کشف جدید: حیات پیچیده ۱ میلیارد سال زودتر از انتظار آغاز شده است

منشأ سلول‌های پیچیده و هسته‌دار، که شامل آمیب‌ها تا انسان می‌شود، ممکن است بسیار پیش‌تر از آنچه تاکنون تصور می‌شد، بر روی کره زمین شکل گرفته باشد. بر اساس یک مطالعه‌ی جدید، این گذار حیاتی از نیاکان ساده‌تر تقریباً ۳ میلیارد سال پیش آغاز شده است؛ یعنی حدود یک میلیارد سال قبل از برآوردهای پیشین و زمانی که سیاره‌ی ما هنوز فاقد سطح اکسیژن کافی برای پشتیبانی از یک زیست‌بوم یوکاریوتی پررونق بود.

تکامل تدریجی: یک میلیارد سال قدیمی‌تر

این زمان‌بندی جدید نشان می‌دهد که تکامل حیات پیچیده، برخلاف تصور پیشین مبنی بر یک جهش ناگهانی، در طول فرآیندی بسیار طولانی و تدریجی رخ داده است. درک این مسیر تکاملی نیازمند تمایز قائل شدن میان دو نوع اصلی حیات روی زمین است: پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها.

دو نوع بنیادی حیات: پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها

اگرچه روش‌های متعددی برای دسته‌بندی حیات وجود دارد، اما بنیادی‌ترین تقسیم‌بندی شامل دو گروه زیر است:

• پروکاریوت‌ها: این گروه شامل باکتری‌ها و آرکئا است و نخستین شکل‌های حیات بودند که حدود ۴ میلیارد سال پیش پدید آمدند. ساختار آن‌ها بسیار ساده است؛ شامل یک غشای سلولی، پروتئین‌های مقاوم و DNA آزاد در سیتوپلاسم.
• یوکاریوت‌ها: این سلول‌ها که بعدها ظاهر شدند، بسیار پیچیده‌ترند و دارای هسته، اندامک‌ها، غشاهای داخلی ظریف و ژنوم‌های بزرگ و سازمان‌یافته هستند.

ترتیب پیدایش اجزای پیچیده‌ی یوکاریوت‌ها، به‌ویژه زمان ورود میتوکندری، دهه‌هاست که یکی از پرسش‌های اساسی در زیست‌شناسی تکاملی بوده است.

معمای میتوکندری و تحلیل «ساعت مولکولی»

میتوکندری، که به‌عنوان «نیروگاه» سلول شناخته می‌شود، انرژی حیاتی را از گلوکز به ATP تبدیل می‌کند. دانشمندان بر این باورند که میتوکندری در ابتدا یک باکتری آزادزی بوده که وارد سلول دیگری شده و با آن همزیستی کرده است. برای تعیین زمان‌بندی دقیق این رویداد، تیمی به رهبری کریستوفر کِی از دانشگاه بریستول، از تحلیل «ساعت مولکولی» استفاده کردند.

تام ویلیامز، زیست‌شناس تکاملی محاسباتی از دانشگاه بث، در این باره 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؟

ساعت مولکولی ابزاری است که به دانشمندان اجازه می‌دهد زمان جدایی گونه‌ها یا ظهور یک ویژگی ژنتیکی را تخمین بزنند. این روش بر اساس مشترکات حیاتی تمام حیات روی زمین عمل می‌کند:

• کد ژنتیکی مشترک.
• استفاده از آمینواسیدهای مشابه.
• وابستگی به ATP برای انرژی.

با برآورد نرخ جهش ژنتیکی و مقایسه‌ی توالی DNA میان گونه‌ها، می‌توان زمان جدایی نسبی آن‌ها را محاسبه کرد. پژوهشگران در این مطالعه، مدلی به نام CALM (آرکئای پیچیده، میتوکندریِ دیررس) را برای تمرکز بر تفاوت‌های اصلی میان پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها ساختند.

نخستین نشانه‌های پیچیدگی: ۲.۹ تا ۳ میلیارد سال پیش

طبق یافته‌های این تیم تحقیقاتی، نخستین نشانه‌های ژنتیکی حیات پیچیده در بازه‌ی زمانی ۲.۹ تا ۳ میلیارد سال پیش ظاهر شده‌اند. این نشانه‌ها حاکی از آغاز فرآیند پیچیده‌شدن سلول‌ها بودند:

• ظهور پروتئین‌های اکتین و توبولین.
• پیدایش یک سیتواسکلتون (اسکلت سلولی) ساده.
• شکل‌گیری نخستین ویژگی‌های پروتو‌هسته (پیش‌هسته).

این تغییرات اولیه، زمینه‌ساز شکل‌گیری ساختارهای پیچیده‌تری مانند غشاهای سیتوپلاسمی، اندامکی به نام جسم گلژی، و سیستم‌های متنوع تنظیم بیان ژن‌ها (مانند RNA پلی‌مرازها) شد.

میتوکندری: هم‌زمانی با افزایش اکسیژن

یکی از نتایج کلیدی این مطالعه، زمان ورود میتوکندری‌ها به ماجرا بود. میتوکندری‌ها نسبتاً دیرتر، حدود ۲.۲ میلیارد سال پیش، وارد سلول‌ها شدند. جالب اینجاست که این زمان با دوره‌ی افزایش شدید سطح اکسیژن در زمین همزمان است. این امر نشان می‌دهد که اگرچه یوکاریوت‌ها مسیر تکاملی خود را زودتر آغاز کرده بودند، اما افزایش اکسیژن به گسترش و رشد سریع آن‌ها کمک شایانی کرده است.

کریستوفر کِی تأکید می‌کند: «آنچه این مطالعه را متمایز می‌کند، بررسی دقیق عملکرد خانواده‌های ژنی و تعاملات پروتئینی در یک مقیاس زمانی مطلق است.»

او همچنین بر ماهیت میان‌رشته‌ای این پژوهش تأکید کرد که حاصل همکاری متخصصان در زمینه‌های زیر بوده است:

• دیرینه‌شناسی برای تعیین زمان‌بندی.
• فیلوژنتیک برای ایجاد درخت‌های معتبر تکاملی.
• زیست‌شناسی مولکولی برای تفسیر صحیح عملکرد ژن‌ها.