آغاز حیات پیچیده: کشف توانایی باستانی آرکی‌های آسگارد در استفاده از اکسیژن

معمای باستانی حیات پیچیده

برای دهه‌ها، یکی از بزرگ‌ترین معماهای زیست‌شناسی چگونگی ظهور حیات پیچیده از موجودات ساده تک‌سلولی بوده است. نظریه غالب حاکی از آن است که حدود دو میلیارد سال پیش، یک رویداد همزیستی انقلابی رخ داد: یک آرکی باکتری را بلعید و به جای هضم آن، این دو موجود شروع به همکاری کردند. این باکتری در نهایت به میتوکندری، نیروگاه سلول، تبدیل شد. اما یک تناقض ظاهری همواره وجود داشته است: میتوکندری‌های اولیه برای زنده ماندن به اکسیژن نیاز داشتند، در حالی که تصور می‌شد میزبانان آرکی آن‌ها در محیط‌های فاقد اکسیژن زندگی می‌کردند. اکنون، کشف جدیدی این معمای دیرینه را به چالش می‌کشد.

پژوهشی که در نشریه Nature منتشر شده، نشان می‌دهد که نزدیک‌ترین خویشاوندان میکروبی شناخته‌شده گیاهان و جانوران، گروهی به نام آرکی‌های آسگارد، ممکن است بسیار زودتر از آنچه تصور می‌شد، توانایی تحمل و حتی استفاده از اکسیژن را تکامل داده باشند. این توانایی، صحنه را برای آن ادغام سرنوشت‌ساز آماده کرده است. برت بیکر، استاد علوم دریایی در دانشگاه تگزاس در آستین و از نویسندگان این مطالعه، می‌گوید: «این یافته نشان می‌دهد که اجداد یوکاریوتی ما نیز احتمالاً از همین فرآیندها برخوردار بوده‌اند.»

شکار ژنوم‌ها در اعماق دریا

برای درک این تحول، تیم تحقیقاتی به اعماق اقیانوس‌ها سفر کردند. آن‌ها نمونه‌هایی از رسوبات دریایی را از دو نقطه کاملاً متفاوت جمع‌آوری کردند: دریای بوهای در عمق حدود ۳۰ متری و حوضه گوایماس در عمق حیرت‌آور ۲۰۰۰ متری. این مناطق، زیستگاه‌های غنی و متنوعی برای جوامع میکروبی هستند. محققان حدود ۱۵ ترابایت داده DNA محیطی را غربالگری و تحلیل کردند. این تلاش عظیم منجر به بازسازی بیش از ۱۳ هزار ژنوم میکروبی و استخراج صدها توالی ژنتیکی متعلق به آرکی‌های آسگارد شد.

کاترین اپلر، پژوهشگر پسادکتری در انستیتو پاستور پاریس، توضیح می‌دهد که این آرکی‌های آسگارد اغلب در توالی‌یابی‌های با پوشش کم نادیده گرفته می‌شوند. او می‌گوید: «این تلاش عظیم توالی‌یابی و لایه‌بندی روش‌های توالی و ساختاری، به ما امکان داد الگوهایی را ببینیم که پیش از این گسترش ژنومی قابل مشاهده نبودند.» در میان این الگوها، ژن‌های مرتبط با تنفس هوازی، فرآیندی که بسیاری از موجودات برای استخراج انرژی بیشتر از غذا از اکسیژن استفاده می‌کنند، به وضوح دیده می‌شد.

هیمدال‌آرکیا: نگهبان اسرار اکسیژن

تحلیل‌های ژنتیکی عمیق‌تر، یک شاخه خاص از آرکی‌های آسگارد را برجسته کرد: هیمدال‌آرکیا. این نام از هیمدال، نگهبان خدایان در اساطیر نورس، گرفته شده است. محققان دریافتند که بسیاری از ژنوم‌های هیمدال‌آرکیا حاوی بخش‌هایی از ماشین‌آلات مولکولی مورد استفاده برای انتقال الکترون و تولید انرژی با استفاده از اکسیژن هستند. همچنین، آنزیم‌هایی که به مدیریت محصولات جانبی سمی اکسیژن کمک می‌کنند، در این ژنوم‌ها شناسایی شد.

برای تأیید یافته‌های خود، تیم از یک ابزار هوش مصنوعی پیشرفته به نام AlphaFold2 استفاده کرد تا ساختارهای پروتئینی پیش‌بینی شده توسط این ژن‌ها را مدل‌سازی کند. نتایج، وجود ماشین‌آلات ژنتیکی تحمل‌کننده اکسیژن در درون این میکروب‌ها را تقویت کرد. این کشف، تصویر کاملاً جدیدی از توانایی‌های متابولیکی اجداد باستانی ما ترسیم می‌کند. برخلاف تصور قبلی که آرکی‌های آسگارد را عمدتاً ساکنان دنیای بی‌اکسیژن می‌دانست، این پژوهش نشان می‌دهد که نزدیک‌ترین اقوام به یوکاریوت‌ها در مکان‌های دارای اکسیژن، مانند رسوبات ساحلی کم‌عمق یا ستون آب، زندگی می‌کنند.

پیوند گمشده در درخت زندگی

این یافته‌ها پیامدهای عمیقی برای درک ما از منشأ حیات پیچیده دارد. اگر اجداد آرکی یوکاریوت‌ها از قبل با اکسیژن سازگار شده بودند، آنگاه ادغام با یک باکتری نیازمند اکسیژن (آلفاپروتئوباکتری) بسیار منطقی‌تر و محتمل‌تر به نظر می‌رسد. این باکتری در نهایت به میتوکندری تبدیل شد و مزیت متابولیک عظیمی برای میزبان خود فراهم آورد. بیکر سناریو را این‌گونه ترسیم می‌کند: «اکسیژن در محیط ظاهر شد و آرکی‌های آسگارد با آن سازگار شدند. آن‌ها یک مزیت انرژی‌ای در استفاده از اکسیژن یافتند و سپس به یوکاریوت‌ها تکامل یافتند.»

این کشف، آرکی‌های آسگارد را به عنوان یک پیوند گمشده قوی‌تر در درخت زندگی تثبیت می‌کند. این موجودات نه تنها حامل ژن‌های امضای یوکاریوتی هستند، بلکه اکنون مشخص شده که از نظر متابولیکی نیز برای گذار به دنیای پراکسیژن آماده بودند. این پژوهش دروازه‌های جدیدی را به روی بررسی‌های آینده می‌گشاید. سوالات زیادی باقی است: این توانایی‌های متابولیکی دقیقاً چگونه کار می‌کردند؟ آیا آرکی‌های آسگارد واقعاً از اکسیژن برای تنفس استفاده می‌کردند یا صرفاً آن را detoxify می‌کردند؟ پاسخ به این پرسش‌ها می‌تواند آخرین قطعه‌های پازل بزرگ‌ترین داستان منشأ را در کنار هم قرار دهد.

منبع: Doi