بالنسبة للغالبية العظمى من الحيوانات على الأرض ، فإن التنفس مرادف للحياة. ومع ذلك ، خلال أول 2 مليار سنة من وجود كوكبنا ، كان الأكسجين نادرًا.
هذا لا يعني أن الأرض كانت بلا حياة طوال هذا الوقت ، لكن هذه الحياة كانت نادرة ومختلفة جدًا عما نعرفه اليوم.
لم يكن الأمر كذلك حتى دخلت البكتيريا الأكثر تعقيدًا القادرة على التمثيل الضوئي إلى الصورة حيث بدأ كل شيء يتغير ، مما أدى إلى ما يطلق عليه العلماء حدث الأكسدة العظيم. لكن متى حدث كل هذا؟ وكيف حدث كل هذا؟
قدمت تقنية جديدة للتحليل الجيني أدلة على التسلسل الزمني الجديد. تشير التقديرات إلى أن البكتيريا استغرقت 400 مليون سنة لتبتلع ضوء الشمس وتفجر الأكسجين قبل أن تزدهر الحياة حقًا.
بعبارة أخرى ، ربما كانت هناك كائنات حية على كوكبنا قادرة على التمثيل الضوئي قبل فترة طويلة من حدث الأكسدة العظيم.
“في التطور ، تبدأ الأشياء دائمًا صغيرة” ، يشرح عالم الجيولوجيا جريج فورنييه من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
“على الرغم من وجود دليل على عملية التمثيل الضوئي المبكرة المؤكسجة – والتي تعد أهم ابتكار تطوري مذهل على وجه الأرض – إلا أنها لا تزال تستغرق مئات الملايين من السنين حتى تنطلق.”
حاليًا ، هناك روايتان متنافستان لشرح تطور التمثيل الضوئي في البكتيريا الخاصة المعروفة باسم البكتيريا الزرقاء. يعتقد البعض أن العملية الطبيعية لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة وصلت في وقت مبكر إلى حد ما في المشهد التطوري ، لكنها تقدمت مع “فتيل بطيء”. يعتقد البعض الآخر أن عملية التمثيل الضوئي تطورت فيما بعد ولكنها “انطلقت كالنار في الهشيم”.
يعود جزء كبير من الخلاف إلى افتراضات حول مدى سرعة تطور البكتيريا والتفسيرات المختلفة لسجل الحفريات.
لذلك أضاف فورنييه وزملاؤه شكلاً آخر من أشكال التحليل إلى الخليط. في حالات نادرة ، يمكن للبكتيريا في بعض الأحيان أن ترث جينات ليس من والديها ، ولكن من نوع آخر بعيد. يمكن أن يحدث هذا عندما “تأكل” خلية أخرى وتدمج جينات الأخرى في جينومها.
يمكن للعلماء استخدام هذه المعلومات لتحديد العمر النسبي لمجموعات مختلفة من البكتيريا ؛ على سبيل المثال ، أولئك الذين سرقوا الجينات لابد وأنهم قاموا بقرصها من الأنواع التي كانت موجودة في نفس الوقت.
يمكن مقارنة هذه العلاقات بعد ذلك بمحاولات تأريخ أكثر تحديدًا ، مثل نماذج الساعة الجزيئية ، التي تستخدم التسلسل الجيني للكائنات لتتبع تاريخ التغيرات الجينية.
تحقيقا لهذه الغاية ، قام الباحثون بتمشيط جينومات آلاف الأنواع البكتيرية ، بما في ذلك البكتيريا الزرقاء. كانوا يبحثون عن حالات نقل الجينات الأفقي.
في المجموع ، حددوا 34 مثالًا واضحًا. بمقارنة هذه الأمثلة بستة نماذج ساعة جزيئية ، وجد المؤلفون على وجه الخصوص واحدًا يعمل بشكل أفضل. باختيار هذا النموذج من المزيج ، أجرى الفريق تقديرات لتحديد العمر الفعلي لبكتيريا التمثيل الضوئي.
تشير النتائج إلى أن جميع أنواع البكتيريا الزرقاء التي تعيش اليوم لها سلف مشترك كان موجودًا منذ حوالي 2.9 مليار سنة. وفي الوقت نفسه ، أسلاف أولئك تشعبت أسلاف من البكتيريا غير الضوئية منذ حوالي 3.4 مليار سنة.
ربما تطور التمثيل الضوئي في مكان ما بين هذين التاريخين.
وفقًا للنموذج التطوري المفضل للفريق ، من المحتمل أن تكون البكتيريا الزرقاء قد تم تصنيعها ضوئيًا قبل 360 مليون سنة على الأقل من المدار الأرضي التزامني. إذا كانوا على حق ، فهذا يعزز فرضية “الانصهار البطيء”.
“تلقي هذه المقالة الجديدة ضوءًا أساسيًا جديدًا على تاريخ أكسجة الأرض من خلال ربط السجل الأحفوري بالبيانات الجينية ، بما في ذلك عمليات نقل الجينات الأفقية ، بطريقة غير مسبوقة” ، قالت عالم الكيمياء الجيولوجية الحيوية تيموثي ليونز من جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد.
“تتحدث النتائج عن بدايات إنتاج الأكسجين البيولوجي وأهميته البيئية ، بطريقة توفر قيودًا حيوية على النماذج والضوابط على أول أكسجة المحيطات والتراكم اللاحق في الغلاف الجوي.”
يأمل المؤلفون في استخدام تقنيات تحليل جيني مماثلة لتحليل الكائنات الحية غير البكتيريا الزرقاء في المستقبل.
تم نشر الدراسة في وقائع الجمعية الملكية ب.
