میکروب باستانی 'آسگارد' ممکن است مدت‌ها قبل از فراوانی اکسیژن در زمین از آن استفاده کرده باشد و سرنخی جدید به منشأ حیات پیچیده ارائه دهد

ایالات متحده - خبرگزاری اخباری

میکروب باستانی 'آسگارد' ممکن است مدت‌ها قبل از فراوانی اکسیژن در زمین از آن استفاده کرده باشد و سرنخی جدید به منشأ حیات پیچیده ارائه دهد

کشف‌های علمی همچنان به روشن کردن گذشته دور حیات بر روی زمین ادامه می‌دهند. یک مطالعه جدید نشان می‌دهد که میکروب‌های باستانی، که زمانی تصور می‌شد از اکسیژن اجتناب می‌کنند، ممکن است در واقع یاد گرفته باشند که از آن بهره‌برداری کنند. این یافته‌ها که اخیراً در مجله Nature منتشر شده‌اند، دیدگاه جدید و قانع‌کننده‌ای را در مورد چگونگی تکامل اولین سلول‌های پیچیده – پیش‌سازان تمام گیاهان و جانوران، از جمله انسان‌ها – ارائه می‌دهند.

بیش از دو میلیارد سال پیش، مدت‌ها قبل از اینکه اتمسفر زمین حاوی مقادیر قابل توجهی اکسیژن باشد، گروهی مقاوم از میکروب‌ها، که اکنون به عنوان 'آرکیای آسگارد' (Asgard archaea) شناخته می‌شوند، ظاهراً قبلاً ماشین‌آلات بیوشیمیایی لازم برای استفاده از این گاز را توسعه داده بودند. این موجودات تک‌سلولی به عنوان نزدیکترین خویشاوندان میکروبی شناخته شده اجداد گیاهان و جانوران در نظر گرفته می‌شوند.

از طریق بررسی‌های گسترده ژنتیکی بر روی نمونه‌های گل اقیانوس و آب دریا، محققان شواهدی یافته‌اند که نشان می‌دهد این آرکیای آسگارد باستانی دارای مجموعه ابزار مولکولی برای پردازش اکسیژن، و احتمالاً حتی استفاده از آن برای تولید انرژی هستند. این افشاگری دیدگاه دیرینه مبنی بر اینکه بسیاری از دودمان‌های آسگارد مورد مطالعه در محیط‌های کم اکسیژن شکوفا شده‌اند را به چالش می‌کشد.

این چرخش تکاملی می‌تواند در توضیح یکی از مهم‌ترین داستان‌های منشأ در زیست‌شناسی نقش کلیدی داشته باشد: ظهور سلول‌های یوکاریوتی. نظریه غالب علمی بیان می‌کند که سلول‌های پیچیده از یک رویداد همزیستی که در آن یک میکروب ساده با یک باکتری ادغام شد، بوجود آمده‌اند. در طول اعصار، این شراکت منجر به توسعه سلول‌های پیچیده‌تر شد که بلوک‌های سازنده هر چیزی از سکویاهای بلند گرفته تا انسان‌های پیچیده هستند.

با این حال، این روایت جذاب منشأ با یک معمای مداوم روبرو بود: این دو نهاد سلولی متمایز چگونه توانستند یکدیگر را بیابند و یک رابطه همکاری برقرار کنند؟ میتوکندری‌ها، نیروگاه‌های درون سلول‌های پیچیده، به عنوان منشأ گرفته از یک باکتری وابسته به اکسیژن شناخته شده‌اند. با این حال، آرکی‌ها – یکی از سه حوزه اصلی حیات – به طور سنتی میزبان این همجوشی حیاتی میکروبی در نظر گرفته می‌شوند، و تصور می‌شد که بسیاری از آنها برای شرایط بی‌هوازی (بدون اکسیژن) سازگار شده‌اند.

مطالعه جدید، که نویسندگان مشترک آن محققان دانشگاه تگزاس در آستین و انستیتو پاستور در پاریس هستند، نشان می‌دهد که آرکیای آسگارد، میزبان احتمالی در این شراکت باستانی، ممکن است بسیار بیشتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد، به اکسیژن مقاوم بوده باشد. برت بیکر، نویسنده همکار مطالعه و استاد مشترک علوم دریایی در دانشگاه تگزاس در آستین، توضیح داد: "بیشتر آرکیای آسگارد که امروزه زنده هستند در محیط‌های بدون اکسیژن یافت شده‌اند." "اما مشخص شده است که آنهایی که نزدیکترین ارتباط را با یوکاریوت‌ها دارند در مکان‌هایی با اکسیژن زندگی می‌کنند، مانند رسوبات ساحلی کم عمق و شناور در ستون آب، و آنها مسیرهای متابولیکی زیادی دارند که از اکسیژن استفاده می‌کنند. این نشان می‌دهد که نیاکان یوکاریوتی ما نیز به احتمال زیاد این فرآیندها را داشته‌اند."

آرکیای آسگارد، که به طور استعاری به نام اقامتگاه خدایان در اساطیر نورس نامگذاری شده‌اند، اولین بار در سال 2015 شناسایی شدند. ژنوم‌های آنها از نمونه‌های رسوبات اعماق دریا که در نزدیکی شکاف هیدروترمال کاسل لوکی (Loki’s Castle) جمع‌آوری شده بودند، بازسازی شد. این تحقیق منجر به تأسیس ابرشاخه آسگارد (Asgard superphylum) شد که شامل گروه‌هایی مانند لوکی‌آرکیوتا (Lokiarchaeota)، ثورآرکیوتا (Thorarchaeota) و اودین‌آرکیوتا (Odinarchaeota) می‌شود. مطالعات بعدی نشان داد که آرکیای آسگارد چندین ژن 'امضای یوکاریوتی' را حمل می‌کنند، که قویاً به ارتباط اجدادی نزدیک با یوکاریوت‌ها – ارگانیسم‌هایی که با سلول‌های حاوی هسته و اندامک‌های غشایی مشخص می‌شوند – اشاره دارد.

برای بررسی چگونگی تحمل اکسیژن توسط آرکیای آسگارد، تیم تحقیقاتی نمونه‌هایی را از محیط‌های دریایی متنوع جمع‌آوری کرد، از جمله دریای بوهای در عمق 100 فوت (30.5 متر) و حوضه گویماس در عمق 6,561 فوت (2,000 متر). آنها حدود 15 ترابایت DNA محیطی را از رسوبات دریایی به دقت تجزیه و تحلیل کردند، بیش از 13,000 ژنوم میکروبی را بازسازی کردند و صدها توالی ژنتیکی خاص آسگارد را جدا کردند.

کاترین اپلر، نویسنده همکار مطالعه و محقق فوق دکترا در انستیتو پاستور، اظهار داشت: "این آرکیای آسگارد اغلب در توالی‌یابی با پوشش کم نادیده گرفته می‌شوند." "تلاش عظیم توالی‌یابی و لایه‌بندی روش‌های توالی و ساختاری به ما امکان داد الگوهایی را ببینیم که قبل از این گسترش ژنومی قابل مشاهده نبودند."

در میان الگوهای شناسایی شده، ژن‌های مرتبط با تنفس هوازی – فرآیند وابسته به اکسیژن که به طور مؤثر انرژی را در بسیاری از موجودات تولید می‌کند – گنجانده شده‌اند. علاوه بر این، تیم از ابزار هوش مصنوعی AlphaFold2 برای پیش‌بینی ساختارهای پروتئین استفاده کرد و شواهد آنها را برای ماشین‌آلات مولکولی مقاوم به اکسیژن در این میکروب‌های باستانی تقویت کرد.

یک دودمان خاص در میان آرکیای آسگارد، معروف به هیمدال‌آرکیا (Heimdallarchaeia – نامگذاری شده به نام نگهبان هوشیار خدایان نورس)، به ویژه آشکار کننده بود. محققان گزارش دادند که بسیاری از ژنوم‌های هیمدال‌آرکیا حاوی اجزای ماشین‌آلات مولکولی درگیر در انتقال الکترون و تولید انرژی با استفاده از اکسیژن، و همچنین آنزیم‌هایی که به سم‌زدایی محصولات جانبی مضر اکسیژن کمک می‌کنند، هستند.

وجود این توانایی‌های پردازش اکسیژن در نیاکان آرکیایی سلول‌های پیچیده، سناریوی همجوشی سلولی باستانی را به طور قابل توجهی ساده می‌کند. بیکر گفت: "اکسیژن در محیط ظاهر شد و آرکیای آسگارد خود را با آن تطبیق دادند." "آنها مزیت انرژی‌زا در استفاده از اکسیژن پیدا کردند و سپس به یوکاریوت‌ها تکامل یافتند." این یافته به طور بالقوه شکاف حیاتی را در درک ما از چگونگی انتقال حیات از سلول‌های پروکاریوتی ساده به ساختارهای پیچیده یوکاریوتی که بیشتر زیست‌کره امروزی را تعریف می‌کنند، پر می‌کند.

خبرگزاری اخباری