كيف قمنا بإعادة بناء السلف الأول لكل أشكال الحياة على الأرض؟

إعادة بناء السلف الأول لأشكال الحياة

إن فهم كيف بدأت الحياة وتطورت على الأرض هو السؤال الذي أذهل البشر على مر العصور. وتأمل دراستنا الأخيرة أن تقدم رؤى جديدة حول أصل الحياة على الأرض. لقد عرفنا منذ زمن طويل أن أسلافنا الشبيهين بالأسماك كانوا يتنفسون من خلال الخياشيم. ومنذ أكثر من 600 مليون سنة، ظهر السلف المشترك لجميع الحيوانات، الأورميتازوان المجهري (the microscopic urmetazoan). ومع ذلك، فإن السلف المشترك لجميع الكائنات الحية، أو ما يعرف بالسلف المشترك العالمي الأخير (لوكا) (LUCA)، هو لغز استغرق العلماء عقودًا لحله. نشرت الدراسة في مجلة (Nature Ecology & Evolution) لتفسير كيفية حل تلك المشكلة. فكيف قمنا بإعادة بناء السلف الأول لأشكال الحياة؟

محتويات المقال :

كشف أسرار أصول الحياة

تعرف على لوكا، وهو كائن وحيد الخلية. يعتبر لوكا نقطة البداية لكل أشكال الحياة على الأرض، ويعمل العلماء بلا كلل لإعادة بناء الجينوم الخاص به. ولكن كيف كان يبدو شكل لوكا؟ وكيف تمكن من البقاء في عالم مختلف تمامًا عن العالم الذي نعرفه اليوم؟

لمعرفة ذلك، استخدم العلماء مجموعة من الأساليب العلمية لإعادة بناء جينوم لوكا وإظهار كيف أن الجينات التي وجدناها ربما سمحت له بالعيش. كان هذا المشروع نتيجة لعدة سنوات من العمل وفريق دولي من الباحثين. لقد تم استبعاد حقيقيات النوى (eukaryotes) (النباتات والحيوانات والفطريات) لأن العلماء يعتقدون أنها تطورت من اتحاد العتائق والبكتيريا، في وقت بعد ذلك بكثير. لكن العلماء احتاجوا دراسة ما قبل اتحاد العتائق والبكتيريا. وقع اختيار العلماء على مجموعة مكونة من 700 جينوم (350 عتيقة و350 بكتيريا)، تم تجميعها بالفعل من دراسة أجريت عام 2022.

لقد تم استخدام هذه الجينات لاستنتاج أشجار تطور السلالات (phylogenetic trees) (هي عبارة عن شجرة تظهر العلاقات التطورية بين مختلف الأنواع الحيوية أو مختلف الكيانات الحية التي يعتقد بأنها تمتلك أصلاً مشتركاً) لفهم. وتم بناء مجموعة منفصلة مكونة من 57 جينًا مشتركًا بين جميع الكائنات الحية الـ 700 في الدراسة والتي من المحتمل أن تكون موجودة في كل أشكال الحياة تقريبًا. لم تتغير هذه الأنواع من الجينات كثيرًا خلال مليارات السنين القليلة الماضية.

تشير النتائج التي تم التوصل إليها إلى أن لوكا كان كائنًا معقدًا له جينوم صغير، يشبه البكتيريا الحديثة والعتائق. ولكن ليس مظهره فقط هو ما يثير الاهتمام، بل أيضًا الطريقة التي تمكن بها من البقاء على قيد الحياة في عالم كان يفتقد الأكسجين الذي نتنفسه اليوم. وعلى الرغم من مظهره البسيط، إلا أن لوكا لعب دورًا حاسمًا في تشكيل مسار الحياة على الأرض.

فهم عملية التمثيل الغذائي لدى لوكا

لم يجد العلماء دليلاً على عملية التمثيل الضوئي أو تثبيت النيتروجين (nitrogen fixation)، وهما عمليتان تستخدمهما بعض الكائنات الحية الحديثة للحفاظ على الحياة. وهذا ليس مفاجئًا، بالنظر إلى الظروف القاسية التي عاشتها الأرض في وقت مبكر، والتي كانت تفتقر إلى الأكسجين والمواد المغذية اللازمة لحدوث هذه العمليات.

على الرغم من بساطة عملية التمثيل الغذائي، إلا أن قدرة لوكا على الازدهار في هذه البيئة القديمة كانت رائعة. ومن المحتمل أن يكون كائنًا قادرًا على التكيف مع الظروف المتغيرة واستغلال العناصر الغذائية ومصادر الطاقة المتاحة. سمحت هذه السمات للوكا بالاستمرار لملايين السنين، مما أدى في النهاية إلى ظهور مجموعة متنوعة من أشكال الحياة التي تعيش على كوكبنا اليوم.

يوفر فهم عملية التمثيل الغذائي للوكا رؤى مهمة حول المراحل الأولى من الحياة على الأرض. كما أنه يسلط الضوء على مرونة الحياة وقدرتها على التكيف بشكل لا يصدق، مما سمح لها بالازدهار حتى في البيئات الأكثر تحديًا.

تقدير عمر لوكا

لتقدير عمر لوكا، استخدم الفريق نهجًا جديدًا يجمع بين الأدلة الجينية والحفرية. لقد ركزنا على الجينات التي تضاعفت قبل زمن لوكا، والتي يشار إليها غالبًا باسم “الجينات المشابهة”. ترتبط هذه الجينات ببعضها البعض من خلال تضاعفها، وهي عملية تحدث عندما ينقسم نوع ما إلى قسمين، ولكل منهما نسخته الخاصة من الجين المكرر.

من خلال تحليل العلاقات الجينية بين هذه الجينات المشابهة، يمكننا استنتاج توقيت تضاعف الجينات، وبالتالي تقدير عمر لوكا. هذه الطريقة مفيدة بشكل خاص عندما يكون هناك عدد محدود من الأدلة الأحفورية المتاحة، كما هو الحال مع الكائنات الحية القديمة مثل لوكا.

يشير تحليلنا إلى أن لوكا عاش قبل حوالي 4.2 مليار سنة، أي قبل الأعمار المقدرة سابقًا بـ 3.4 مليار سنة. تشير هذه النتيجة إلى أن الشفرة الوراثية، وترجمة البروتين، والحياة نفسها ربما تطورت بسرعة، بعد تكوّن الأرض.

ومع ذلك، فإن تقديرات العلماء لا تخلو من المحدودية وعدم اليقين. يمكن أن تكون عملية تضاعف الجينات معقدة، وقد يكون هناك عوامل أخرى تؤثر على توقيت تضاعف الجينات. بالإضافة إلى ذلك، قد تكون هناك كائنات حية أخرى عاشت جنبًا إلى جنب مع لوكا ولكنها لم تعد تمثلها أي كائنات حية اليوم. إذا كان هذا هو الحال، فإن عملية إعادة بناء لوكا قد تكون غير مكتملة.

الآثار المترتبة على إعادة بناء السلف الأول لأشكال الحياة

وبينما نواصل كشف أسرار أصول الحياة، فإن اكتشاف لوكا له آثار عميقة على فهمنا لتطور الحياة على الأرض. ومن خلال إعادة بناء جينوم لوكا وتمثيله الغذائي، اكتسبنا نظرة ثاقبة لأقدم أشكال الحياة، والتي يمكن أن تساعدنا على فهم أفضل للعمليات المعقدة التي شكلت تنوع الحياة على كوكبنا.

وهذا الإنجاز له آثار كبيرة على مجال علم الأحياء، لأنه يوفر الأساس لفهم أصول الحياة وتطور الكائنات الحية. كما أثار اكتشاف لوكا أيضًا أسئلة جديدة وطرق بحث مستقبلية.

في المستقبل، مع استمرار تقدم التكنولوجيا وتطور فهمنا لأصول الحياة، يمكننا أن نتوقع اكتشاف المزيد من الأسرار حول أقدم أشكال الحياة على الأرض. ويعد اكتشاف لوكا معلمًا مهمًا في هذه الرحلة، وستستمر آثاره في إلهام وتشكيل فهمنا للحياة للأجيال القادمة.