بیگ بنگ: برخلاف تصورات پیشین، میکروب‌ها توانایی انجام فتوسنتز اکسیژن زا را دستکم یک میلیارد سال زودتر در تاریخ زمین داشته‌اند. این یافتۀ جدید می تواند ایده‌های مربوط به چگونگی و زمان فرگشت حیات پیچیده در زمین و همچنین احتمال فرگشت آن در سیاره‌های دیگر را تغییر بدهد.

به گزارش بیگ بنگ، اکسیژن موجود در اتمسفر زمین برای اَشکال پیچیدۀ حیات ضروری است؛ چرا که این گونه‌ها از اکسیژن در طول تنفس هوازی برای تولید انرژی استفاده می کنند. تقریبا 2.4 میلیارد سال پیش، میزان اکسیژن به طرز چشمگیری در اتمسفر افزایش پیدا کرد، اما دلیل این اتفاق بحث‌های چالش برانگیزی را به وجود آورده و توافق جمعی هم بر سر آن بدست نیامده است. به باور برخی از دانشمندان، 2.4 میلیارد سال قبل، موجودات زنده‌ای به نام سیانوباکتری‌ها برای نخستین‌بار فرگشت پیدا کردند. سیانوباکتری‌ها توانایی انجام فتوسنتز اکسیژن زا را داشتند. دانشمندان دیگری هم این ایده را مطرح می کنند که سیانوباکتری‌ها خیلی قبل‌تر از 2.4 میلیارد سال پیش فرگشت یافتند اما عاملی باعث عدم تجمع اکسیژن در هوا شد.

سیانوباکتری‌ها نوع نسبتا پیچیده‌ای از فتوسنتز اکسیژنی را انجام می دهند؛ یعنی همان نوع از فتوسنتزی را که گیاهان امروزی به انجام می رسانند. لذا این پیشنهاد ارائه شده که اَشکال ساده‌تر فتوسنتز اکسیژنی شاید قبل از پیدایش سیانوباکتری‌ها وجود داشته است؛ لذا میزان اکسیژن کمی برای حیات وجود داشته است. اکنون، تیمی به سرپرستی دانشگاه امپریال کالج لندن دریافته‌اند که فتوسنتز اکسیژنی تقریبا یک میلیارد سال پیشتر از فرگشت سیانوباکتری‌ها انجام شده است. نتایج محققان نشان می دهد که فتوسنتز اکسیژنی شاید در تاریخ 4.5 میلیارد ساله زمین خیلی زودتر فرگشت یافته است.

نویسنده ارشد دکتر «تانای کاردونا» از دپارتمان علوم زیستی در امپریال کالج لندن اظهار داشت: «ما می دانیم که سیانوباکتری‌ها قدمت بسیار طولانی دارند، اما از میزان دقیق این قدمت اطلاع زیادی در دست نداریم. برای مثال، اگر سیانوباکتری‌ها قدمتی بالغ بر 2.5 میلیارد سال داشته باشند، بدین معناست که فتوسنتز اکسیژنی حدود 3.5 میلیارد سال قبل توانایی فرگشت داشته است. لذا این ایده را میتوان استنباط کرد که شاید قابلیت فتوسنتز برای فرگشت به میلیاردها سال زمان نداشته است.»

اگر فتوسنتز اکسیژنی زودتر فرگشت پیدا کرده باشد، بدین معناست که فرایند چندان دشواری برای فرگشت نبوده است. پس احتمال پیدایش حیات پیچیده در یک سیاره فراخورشیدی دور نیز باید زیاد باشد. دانشمندان صرفا با استفاده از آثار سنگی موجود در زمین نمی توانند تشخیص بدهند که چه زمانی فرایندهای تولید کننده اکسیژن برای نخستین‌بار در زمین ظهور پیدا کردند. هر چقدر سنگ‌ها نادرتر و قدیمی‌تر باشند، به همان اندازه سخت است با قطعیت اعلام کرد که میکروب‌های فسیل شده در این سنگ‌های باستانی توانستند از اکسیژن استفاده کرده یا آن را تولید کنند.

محققان به بررسی فرگشت دو پروتئین اصلیِ دخیل در فتوسنتز پرداختند. در مرحله نخست فتوسنتز، سیانوباکتری‌ها از انرژی نور برای تفکیک آب به پروتون، الکترون و اکسیژن استفاده کردند؛ در این راستا، از یک مجموعه پروتئینی به نام «فتوسیستم 2» بهره جستند. فتوسیستم 2 از دو پروتئین به نام‌های «D1» و «D2» تشکیل یافته است. در اصل، دو پروتیئن یکسان بودند؛ اگرچه پروتئین‌های مذکور ساختارهای بسیار مشابهی دارند، اما توالی ژنتیکی شان حالا خیلی با هم فرق دارند. این نشان می دهد که پروتئین‌های D1 و D2 به صورت جداگانه در حال فرگشت بوده‌اند؛ آنها در سیانوباکتری‌ها و گیاهان فقط 30 درصد از توالی ژنتیکی‌شان را بصورت مشترک دارند.

این دو پروتئین حتی در اَشکال اصلی‌شان هم احتمالا میتوانستند فتوسنتزِ اکسیژن محور را به انجام برسانند؛ پس پی‌بردن به اینکه این دو پروتئین چه زمانی ویژگی‌های یکسانی داشتند، می تواند مشخص کند که این توانایی چه زمانی فرگشت یافت. برای پی بردن به اختلاف زمانی که در آن پروتئین‌های D1 و D2 بصورت 100 درصد شبیه هم بودند، تیم محققان تعیین کردند که پروئتین‌های فوق با چه سرعتی در حال تغییر بودند. محققان با بهره‌گیری از روش‌های آماری قوی و رویدادهای شناخته شده در فرگشت فتوسنتز، به این نتیجه رسیدند که پروتئین‌های D1 و D2 در فتوسیستم 2 روند فرگشتی خیلی آهسته‌ای داشتند؛ حتی کندتر از برخی از قدیمی‌ترین پروتئین‌ها در زیست شناسی.

لذا محققان بیان کردند: «معمولا، پیدایش فتوسنتز اکسیژنی و سیانوباکتری‌ها بعنوان چیز یکسانی در نظر گرفته می شوند. پس برای پی‌بردن به اینکه چه زمانی اکسیژن برای نخستین‌بار به وجود آمد، دانشمندان تلاش کردند به زمان فرگشت سیانوباکتری‌ها برای نخستین‌بار پی‌ببرند. مطالعه ما نشان می دهد که به احتمال زیاد فتوسنتز اکسیژنی خیلی پیشتر از پیدایش اجداد سیانوباکتری‌ها شروع به فعالیت کردد. بنابراین، منشاء فتوسنتز اکسیژنی و اجداد سیانوباکتری‌ها به چیز یکسانی اشاره نمی کنند.» حالا تیم محققان در تلاش‌اند تا ببیند قبل از فرگشت پروتئین‌های D1 و D2، فتوسیستم چه ویژگی‌هایی داشته است. آنها در تلاش هستند با استفاده از تغییر کدهای ژنتیکی فتوسیستم در تمامی گونه‌های زنده امروزی، کد ژنتیکی فتوسیستم اجدادی را پیدا کنند. جزئیات بیشتر این پژوهش در مجله Geobiology منتشر شده است.

ترجمه: منصور نقی لو/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: sciencedaily.com