تیمی به رهبری کریستوفر کِی از دانشگاه بریستول، تحلیل ساعت مولکولیِ ژنهای انواع گستردهای از موجودات را انجام داد.
تام ویلیامز، زیستشناس تکاملی محاسباتی از دانشگاه بث، میگوید:
«ما دادههای ژنتیکی صدها گونه را جمعآوری و با شواهد فسیلی تلفیق کردیم تا یک درخت حیاتِ زماندار ایجاد کنیم. سپس از این چارچوب برای روشنکردن زمانبندی رویدادهای تاریخی در خانوادههای ژنی استفاده کردیم.»
ساعت مولکولی چیست؟
ابزاری که به دانشمندان اجازه میدهد زمان جدایی گونهها یا ظهور یک ویژگی ژنتیکی را تخمین بزنند.
از آنجا که همهی حیات روی زمین:
• کد ژنتیکی مشترک دارد،
• تقریباً از همان آمینواسیدها استفاده میکند،
• و به ATP وابسته است،
میتوان نرخ جهش ژنتیکی در یک توالی DNA را برآورد کرد، سپس با مقایسهی این توالی میان گونهها، زمان جدایی نسبیشان را محاسبه کرد.
در این مطالعه، پژوهشگران با تمرکز بر تفاوتهای اصلی میان پروکاریوتها و یوکاریوتها، مدلی به نام CALM ساختند — مخفف
Complex Archaeon, Late Mitochondrion
(آرکئای پیچیده، میتوکندریِ دیررس).
نتیجهی شگفتانگیز: نخستین نشانههای پیچیدگی ۳ میلیارد سال پیش!
طبق یافتهها:
• نخستین نشانههای ژنتیکی حیات پیچیده ۲.۹ تا ۳ میلیارد سال پیش ظاهر شدهاند.
• این نشانهها شامل پروتئینهای اکتین و توبولین، پیدایش یک سیتواسکلتون ساده و نخستین ویژگیهای پروتوهسته بودهاند.
پس از آن، تغییراتی رخ داده که زمینهساز شکلگیری:
• غشاهای سیتوپلاسمی،
• اندامکی به نام جسم گلژی،
• و سیستمهای متنوع تنظیم بیان ژنها (مثل RNA پلیمرازها)
شده است.
و اما میتوکندری…
میتوکندریها نسبتاً دیر وارد ماجرا شدند — حدود ۲.۲ میلیارد سال پیش.
جالب اینکه این زمان همزمان است با افزایش شدید سطح اکسیژن در زمین؛ یعنی شاید یوکاریوتها مسیر تکاملیشان را شروع کرده بودند، اما برای رشد و گسترش سریع، افزایش اکسیژن به آنها «کمک» کرد.
کریستوفر کِی میگوید:
«آنچه این مطالعه را متمایز میکند، بررسی دقیق عملکرد خانوادههای ژنی و تعاملات پروتئینی در یک مقیاس زمانی مطلق است.»
او تأکید میکند که این کار حاصل همکاری رشتههای مختلف بوده:
• دیرینهشناسی برای تعیین زمانبندی،
• فیلوژنتیک برای ایجاد درختهای معتبر،
• و زیستشناسی مولکولی برای تفسیر صحیح عملکرد ژنها.
