تمام اشکال حیات روی زمین را می‌توان به موجودی به نام آخرین نیای مشترک جهانی یا LUCA نسبت داد. یک پژوهش علمی نشان می‌دهد که این موجود احتمالاً حدود ۴۰۰ میلیون سال پس از شکل‌گیری زمین روی آن می‌زیسته است. بررسی‌های تکمیلی همچنین نشان می‌دهد که این شکل اولیه حیات به احتمال زیاد دارای نوعی سامانه ایمنی ابتدایی بوده و در نتیجه با ویروس‌ها مقابله می‌کرده است.

حیات روی زمین ناگزیر باید از نقطه‌ای آغاز شده باشد و دانشمندان بر این باورند که این نقطه همان LUCA یا آخرین نیای مشترک جهانی است. این موجود شبیه به پروکاریوت‌ها، نیای همه موجودات زنده امروزی به شمار می‌آید؛ از کوچک‌ترین باکتری‌ها گرفته تا عظیم‌ترین نهنگ‌های آبی.

اگرچه انفجار کامبرین حدود ۵۳۰ میلیون سال پیش موجب آغاز جهشی بزرگ در شکل‌گیری حیات پیچیده شد، اما خط زمانی واقعی حیات روی زمین بسیار طولانی‌تر از این بازه است. سال‌هاست که دانشمندان برآورد می‌کنند LUCA حدود ۴ میلیارد سال پیش پدیدار شده؛ یعنی حدود ۶۰۰ میلیون سال پس از شکل‌گیری سیاره زمین.

با این حال، مطالعه‌ای که توسط یک تیم بین‌المللی از دانشمندان انجام شده، این خط زمانی را حتی عقب‌تر می‌برد و زمان ظهور LUCA را به حدود ۴.۲ میلیارد سال پیش نسبت می‌دهد. این پژوهش همچنین جزئیات شگفت‌انگیزی را درباره شرایط زندگی این موجود اولیه آشکار کرده است. نتایج این تحقیق در مجله Nature Ecology & Evolution منتشر شده است.

در متن مقاله توضیح داده می‌شود که نیای مشترک همه اشکال حیات سلولی امروزی از طریق ویژگی‌هایی مانند کد ژنتیکی جهانی، سازوکار مشترک سنتز پروتئین، یکسان بودن راست‌گردی مجموعه تقریباً ۲۰ اسید آمینه، و استفاده از ATP به عنوان واحد مشترک انرژی قابل شناسایی است. از این رو، درک ما از LUCA تأثیر مستقیمی بر فهم ما از تکامل اولیه حیات روی زمین دارد. لذا پرسش‌هایی اساسی مطرح می‌شود: آیا LUCA موجودی ساده بوده یا پیچیده؟ در چه محیطی زندگی می‌کرده و در چه زمانی پدید آمده است؟

برای تعیین دقیق زمان حضور LUCA روی زمین، دانشمندان ناچار بودند روندی معکوس را دنبال کنند. در گام نخست، تیم پژوهشی ژن‌های گونه‌های زنده امروزی را با یکدیگر مقایسه کردند و تعداد جهش‌هایی را که از زمان جدایی آن‌ها از نیای مشترکشان با LUCA رخ داده است، محاسبه نمودند. با استفاده از یک معادله ژنتیکی مبتنی بر زمان جدایی میان گونه‌ها، پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که LUCA احتمالاً از حدود ۴۰۰ میلیون سال پس از شکل‌گیری زمین روی آن حضور داشته است. این بازه زمانی، این موجود را درست در میانه دوره زمین‌شناسی خشن و جهنمی موسوم به دوران هادئن قرار می‌دهد.

ادموند مودی از دانشگاه بریستول، نویسنده اصلی این پژوهش، توضیح می‌دهد که تاریخچه تکاملی ژن‌ها به دلیل تبادل آن‌ها میان تبارهای مختلف بسیار پیچیده است و برای هماهنگ کردن تاریخچه تکاملی ژن‌ها با شجره‌نامه گونه‌ها باید از مدل‌های تکاملی پیچیده استفاده شود.

پژوهشگران به تعیین سن LUCA بسنده نکردند و گامی فراتر نهادند. آن‌ها با بازسازی ویژگی‌های فیزیولوژیکی گونه‌های زنده امروزی تلاش کردند دریابند LUCA در حدود ۴.۲ میلیارد سال پیش چه خصوصیاتی داشته است. نتایج این بررسی‌ها شگفت‌آور بود. دانشمندان برآورد می‌کنند که اگرچه LUCA یک پروکاریوت ساده بوده، اما به احتمال زیاد نوعی سامانه ایمنی داشته که نشان می‌دهد این موجود از همان زمان‌های بسیار ابتدایی با ویروس‌های نخستین در حال مقابله بوده است.

تیم لنتون از دانشگاه اکستر، یکی از نویسندگان این مطالعه، توضیح می‌دهد که به نظر می‌رسد LUCA از محیط پیرامون خود بهره‌برداری کرده و آن را تغییر می‌داده، اما به احتمال زیاد به تنهایی زندگی نمی‌کرده است. پسماندهای زیستی آن می‌توانسته به عنوان منبع غذایی برای دیگر میکروب‌ها، از جمله متانوژن‌ها، عمل کند و به شکل‌گیری یک سامانه بوم‌شناختی مبتنی بر بازیافت کمک نماید.

اگرچه LUCA قدیمی‌ترین نیای مشترکی است که تاکنون شناسایی شده، اما دانشمندان هنوز به طور کامل نمی‌دانند که حیات چگونه از نخستین مراحل پیدایش خود به اجتماعات اولیه‌ای تکامل یافته که LUCA بخشی از آن‌ها بوده است. پژوهش‌های آینده باید عمیق‌تر به این تاریخ بدوی نفوذ کنند تا مشخص شود که انسان، سایر جانداران و همه اشکال حیات امروزی دقیقاً چگونه پدید آمده‌اند.

آبی در موجودات زنده رنگ نسبتاً کمیابی محسوب می‌شود. رنگ سبز بخش بزرگی از جهان را پوشانده و زرد و نارنجی نیز به وفور در گیاهان و جانوران به چشم می‌خورند. رنگ‌های قرمز و صورتی نیز فرصت‌هایی برای جلب توجه دارند؛ اما آبی تنها در مجموعه‌ای اندک از گل‌ها، پرندگان عجیب و غریب و چند قورباغه غیرمعمول مشاهده می‌شود؛ البته رنگ دیگری وجود دارد که حتی از آبی هم در طبیعت کمیاب‌تر است: بنفش! در ادامه توضیح خواهیم داد چرا بنفش به ندرت در طبیعت دیده می‌شود.

کمیابی رنگ‌ها در طبیعت به مسئله فیزیک و تکامل مربوط می‌شود. رنگ‌ها از بازتاب طول موج‌های خاص در طیف الکترومغناطیسی پدید می‌آیند. طول موج‌های کوتاه‌تر، مانند آبی، انرژی بیشتری حمل می‌کنند؛ اما طول موج‌های بلندتر، مانند قرمز، انرژی کمتری دارند.

چرا رنگ سبز در طبیعت به وفور دیده می‌شود؟

سبز تقریباً در میانه‌ طیف مرئی قرار دارد؛ بنابراین طول موج آن برای بهره‌برداری عالی است؛ این رنگ رایج‌ترین رنگ در طبیعت محسوب می‌شود؛ زیرا فتوسنتز که برای تداوم حیات سیاره زمین یک فعالیت بنیادین محسوب می‌شود، نور خورشید را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کند. گیاهان این کار را با کمک رنگدانه‌ای به نام کلروفیل انجام می‌دهند؛ کلروفیل نور سبز را بازتاب می‌دهد، اما از سوی دیگر بخش زیادی از نور قرمز و مقداری نور آبی را جذب می‌کند.

پذیرش طول موج‌های قرمز و آبی راهی پایدار و کارآمد برای برانگیختن الکترون‌ها در کلروفیل است؛ این پدیده تبدیل انرژی نور به انرژی شیمیایی را برای گیاه امکان‌پذیر می‌کند. در مقابل طول موج‌های مربوط به سبز بیشتر بازتاب می‌شوند تا جذب؛ به همین دلیل برگ‌ها سبز به نظر می‌رسند.

دلیل کمیابی رنگ‌های دیگر در طبیعت نیز اغلب به همین نوع موازنه مربوط می‌شود؛ رنگدانه‌ها نه‌تنها باید از نظر زیست‌ شیمیایی امکان‌پذیر باشند، بلکه باید هدفی تکاملی را نیز برآورده کنند؛ خواه برای فتوسنتز، خواه برای استتار؛ یا حتی برای ارسال نشانه‌ها. 

چرا آبی در طبیعت این‌قدر نادر است؟

رنگ آبی در طبیعت به ندرت دیده می‌شود؛ زیرا طول موج کوتاه و فرکانس بالای نور آبی به معنای انرژی زیاد آن است؛ بنابراین بیشتر رنگدانه‌ها  بیشتر از اینکه آن را بازتاب کنند، جذبش می‌کنند؛ نور آبی مانند بسته‌ای از انرژی شدید است که از نظر زیست‌شیمیایی بازتاب‌دادنش دشوار و سنگین و جذب کردن آن بسیار آسان‌تر از پس‌زدن ضربه است.

این موضوع بدان معنا نیست که حیات وحش راهی برای بهره‌گیری از رنگ‌های آبی پیدا نکرده است؛ اگر فضایی خالی برای پر شدن وجود داشته باشد، چیزی آن را پر خواهد کرد. کافی است به پرندگان گرمسیری، حدود ۱۰ درصد از گیاهان و آن سوسک‌های زیبا فکر کنید.

با این حال موجودات مذکور برای اینکه آبی به نظر برسند، الزاماً از رنگدانه‌های واقعی استفاده نمی‌کنند. در  مقابل بسیاری از آن‌ها به ساختارهای فیزیکی میکروسکوپی متکی هستند که نور را پراکنده می‌کنند تا ادراک آبی ایجاد شود؛ پدیده‌ای که به آن «رنگ‌آمیزی ساختاری» (structural coloration) گفته می‌شود. تسلط یافتن بر چنین فرایندی پرهزینه و دشوار است؛ بنابراین تنها تعداد کمی از موجودات زنده به اندازه کافی تحت فشار قرار گرفته‌اند تا با آن دست و پنجه نرم کنند.

چرا بنفش در طبیعت حتی نادرتر از رنگ آبی است؟

فرکانس رنگ بنفش حتی بالاتر از فرکانس رنگ آبی است و طول موجی کوتاه‌تر از آبی دارد و در انتهای قسمت بسیار پرانرژی طیف مرئی قرار می‌گیرد؛ بنابراین می‌توان آن را نسخه‌ افراطی از رنگ آبی تصور کرد (لازم به ذکر است نباید رنگ بنفش را با ارغوانی یا همان ترکیب آبی و قرمز اشتباه گرفت).

تمام عواملی که رنگ آبی را کمیاب می‌کنند (مانند فرکانس بالای آن) در مورد رنگ بنفش شدت بیشتری دارند؛ به همین دلیل رنگ بنفش تقریباً در موجودات زنده وجود ندارد و کمیاب‌ترین رنگ در طبیعت محسوب می‌شود.تولید بنفش از طریق رنگدانه‌ها از نظر انرژی بسیار دشوارتر است؛ علاوه بر این رنگ‌آمیزی ساختاری رنگ بنفش نیز پیچیده‌تر است؛ زیرا نیازمند ساختارهای میکروسکوپی بسیار متراکم و دقیق است که تنها تعداد اندکی از موجودات توانایی ایجاد آن را دارند.  

کمیابی برخی رنگ‌ها به نحوه‌ برخورد انسان‌ها با رنگ‌دانه‌ها در فرهنگ‌هایشان نیز مربوط می‌شود؛ در روزگاری که هنوز آزمایشگاه‌ها و رنگ‌های شیمیایی وجود نداشت، سایه رنگ‌های آبی‌ و ارغوانی‌ برای رهبران بزرگ، نخبگان معنوی و دیگر افراد قدرتمند در جوامع محفوظ بوده‌اند و ایجاد می‌شده‌اند. تولید این رنگ‌ها حتی با دانش فنی امروز، کاری دشوار و نیازمند مهارت فراوان است.

گونه میکروبی تازه‌ای به نام Solarion arienae کشف شده که هنوز نشانه‌هایی از مراحل اولیه فرگشت میتوکندری‌ها را در خود حفظ کرده است. بررسی‌های ژنتیکی این میکروب نشان داده که مسیر ژنتیکی خاصی در آن وجود دارد که شاید از یک ادغام باستانی ایجاد شده باشد.

میکروب Solarion arienae با زوائدی که انتهای هر یک از آن‌ها به یک گوی ختم می‌شود، شباهتی به خورشید دارد. این جاندار تک‌سلولی ممکن است باعث بازنگری در دانسته‌های ما درباره خاستگاه‌های فرگشت یوکاریوتی در میلیاردها سال پیش شود.

نخستین یوکاریوت‌هایی که روی زمین ظاهر شدند پروتیست‌ها بودند. یوکاریوت‌ها یا تک‌سلولی‌اند یا از سلول‌هایی با هسته تشکیل شده‌اند، در حالی که پروکاریوت‌های اولیه (مانند باکتری‌ها و آرکی‌ها) فاقد هسته بودند و احتمالاً یوکاریوت‌ها از آن‌ها تکامل یافتند. همچنین احتمال می‌رود یوکاریوت‌ها نتیجه روابط همزیستی میان پروکاریوت‌هایی باشند که نهایتاً در هم ادغام شدند. حتی میتوکندری‌ها نیز احتمالاً زمانی باکتری‌هایی بودند که درون سلول‌های دیگر بلعیده شدند و سلول میزبان آن‌ها را در خود نگه داشته است. این سلول‌های یوکاریوتی بعدها نخستین جانداران چندسلولی را پدید آوردند.

Solarion نماینده یک سرده، گونه و شاخه کاملاً تازه از پروتیست‌هاست که اکنون در اَبَر‌گروه یوکاریوتی جدیدی به نام Disparia طبقه‌بندی می‌شود. تصور می‌شد یوکاریوت‌هایی که در دوران جوانی زمین وجود داشتند، تنوع بالایی از نظر سوخت‌وساز نداشتند. هنگامی که متیو براون، زیست‌شناس دانشگاه ایالتی میسیسیپی، این گونه را کشف کرد، تحلیل ژنتیکی نشان داد که آثار مسیرهای میتوکندریایی به‌جامانده از باکتری‌هایی بسیار باستانی در آن وجود دارد؛ باکتری‌هایی که این مسیرها را مدت‌ها قبل از آن‌که حتی یک دایناسور از تخم بیرون بیاید، به ارث گذاشته‌اند. براون دریافت که این مسیرها نشانه‌هایی از آغازگاه مولکولی شکل‌گیری میتوکندری‌ها را باقی گذاشته‌اند.

براون در پژوهشی که اخیراً در مجله Nature منتشر شده، گفته است که کشف Solarion arienae درک ما از فرگشت اولیه یوکاریوت‌ها را گسترش می‌دهد و امکان مطالعه بقایای مسیرهای متابولیکی پیش‌میتوکندریایی را فراهم می‌کند؛ مسائلی که می‌توانند به روشن‌تر شدن پیچیدگی حیات یوکاریوتی باستانی کمک کنند.

ویژگی‌های نیاکانی که در برخی تیره‌های پروتیست‌ها باقی مانده‌اند، می‌توانند درباره فرگشت سلول‌های یوکاریوتی، به‌ویژه ساختارها و مسیرهای متابولیکی که سلول را زنده نگه می‌دارند، اطلاعات بیشتری بدهند. میتوکندری‌ها به‌دلیل نقش کلیدی‌شان در تولید انرژی در سلول به مخازن انرژی شهرت دارند. این اندامک‌ها چندین کارکرد متابولیکی دارند، از جمله تجزیه مواد مغذی برای تولید انرژی، مدیریت پسماندها و سامان‌دهی متابولیت‌هایی که برای حفظ تعادل سلولی لازم‌اند. آن‌ها همچنین می‌توانند به سلول‌ها کمک کنند با فشارهای ناشی از عواملی مانند کمبود مواد غذایی یا آسیب دی‌ان‌ای تطبیق پیدا کنند.

براون و تیم پژوهشی او به شکلی غیرمنتظره Solarion را در یک کشت آزمایشگاهی از پروتوزوآهای دریایی بی‌هوازی مشاهده کردند. آنان توانستند این گونه را کشت دهند و بعدها دریافتند که نه‌تنها یوکاریوتی است، بلکه نسبت نزدیکی با پروتیست Meteora sporadica دارد. پژوهشگران تصور می‌کنند Solarion برای مدت‌ها از دید دانشمندان پنهان مانده، یا به این دلیل که در بسیاری از زیستگاه‌هایی زندگی می‌کند که هنوز بررسی نشده‌اند، یا زیرا زیستگاهی بسیار اختصاصی و خاص را ترجیح می‌دهد.

ویژگی بسیار نامعمول این میکروب این است که از دو مرحله متمایز در چرخه زندگی عبور می‌کند. در محیط کشت، بیشتر آن‌ها شکل خورشیدی خود را حفظ می‌کردند و با استفاده از زوائد یا اکستروزوم‌هایی که از بدنشان بیرون زده، باکتری‌ها را شکار می‌کردند. آن‌هایی که وارد مرحله دوم می‌شدند، این ساختارها را از دست می‌دادند و به سلول‌هایی کشیده با یک تاژک برای حرکت تبدیل می‌گشتند. برخی از این سلول‌های تاژک‌دار دوباره به حالت خورشید‌گونه بازمی‌گشتند.

Solarion در رایج‌ترین شکل خود ساختارهای عجیبی دارد. در سیتوپلاسم آن تنها یک سانتریول شناور وجود دارد؛ اندامکی لوله‌ای که ریزلوله‌ها را سازمان‌دهی کرده و اسکلت سلولی را می‌سازد. بیشتر سلول‌های یوکاریوتی دو سانتریول دارند. گوی‌هایی که در انتهای اکستروزوم‌ها قرار دارند، کینتوسیست نامیده می‌شوند؛ ساختارهای توخالی که برای گرفتن باکتری‌های شکار استفاده می‌شوند و سپس با رشته‌هایی درونی آن‌ها را سوراخ می‌کنند. تنها پروتیست دیگری که چنین ریخت‌شناسی‌ای دارد Meteora sporadica است. تفاوت اصلی این است که Solarion در هر زائده یک گوی دارد، در حالی که Meteora دارای چندین گوی است. Solarion و Meteora اکنون شاخه تازه‌ای به نام Caelestes را تشکیل می‌دهند.

با وجود میلیاردها سال فرگشت، Solarion هنوز ژن‌های میتوکندریایی نادری را در خود نگه داشته است. این میکروب برخی پروتئین‌هایی را که در سایر سلول‌های یوکاریوتی در هسته رمزگذاری می‌شوند، در میتوکندری‌های خود رمزگذاری می‌کند. آنچه به‌ویژه توجه پژوهشگران را جلب کرده، مسیر فرایندی به نام SecA است. در معمول‌ترین حالت، SecA با کانال SecYEG مرتبط است که موجب جابه‌جایی پروتئین‌ها در سراسر سلول می‌شود. اما در Solarion هیچ نشانی از SecYEG وجود ندارد. مسیر SecA آن نیز در میتوکندری جای گرفته، نه در سیتوپلاسم یا غشای سلولی؛ موضوعی که نشان می‌دهد این مسیر احتمالاً کارایی کامل در انتقال پروتئین‌ها ندارد یا ممکن است از یک پروکاریوت باستانی بازسازی شده باشد.

اگرچه Solarion، شاخه Caelestes و اَبَر‌گروه Disparia هنوز همه رازهای خود را آشکار نکرده‌اند، براون مصمم است که دریابد این جانداران چه حقایق دیگری درباره تاریخ فرگشت یوکاریوت‌هایی که در نهایت به انسان و دیگر جانداران چندسلولی انجامیدند، به ما خواهند آموخت.

او گفته است که با وجود نامشخص بودن جایگاه دقیق Disparia در درخت حیات یوکاریوتی، اکتشاف‌های مداوم، نمونه‌برداری گسترده‌تر از گونه‌های کشف‌نشده و پیشرفت در روش‌های فیلوژنتیک، بی‌تردید امکان پاسخ دادن به این پرسش را در آینده نزدیک فراهم خواهد کرد.