كشف أسرار LUCA، أقدم أشكال الحياة على الأرض

تمثيل رقمي يوضح كيف تعرضت LUCA بالفعل لهجوم من الفيروسات حتى قبل 4.2 مليار سنة. حقوق النشر: Science Graphic Design

أ جامعة بريستولتوصلت دراسة أجراها باحثون بجامعة هارفارد إلى أن الحياة على الأرض، والتي تنبع من سلف مشترك يسمى LUCA، ازدهرت بعد وقت قصير من تشكل الكوكب.

ومن خلال التحليل الجيني والنمذجة التطورية، حدد الباحثون وجود LUCA منذ حوالي 4.2 مليار سنة، وكشفوا عنه باعتباره كائنًا معقدًا يتمتع بنظام مناعي مبكر متكامل مع أقدم النظم البيئية على الأرض.

المخطط الجيني لـ LUCA وأحفاده

كل شيء حي اليوم ينحدر من سلف مشترك واحد يُعرف بمودة باسم LUCA (السلف المشترك العالمي الأخير).

إن LUCA هو السلف المشترك المفترض الذي تنحدر منه كل أشكال الحياة الخلوية الحديثة، من الكائنات وحيدة الخلية مثل البكتيريا إلى أشجار الخشب الأحمر العملاقة (وكذلك نحن البشر). يمثل LUCA جذر شجرة الحياة قبل أن تنقسم إلى المجموعات المعروفة اليوم، البكتيريا، والعتائق، والحقيقيات. تطورت الحياة الحديثة من LUCA من مصادر مختلفة: نفس أحماض أمينية تُستخدم لبناء البروتينات في جميع الكائنات الخلوية، والعملة المشتركة للطاقة (ATP)، ووجود الآلات الخلوية مثل الريبوسوم وغيرها المرتبطة بصنع البروتينات من المعلومات المخزنة في الحمض النووي، وحتى حقيقة أن جميع أشكال الحياة الخلوية تستخدم الحمض النووي نفسه كوسيلة لتخزين المعلومات.

أساليب البحث وعصر LUCA

قام الفريق بمقارنة جميع الجينات في جينومات الكائنات الحية صِنف، عن طريق حساب الطفرات التي حدثت داخل تسلسلاتها بمرور الوقت منذ أن اشتركت في سلف في LUCA.

إن زمن انفصال بعض الأنواع معروف من السجل الأحفوري، ولذلك استخدم الفريق معادلاً وراثياً للمعادلة المألوفة المستخدمة لحساب السرعة في الفيزياء لمعرفة متى كان LUCA موجوداً، ووصلوا إلى الإجابة بأنها حدثت منذ 4.2 مليار سنة، أي بعد حوالي أربعمائة مليون سنة من تشكل الأرض ونظامنا الشمسي.

قالت الدكتورة ساندرا ألفاريز كاريتيرو، المؤلفة المشاركة في الدراسة من كلية علوم الأرض في بريستول: “لم نتوقع أن يكون كوكب لوكا قديمًا إلى هذا الحد، في غضون مئات الملايين من السنين من تشكل الأرض. ومع ذلك، فإن نتائجنا تتوافق مع وجهات النظر الحديثة حول قابلية الأرض للحياة في وقت مبكر”.

رؤى فسيولوجية ونمذجة تطورية لـ LUCA

بعد ذلك، عمل الفريق على تحديد بيولوجيا LUCA من خلال نمذجة الخصائص الفسيولوجية للأنواع الحية من خلال سلسلة نسب الحياة إلى LUCA. وأوضح المؤلف الرئيسي الدكتور إدموند مودي: “إن التاريخ التطوري للجينات معقد بسبب تبادلها بين الأنساب. يتعين علينا استخدام نماذج تطورية معقدة للتوفيق بين التاريخ التطوري للجينات وسلسلة نسب الأنواع”.

قال الدكتور توم ويليامز، المؤلف المشارك في الدراسة من كلية العلوم البيولوجية في بريستول: “إن إحدى المزايا الحقيقية هنا هي تطبيق نهج التوفيق بين شجرة الجينات وشجرة الأنواع على مثل هذه المجموعة المتنوعة من البيانات التي تمثل المجالات الأساسية للحياة مثل الأركيا والبكتيريا. وهذا يسمح لنا بالقول بثقة إلى حد ما وتقييم مستوى الثقة هذا حول كيفية عيش LUCA”.

تعقيدات مشروع LUCA وتأثيره البيئي

وقال البروفيسور ديفيد بيساني، المؤلف المشارك في الدراسة: “أظهرت دراستنا أن LUCA كان كائنًا معقدًا، ولا يختلف كثيرًا عن بدائيات النوى الحديثة، ولكن ما هو مثير للاهتمام حقًا هو أنه من الواضح أنه كان يمتلك نظامًا مناعيًا مبكرًا، مما يدل على أنه حتى قبل 4.2 مليار سنة، كان أسلافنا منخرطين في سباق تسلح مع الفيروسات”.

قال تيم لينتون، المؤلف المشارك (من كلية الجغرافيا بجامعة إكستر): “من الواضح أن LUCA كانت تستغل بيئتها وتغيرها، لكن من غير المرجح أن تكون قد عاشت بمفردها. كان من الممكن أن تكون نفاياتها غذاءً لميكروبات أخرى، مثل الميثانوجينات، والتي من شأنها أن تساعد في إنشاء نظام بيئي لإعادة التدوير”.

التأثيرات الأوسع للدراسة على الحياة المبكرة

وأضافت المؤلفة المشاركة البروفيسورة أنيا سبانج (المعهد الملكي الهولندي لأبحاث البحار): “ستفيد النتائج والأساليب المستخدمة في هذا العمل أيضًا الدراسات المستقبلية التي تبحث بمزيد من التفصيل في التطور اللاحق للبدائيات في ضوء تاريخ الأرض، بما في ذلك العتائق الأقل دراسة مع ممثليها الميثانوجينيين”.

قال البروفيسور فيليب دونوغو، المؤلف المشارك: “يجمع عملنا بين البيانات والأساليب من تخصصات متعددة، ويكشف عن رؤى حول الأرض والحياة في وقت مبكر لا يمكن تحقيقها من خلال أي تخصص بمفرده. كما يوضح مدى سرعة إنشاء نظام بيئي على الأرض في وقت مبكر. وهذا يشير إلى أن الحياة قد تزدهر في الغلاف الحيوي الشبيه بالأرض في أماكن أخرى من الكون”.

مرجع: “طبيعة آخر سلف مشترك عالمي وتأثيره على نظام الأرض المبكر” بقلم إدموند آر آر مودي، وساندرا ألفاريز-كاريتيرو، وتارا إيه ماهيندراراجا، وجيمس دبليو كلارك، وهولي سي بيتس، ونينا دومبروفسكي، ولينارد إل زانثو، وريتشارد إيه بويل، وستيوارت دينيس، وشي تشن، ونيك لين، وزيهينج يانج، وجراهام إيه شيلدز، وجيرجلي جيه سولوسي، وأنيا سبانج، وديفيد بيساني، وتوم إيه ويليامز، وتيموثي إم لينتون، وفيليب سي جيه دونوغو، 12 يوليو 2024. علم البيئة الطبيعية والتطور.
دوى: 10.1038/s41559-024-02461-1

وشاركت في الدراسة أيضًا علماء من جامعة كلية لندن (UCL)، وجامعة أوتريخت، ومركز البحوث البيئية في بودابست، ومعهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا بجامعة الدراسات العليا.

تم تمويل البحث من قبل مؤسسة جون تيمبلتون. الآراء الواردة في هذا المنشور هي آراء المؤلفين ولا تعكس بالضرورة آراء مؤسسة جون تيمبلتون.