لوكا الجد الذي يعيش بالبحر يحمل جينات البشرية
مصر:إيهاب محمد زايد
إن فهم كيف بدأت الحياة وتطورت على الأرض هو سؤال أذهل البشر لفترة طويلة، وقد حقق العلماء المعاصرون تقدمًا كبيرًا عندما يتعلق الأمر بالعثور على بعض الإجابات.
الآن، تأمل في تقديم رؤى جديدة حول أصل الحياة على الأرض.
منذ حوالي 375 مليون سنة، كان أسلافنا الشبيهين بالأسماك يتنفسون من خلال الخياشيم. منذ أكثر من 600 مليون سنة، ظهر السلف المشترك لجميع الحيوانات – الأورميتازوان المجهري.
ولكن قبل حدوث كل ذلك بمليارات السنين، لا بد أن السلف المشترك لجميع الكائنات الحية، وهو السلف المشترك العالمي الأخير (لوكا)، كان موجودًا.
لقد عمل العلماء على تحديد هوية لوكا على مر العقود بأفكار مختلفة حول شكل لوكا. نقطة الخلاف الأخرى هي عمر لوكا. أقدم دليل أحفوري لدينا للحياة يبلغ عمره حوالي 3.4 مليار سنة.
بعض الدراسات تدفع عمر لوكا إلى الوراء بالقرب من ولادة الأرض، قبل 4.5 مليار سنة. ويعتقد آخرون أن هذا مستحيل بسبب الوقت الذي سيستغرقه إنشاء الشفرة الوراثية وآلية تكرار الحمض النووي.
لم يكن لوكا هو الشكل الأول للحياة؛ لقد كان الكائن الحي الذي انحدرت منه جميع الكائنات الحية. ومع ذلك، يعتقد العلماء أن الكائنات الحية ربما كانت موجودة قبل لوكا بكثير.
إن فهم كيف كان لوكا ومتى عاش، أمر مهم لمساعدتنا في معرفة كيفية تطور الحياة على الأرض.
في دراسة التي نشرت في مجلة Nature Ecology & Evolution، استخدم مجموعة من الأساليب العلمية لإعادة بناء جينوم لوكا وإظهار كيف أن الجينات التي وجدت ربما سمحت للوكا بالعيش. كان هذا المشروع نتيجة لعدة سنوات من العمل وفريق دولي من المتعاونين.
طبيعة لوكا
لإعادة بناء جينوم لوكا، كانت الدراسة بحاجة إلى عينة من الجينوم (جميع المعلومات الوراثية في الكائن الحي) من مجموعات مختلفة من البكتيريا والعتائق (كائنات وحيدة الخلية تختلف عن البكتيريا) حتى نتمكن من التأكد من أننا نأخذ عينات من الحياة الحديثة.
لقد تم استبعاد حقيقيات النوى (النباتات والحيوانات والفطريات) لأن العلماء يعتقدون أنها تطورت من اتحاد العتائق والبكتيريا، في وقت لاحق من ذلك بكثير. كان لدينا مجموعة مكونة من 700 جينوم (350 عتيقة و350 بكتيريا)، تم تجميعها بالفعل من دراسة أجريت عام 2022 وشارك فيها البعض منا.
قمنا بتصنيف هذه الجينات إلى عائلات مختلفة لفهم غرضها في الكائنات الحية الحديثة. استخدمنا قاعدة بيانات لهذا الغرض، تسمى KEGG، والتي تساعد العلماء على اكتشاف المسارات الأيضية للكائنات الحية (كيف تحافظ على الحياة).
بعد ذلك، استخدمنا هذه الفصائل لاستنتاج أشجار النشوء والتطور (أو السلالات، مثل شجرة العائلة إلى حد ما) لفهم العلاقة بين الأنواع المختلفة ومعرفة كيفية تطورها مع مرور الوقت.
وقمنا أيضًا ببناء مجموعة منفصلة مكونة من 57 جينًا مشتركًا بين جميع الكائنات الحية الـ 700 في دراستنا والتي من المحتمل أن تكون موجودة في كل أشكال الحياة تقريبًا. لم تتغير هذه الأنواع من الجينات كثيرًا خلال مليارات السنين القليلة الماضية.
استخدمنا هذه الجينات الـ 57 لبناء شجرة الأنواع، والتي توضح العلاقة الداروينية بين الكائنات الحية المختلفة. يمكننا بعد ذلك دمج أشجار جينات KEGG الخاصة بالدراسة مع شجرة الأنواع، من خلال نمذجة معدلات ازدواج الجينات ونقلها وفقدانها. وقد سمح لنا هذا أيضًا بحساب احتمالية وجود عائلات جينية مختلفة في لوكا.
لقد أتاحت لنا إعادة بناء جينوم لوكا تقدير عملية التمثيل الغذائي لديه، كما لو كان على قيد الحياة اليوم. نحن نتصور لوكا ككائن حي معقد للغاية مثل البكتيريا الحديثة والعتائق، مع جينوم صغير. ومع ذلك، لم نجد دليلًا على عملية التمثيل الضوئي (التي تستخدمها بعض البكتيريا) أو تثبيت النيتروجين، وهي عملية كيميائية تستخدمها بعض البكتيريا الحديثة والعتائق للبقاء على قيد الحياة.
كم كان عمر لوكا؟
لقد جربت أيضًا طريقة جديدة لتقدير عمر لوكا باستخدام الجينات التي نعتقد أنها تكررت قبل لوكا بالإضافة إلى معلومات من الحفريات.
عادة، لاستنتاج الجداول الزمنية التطورية، نحصل على سلالة من الأنواع محل اهتمامنا مع جينات متماثلة، والتي تعود إلى سلف مشترك.
بعد ذلك، سوف نجد مجموعة من الأنواع التي لها صلة بعيدة (مجموعة خارجية) بالأنواع التي نهتم بها لتحديد جذر السلالة.
تحتوي “الفروع” التي تربط الأنواع في السلالة على معلومات حول معدل حدوث التغيرات الجينية (الطفرات) والوقت الذي تباعدت فيه الأنواع. يمكننا استخدام الأدلة الأحفورية أو الجيولوجية لإبلاغ الساعة الجزيئية عن الحد الأدنى المحتمل للأعمار التي وقعت فيها أحداث الانتواع.
لكن مع لوكا، لدينا مشكلتان. لا توجد مجموعة خارجية عن أصل الحياة، ولا يوجد الكثير من الحفريات أو الكثير من الأدلة الجيولوجية من الأرض المبكرة التي يمكننا استخدامها لمعايرة الساعة الجزيئية.
وللتغلب على هذه القيود، استخدمنا الجينات المشابهة التي تتبعها العلماء بالفعل للوصول إلى لوكا. ترتبط الجينات المتوازية ببعضها البعض من خلال ازدواج الجينات. يمكن أن يحدث هذا عندما يكون تنقسم الخلايا إلى قسمين، كل منهما يحمل نسخته الخاصة من الجين المكرر.
نحن نقدر أن لوكا جاب الأرض منذ حوالي 4.2 مليار سنة. إذا كان تقديرنا الزمني قريبًا من الحقيقة، فلا بد أن أشياء مثل الشفرة الوراثية، وترجمة البروتين، والحياة نفسها قد تطورت بسرعة، تقريبًا بعد تكوين الأرض.
إن إعادة بناء لوكا ليست الأولى، وبالتأكيد لن تكون الأخيرة. يتم اكتشاف المزيد والمزيد من الكائنات الحية وتسلسلها كل عام، وتصبح أجهزة الكمبيوتر أكثر قوة، وتتحسن النماذج التطورية باستمرار.
ولذلك، قد يتغير فهمنا للوكا عندما تتوفر المزيد من البيانات والتقنيات القوية.
على سبيل المثال، يجب أن نأخذ في الاعتبار أنه ربما كان هناك العديد من الكائنات الحية الأخرى التي كانت تعيش في زمن لوكا والتي لم تعد تمثلها أي كائنات حية اليوم.
إذا لم يتمكن أي من أحفاد لوكا الأوائل من الوصول إلى العصر الحديث، ولم تتمكن جيناتهم من البقاء، فلن نتمكن أبدًا من رسم خريطة لعائلات الجينات هذه مرة أخرى إلى لوكا، مما يعني أن إعادة بناء لوكا قد تكون غير مكتملة.
على الرغم من كل القيود التقنية، فإن دراستنا تضع طريقة جديدة لفهم لوكا. ولكن لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به لفهم كيفية تطور الحياة بشكل أفضل منذ تكوين كوكبنا الأرض.
المصدر
إدموند آر. آر. مودي، باحث مشارك أول في علم الأحياء التطوري الحسابي، جامعة بريستول وساندرا ألفاريز-كاريتيرو، زميلة أبحاث، كلية لندن الجامعية
