درک چگونگی شروع و تکامل حیات بر روی زمین سوالی است که برای مدت طولانی انسان ها را مجذوب خود کرده است و دانشمندان مدرن در یافتن پاسخ هایی به پیشرفت های بزرگی دست یافته اند.
اکنون، مطالعه اخیر ما امیدوار است که بینش جدیدی در مورد منشاء حیات روی زمین ارائه دهد.
حدود ۳۷۵ میلیون سال پیش، اجداد ماهی مانند ما از آبشش تنفس می کردند. بیش از ۶۰۰ میلیون سال پیش، جد مشترک همه حیوانات اورمتازوئن میکروسکوپی پدید آمد.
با این حال، میلیاردها سال قبل از وقوع همه این اتفاقات، جد مشترک همه موجودات زنده، آخرین جد مشترک جهانی (لوکا) باید وجود داشته باشد.
دانشمندان در طول دهه‌ها روی شناسایی لوکا با ایده‌های مختلفی در مورد اینکه لوکا چگونه بود کار کرده‌اند. یکی دیگر از موارد مورد اختلاف سن لوکا است. اولین شواهد فسیلی که ما برای حیات داریم، حدود ۳.۴ میلیارد سال قدمت دارد.
برخی از مطالعات سن لوکا را به تولد زمین، یعنی ۴.۵ میلیارد سال پیش، نزدیک می کند. برخی دیگر فکر می‌کنند که این غیرممکن است زیرا زمان لازم برای ایجاد کد ژنتیکی و ماشین‌های تکثیر DNA نیاز است.
لوکا اولین شکل زندگی نبود. این ارگانیسمی بود که همه موجودات زنده از آن نشات گرفته اند. با این وجود، دانشمندان فکر می کنند موجودات زنده ممکن است قبل از لوکا وجود داشته باشند.
درک اینکه لوکا چگونه بود و چه زمانی زندگی می کرد، برای کمک به ما در درک چگونگی تکامل زندگی در زمین مهم است.
در مطالعه اخیر خود که در Nature Ecology & Evolution منتشر شده است، از ترکیبی از روش های علمی برای بازسازی ژنوم لوکا استفاده کردیم و نشان دادیم که چگونه ژن هایی که پیدا کردیم ممکن است به لوکا اجازه زندگی بدهد. این پروژه حاصل چندین سال کار و یک تیم بین المللی از همکاران بود.
طبیعت لوکا
برای بازسازی ژنوم لوکا، ما به نمونه‌ای از ژنوم (تمام اطلاعات ژنتیکی موجود در یک موجود زنده) از گروه‌های مختلف باکتری‌ها و باستان‌ها (جانداران تک سلولی متمایز از باکتری‌ها) نیاز داشتیم تا بتوانیم مطمئن شویم که از زندگی مدرن نمونه‌برداری می‌کنیم.
ما یوکاریوت‌ها (گیاهان، حیوانات و قارچ‌ها) را کنار گذاشتیم، زیرا دانشمندان فکر می‌کنند که آنها بعداً از اتحاد باستان‌ها و باکتری‌ها تکامل یافته‌اند. ما مجموعه‌ای از ۷۰۰ ژنوم (۳۵۰ آرکی و ۳۵۰ باکتری) داشتیم که قبلاً از مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۲ انتخاب شده بود که برخی از ما در آن شرکت داشتیم.
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 کشف کنند (چگونه آنها زندگی را حفظ می کنند).
در مرحله بعد، ما از این خانواده ها برای استنتاج درختان فیلوژنتیک (یا فیلوژنی ها، تا حدودی شبیه یک درخت خانوادگی) استفاده کردیم تا ارتباط بین گونه های مختلف را درک کنیم و ببینیم چگونه آنها در طول زمان تکامل یافته اند.
ما همچنین مجموعه ای جداگانه از ۵۷ ژن را ساختیم که در همه ۷۰۰ موجود موجود در مطالعه ما مشترک است و احتمالاً تقریباً در تمام زندگی وجود دارد. این نوع ژن ها در طی چند میلیارد سال گذشته تغییر چندانی نکرده اند.
ما از این ۵۷ ژن برای ساختن یک درخت گونه استفاده کردیم که رابطه داروینی موجودات مختلف را نشان می دهد. سپس می‌توانیم درخت‌های ژن KEGG خود را با درخت گونه‌ای با مدل‌سازی نرخ تکرار ژن، انتقال ژن و از دست دادن ترکیب 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 آن را تخمین بزنیم، انگار که امروز زنده است. ما لوکا را به عنوان یک ارگانیسم کاملاً پیچیده مانند باکتری های مدرن و باستانی با ژنوم کوچک تصور می کنیم. با این حال، ما شواهدی برای فتوسنتز (که برخی از باکتری‌ها از آن استفاده می‌کنند) یا تثبیت نیتروژن، یک فرآیند شیمیایی که برخی از باکتری‌های مدرن و آرکیاها برای زنده ماندن از آن استفاده می‌کنند، پیدا نکردیم.
لوکا چند ساله بود؟
ما همچنین روش جدیدی را برای تخمین سن لوکا با استفاده از ژن‌هایی که فکر می‌کنیم قبل از لوکا تکرار شده‌اند همراه با اطلاعات فسیل‌ها امتحان کردیم.
به طور معمول، برای استنباط جدول‌های زمانی تکاملی، یک فیلوژنی از گونه‌های مورد علاقه خود را با ژن‌های همولوگ به دست می‌آوریم که به یک اجداد مشترک بازمی‌گردد.
سپس، ما گروهی از گونه‌ها را پیدا می‌کنیم که از فاصله دور با گونه‌های مورد علاقه ما مرتبط هستند (یک گروه برون‌گروهی) تا ریشه‌های فیلوژنی را مشخص کنند.
«شاخه‌هایی» که گونه‌ها را در یک فیلوژنی به هم متصل می‌کنند، اطلاعاتی در مورد سرعت تغییرات ژنتیکی (جهش) و زمان جدایی گونه‌ها دارند. 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 لوکا اما دو مشکل داریم. هیچ گروهی برای منشا حیات وجود ندارد و فسیل های زیادی یا شواهد زمین شناسی 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 از طریق تکرار 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.
ما تخمین می زنیم که لوکا حدود ۴.۲ میلیارد سال پیش روی زمین پرسه می زد. اگر تخمین زمان ما به حقیقت نزدیک باشد، چیزهایی مانند کد ژنتیکی، ترجمه پروتئین و خود حیات باید به سرعت، تقریباً درست پس از تشکیل زمین، تکامل یافته باشند.
بازسازی ما از لوکا اولین نیست و مطمئنا آخرین هم نخواهد بود. هر ساله ارگانیسم‌های بیشتری کشف و توالی‌یابی می‌شوند، رایانه‌ها قدرتمندتر می‌شوند و مدل‌های تکاملی پیوسته در حال بهبود هستند.
بنابراین، زمانی که داده‌ها و تکنیک‌های قدرتمند بیشتری در دسترس باشد، ممکن است درک ما از لوکا تغییر کند.
به عنوان مثال، ما باید در نظر بگیریم که احتمالاً موجودات زیادی در زمان لوکا زندگی می کردند که امروزه دیگر توسط هیچ موجودی نشان داده نمی شود.
اگر هر یک از نوادگان اولیه لوکا به دوران مدرن نرسیدند و ژن‌های آنها زنده نمانند، ما هرگز نمی‌توانیم این خانواده‌های ژنی را به لوکا برگردانیم، به این معنی که بازسازی ما از لوکا ممکن است ناقص باشد.
علیرغم تمام محدودیت های فنی، مطالعه ما راه جدیدی برای درک لوکا ایجاد می کند. اما هنوز کار بسیار بیشتری برای درک بهتر چگونگی تکامل حیات از زمان شکل گیری سیاره ما زمین وجود دارد.
ادموند آر آر مودی، دانشیار 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.
