تمثيل رقمي يوضح كيف تمت مهاجمة LUCA بالفعل بواسطة الفيروسات منذ 4.2 مليار سنة. الائتمان: العلوم التصميم الجرافيكي
أ جامعة بريستولكشفت دراسة أجراها باحثون أمريكيون أن الحياة على الأرض، المنحدرة من سلف مشترك يسمى LUCA، ازدهرت بعد وقت قصير من تكوين الكوكب.
باستخدام التحليل الجيني والنمذجة التطورية، تتبع الباحثون وجود LUCA إلى ما يقرب من 4.2 مليار سنة مضت، وكشفوا أنه كان كائنًا معقدًا يتمتع بنظام مناعي مبكر كجزء لا يتجزأ من النظم البيئية الأولى للأرض.
المخطط الجيني لـ LUCA وأحفاده
كل شيء حي اليوم مستمد من سلف مشترك واحد معروف باسم LUCA (آخر سلف مشترك عالمي).
LUCA هو السلف المشترك الافتراضي الذي تنحدر منه جميع أشكال الحياة الخلوية الحديثة، من الكائنات وحيدة الخلية مثل البكتيريا إلى نباتات السكويا العملاقة (وكذلك نحن البشر). يمثل LUCA جذر شجرة الحياة قبل أن ينقسم إلى المجموعات المعروفة اليوم بالبكتيريا والعتائق وحقيقيات النوى. لقد تطورت الحياة الحديثة من LUCA من مجموعة متنوعة من المصادر المختلفة: نفس الشيء الأحماض الأمينية تستخدم لبناء البروتينات في جميع الكائنات الخلوية، عملة الطاقة المشتركة (ATP)، وجود الآلات الخلوية مثل الريبوسوم وغيرها المرتبطة بصنع البروتينات من المعلومات المخزنة في الحمض النوويوحتى حقيقة أن كل أشكال الحياة الخلوية تستخدم الحمض النووي نفسه كوسيلة لتخزين المعلومات.
طرق البحث وعصر LUCA
وقام الفريق بمقارنة جميع الجينات الموجودة في الجينومات الحية صِنفعن طريق حساب الطفرات التي حدثت في تسلسلاتها مع مرور الوقت منذ أن تقاسموا سلفًا في LUCA.
إن توقيت فصل بعض الأنواع معروف من الحفريات ولذلك استخدم الفريق المعادل الجيني للمعادلة المألوفة المستخدمة لحساب السرعة في الفيزياء لتحديد وقت وجود LUCA، ووصل إلى الإجابة منذ 4.2 مليار سنة، أي ما يقرب من أربعمائة مليون سنة. سنوات بعد تكوين الأرض ونظامنا الشمسي.
وقالت ساندرا ألفاريز كاريتيرو، المؤلفة المشاركة في الدراسة والأستاذة في كلية علوم الأرض في بريستول: “لم نتوقع أن يكون LUCA قديمًا جدًا، فقط بضع مئات من ملايين السنين من تكوين الأرض”. ومع ذلك، فإن نتائجنا تتفق مع وجهات النظر الحديثة حول صلاحية الأرض المبكرة للسكن. »
الرؤى الفسيولوجية والنمذجة التطورية لـ LUCA
ثم قام الفريق بتطوير بيولوجيا LUCA من خلال نمذجة الخصائص الفسيولوجية للأنواع الحية من خلال سلسلة نسب الحياة إلى LUCA. وأوضح الدكتور إدموند مودي، المؤلف الرئيسي للدراسة: “إن التاريخ التطوري للجينات معقد بسبب تبادلها بين الأنساب. يجب علينا استخدام نماذج تطورية معقدة للتوفيق بين التاريخ التطوري للجينات وأنساب الأنواع. »
وقال المؤلف المشارك الدكتور توم ويليامز من كلية العلوم البيولوجية في بريستول: “إن إحدى الفوائد الحقيقية لهذا النهج هو أنه يطبق نهج التوفيق بين الأشجار والأنواع والأشجار على مجموعة من البيانات المتنوعة أيضًا التي تمثل المجالات الرئيسية لـ الحياة الأثرية والبكتيرية. وهذا يسمح لنا أن نقول ببعض الثقة ونقيم هذا المستوى من الثقة حول كيفية عيش LUCA. »
التعقيد والأثر البيئي لـ LUCA
وقال البروفيسور دافيد بيساني، المؤلف المشارك في الدراسة: “أظهرت دراستنا أن LUCA كان كائنًا معقدًا، ولا يختلف كثيرًا عن بدائيات النوى الحديثة، ولكن المثير للاهتمام حقًا هو أنه من الواضح أنه كان لديه نظام مناعة مبكر، مما يظهر أنه حتى قبل 4.2 مليار سنة، كان أسلافنا منخرطين في سباق تسلح مع الفيروسات. »
وقال تيم لينتون (جامعة إكستر، كلية الجغرافيا)، المؤلف المشارك: “من الواضح أن لوكا كان يستغل بيئته ويعدلها، لكن من غير المرجح أنه عاش بمفرده. ومن الممكن أن تكون نفاياتها بمثابة غذاء لميكروبات أخرى، مثل مولدات الميثان، والتي من شأنها أن تساعد في إنشاء نظام بيئي لإعادة التدوير. »
الآثار الأوسع للدراسة في مرحلة الطفولة المبكرة
وأضاف البروفيسور أنجا، المؤلف المشارك: “إن النتائج والأساليب المستخدمة في هذا العمل ستُفيد أيضًا الدراسات المستقبلية التي تدرس بمزيد من التفصيل التطور اللاحق لبدائيات النوى في ضوء تاريخ الأرض، بما في ذلك العتائق الأقل دراسة مع ممثليها الميثانوجينيين”. سبانج (المعهد الملكي الهولندي للأبحاث البحرية).
وقال البروفيسور فيليب دونوغو، المؤلف المشارك للدراسة: “يجمع عملنا بيانات وأساليب من تخصصات متعددة، ويكشف عن رؤى حول الأرض المبكرة والحياة التي لا يمكن الحصول عليها من خلال تخصص واحد. كما يوضح أيضًا مدى سرعة إنشاء النظام البيئي على الأرض المبكرة. ويشير هذا إلى أن الحياة يمكن أن تزدهر في محيطات حيوية شبيهة بالأرض في أماكن أخرى من الكون. »
المرجع: “طبيعة آخر سلف مشترك عالمي وتأثيره على نظام الأرض المبكر” بقلم إدموند آر آر مودي، وساندرا ألفاريز-كاريتيرو، وتارا أ. ماهيندراراجا، وجيمس دبليو كلارك، وهولي سي بيتس، ونينا دومبروفسكي، ولينار إل. زانثو، ريتشارد أ. بويل، ستيوارت داينز، شي تشين، نيك لين، زيهينج يانج، جراهام أ. شيلدز، جيرجيلي جيه زولوسي، أنجا سبانج، دافيد بيساني، توم أ. ويليامز، تيموثي إم لينتون، وفيليب سي جيه دونوغو، . 12 يوليو 2024, بيئة الطبيعة والتطور.
دوى: 10.1038/s41559-024-02461-1
وشاركت الدراسة أيضًا علماء من جامعة كوليدج لندن (UCL)، وجامعة أوتريخت، ومركز بودابست للأبحاث البيئية، وجامعة أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا.
تم تمويل هذا البحث من قبل مؤسسة جون تمبلتون. الآراء الواردة في هذا المنشور هي آراء المؤلفين ولا تعكس بالضرورة آراء مؤسسة جون تمبلتون.
