درک چگونگی آغاز و تکامل حیات بر روی زمین سوالی است که برای مدت طولانی انسان ها را به خود مشغول کرده است و دانشمندان مدرن در یافتن برخی از پاسخ ها گام های بزرگی برداشته اند.
اکنون، مطالعه اخیر ما امیدوار است که بینش جدیدی در مورد منشاء حیات بر روی زمین ارائه دهد.
حدود 375 میلیون سال پیش، اجداد ماهی مانند ما از آبشش تنفس می کردند. بیش از 600 میلیون سال پیش، جد مشترک همه حیوانات ظاهر شد – اورمتازوئن میکروسکوپی.
با این حال، میلیاردها سال قبل از وقوع همه اینها، باید جد مشترک همه موجودات زنده، آخرین جد مشترک جهانی (لوقا) وجود داشته باشد.
محققان در طول دهه‌ها روی شناسایی لوک با ایده‌های متفاوتی در مورد اینکه لوک چگونه بود، کار کرده‌اند. یکی دیگر از موارد مورد اختلاف سن لوکا است. اولین شواهد فسیلی از حیات ما حدود 3.4 میلیارد سال قدمت دارد.
برخی از مطالعات سن لوک را نزدیک به تولد زمین، یعنی 4.5 میلیارد سال پیش، رد می کنند. برخی دیگر بر این باورند که این امر به دلیل زمان لازم برای ایجاد کد ژنتیکی و ماشین آلات تکثیر DNA غیرممکن است.
لوکا اولین شکل زندگی نبود. این ارگانیسمی بود که همه موجودات زنده از آن تکامل یافتند. با این حال، دانشمندان بر این باورند که موجودات زنده ممکن است مدت ها قبل از لوک وجود داشته باشند.
درک اینکه لوک چگونه بود و چه زمانی زندگی می کرد برای کمک به درک چگونگی توسعه حیات روی زمین مهم است.
در مطالعه اخیر ما که در Nature Ecology & Evolution منتشر شد، از ترکیبی از روش‌های علمی برای بازسازی ژنوم لوکا استفاده کردیم و نشان دادیم که چگونه ژن‌هایی که پیدا کردیم به لوکا اجازه زندگی داده‌اند. این پروژه حاصل چندین سال کار و یک تیم بین المللی از همکاران است.
طبیعت لوک
برای بازسازی ژنوم لوکا، ما به نمونه ای از ژنوم ها (تمام اطلاعات ژنتیکی موجود در یک موجود زنده) از گروه های مختلف باکتری ها و باستانی ها (جانداران تک سلولی غیر از باکتری ها) نیاز داشتیم تا بتوانیم مطمئن باشیم که از زندگی مدرن نمونه برداری می کنیم.
ما یوکاریوت‌ها (گیاهان، حیوانات و قارچ‌ها) را کنار گذاشتیم، زیرا دانشمندان معتقدند که آنها خیلی دیرتر از اتحاد باستان‌ها و باکتری‌ها به وجود آمده‌اند. ما مجموعه‌ای از 700 ژنوم (350 آرکی و 350 باکتری) داشتیم که قبلاً از مطالعه‌ای در سال 2022 انتخاب شده بود که برخی از ما در آن شرکت کردیم.
ما این ژن ها را در خانواده های مختلف دسته بندی کردیم تا هدف آنها را در موجودات مدرن درک کنیم. ما برای این کار از پایگاه داده ای به نام KEGG استفاده کردیم که به دانشمندان کمک می کند مسیرهای متابولیک موجودات را درک کنند (چگونه آنها زندگی را حفظ می کنند).
سپس از این خانواده‌ها برای استنباط درختان فیلوژنتیک (یا فیلوژنی‌ها، تا حدودی شبیه یک درخت خانوادگی) استفاده کردیم تا ارتباط بین گونه‌های مختلف را درک کنیم و ببینیم چگونه آنها در طول زمان تکامل یافته‌اند.
ما همچنین مجموعه جداگانه‌ای از 57 ژن را ساختیم که در همه 700 موجود زنده در مطالعه ما مشترک است و تقریباً در تمام زندگی وجود دارد. این نوع ژن ها در چند میلیارد سال گذشته تغییر چندانی نکرده اند.
ما از این 57 ژن برای ساختن درخت گونه ای استفاده کردیم که رابطه داروینی موجودات مختلف را نشان می دهد. سپس می‌توانیم درخت‌های ژن KEGG خود را با درخت گونه ترکیب کنیم، سطوح تکرار ژن، انتقال ژن و از بین رفتن را مدل‌سازی کنیم. این همچنین به ما امکان داد تا احتمال وجود خانواده های ژنی مختلف در لوکا را محاسبه کنیم.
بازسازی ژنوم لوکا به ما این امکان را داد تا متابولیسم او را به گونه ای ارزیابی کنیم که گویی او امروز زنده است. ما لوکا را یک ارگانیسم نسبتاً پیچیده، مانند باکتری‌ها و باستان‌های مدرن، با ژنوم کوچک تصور می‌کنیم. با این حال، ما هیچ مدرکی برای فتوسنتز (که برخی از باکتری ها از آن استفاده می کنند) یا تثبیت نیتروژن، یک فرآیند شیمیایی که برخی از باکتری های مدرن و باستانی ها برای زنده ماندن از آن استفاده می کنند، نیافتیم.
لوک چند ساله بود؟
ما همچنین روش جدیدی را برای تخمین سن لوک امتحان کردیم، با استفاده از ژن‌هایی که فکر می‌کنیم قبل از لوک تکرار شده‌اند، همراه با اطلاعات فسیل‌ها.
به طور معمول، برای استنباط جدول‌های زمانی تکاملی، فیلوژنی از گونه‌های مورد علاقه خود را به دست می‌آوریم، با ژن‌های همولوگ که به یک اجداد مشترک بازمی‌گردند.
سپس گروهی از گونه‌ها را پیدا می‌کنیم که از دور به گونه‌های مورد علاقه مرتبط هستند (برون گروهی) تا ریشه فیلوژنی را مشخص کنند.
«شاخه‌هایی» که گونه‌ها را در یک فیلوژنی به هم متصل می‌کنند حاوی اطلاعاتی در مورد سرعت تغییرات ژنتیکی (جهش) و زمانی که گونه‌ها از هم جدا شدند. ما می‌توانیم از شواهد فسیلی یا زمین‌شناسی برای اطلاع‌رسانی به ساعت مولکولی در مورد حداقل سن‌های احتمالی که در آن رویدادهای گونه‌زایی رخ داده است، استفاده کنیم.
با این حال ما با لوکا دو مشکل داریم. هیچ چیز پرت برای منشا حیات وجود ندارد، و شواهد فسیلی یا شواهد زمین‌شناسی زیادی از زمین اولیه وجود ندارد که بتوانیم از آن برای کالیبره کردن ساعت مولکولی استفاده کنیم.
برای غلبه بر این محدودیت‌ها، از ژن‌های مشابهی استفاده کردیم که دانشمندان قبلاً به لوکا ردیابی کرده بودند. ژن های پارالوگ با تکثیر ژن به یکدیگر مرتبط می شوند. این می تواند زمانی اتفاق بیفتد که یک گونه به دو قسمت تقسیم شود که هر کدام یک کپی مخصوص به خود از ژن تکراری دارند.
تخمین می زنیم که لوکا حدود 4.2 میلیارد سال پیش روی زمین پرسه می زد. اگر پیش‌بینی زمان ما به حقیقت نزدیک باشد، چیزهایی مانند کد ژنتیکی، ترجمه پروتئین و خود حیات باید تقریباً بلافاصله پس از تشکیل زمین به سرعت تکامل یافته باشند.
بازسازی ما از لوک اولین نیست و مطمئناً آخرین هم نخواهد بود. هر ساله ارگانیسم‌های بیشتری کشف و توالی‌یابی می‌شوند، رایانه‌ها قدرتمندتر می‌شوند و مدل‌های تکاملی دائماً در حال بهبود هستند.
بنابراین، درک ما از لوک ممکن است با دستیابی به داده‌های بیشتر و تکنیک‌های قدرتمند تغییر کند.
به عنوان مثال، ما باید در نظر بگیریم که احتمالاً موجودات زیادی در زمان لوقا زندگی می کردند که امروزه دیگر توسط هیچ موجودی نشان داده نمی شود.
اگر هر یک از نوادگان اولیه لوک به دوران مدرن نرسند و ژن‌هایشان زنده نمانند، ما هرگز نمی‌توانیم آن خانواده‌های ژنی را به لوک برگردانیم، به این معنی که بازسازی لوک ممکن است ناقص باشد.
علیرغم تمام محدودیت های فنی، مطالعه ما راه جدیدی برای درک لوک ارائه می دهد. اما هنوز کار زیادی برای درک بهتر چگونگی تکامل حیات پس از تشکیل سیاره ما زمین وجود دارد.
ادموند آر آر مودی، پژوهشگر ارشد زیست شناسی تکاملی محاسباتی، دانشگاه بریستول و ساندرا آلوارز-کارترو، پژوهشگر، UCL
این مقاله از The Conversation تحت مجوز Creative Commons بازنشر شده است. مقاله اصلی را بخوانید.
