حیات خیلی زودتر از تصور ما اکسیژن را «نفس» کشید

به گزارش «سای‌تک‌دیلی»، امروزه اکسیژن در همه ‌جای زمین وجود دارد؛ اما همیشه چنین نبوده است. دانشمندان بر این باورند که اکسیژن تنها حدود ۲٫۳ میلیارد سال پیش، طی رویداد بزرگ اکسیژنی (Great Oxidation Event) یابه اختصار (GOE)، به ‌طور پایدار به بخشی از جو زمین تبدیل شد؛ نقطه عطفی که در نهایت ظهور حیاتِ وابسته به اکسیژن را شکل داد.

اکنون، پژوهش تازه‌ای از موسسهه فناوری ماساچوست (MIT) به فصلی حتی قدیمی‌تر از این داستان اشاره می‌کند. این گروه پیشنهاد می‌کند که برخی جانداران باستانی ممکن است صدها میلیون سال پیش از رویداد بزرگ اکسیژنی، استفاده از اکسیژن را آموخته باشند. چنانچه این نتیجه درست باشد، شواهد ارائه ‌شده می‌تواند در شمار کهن‌ترین نشانه‌های تنفس هوازی باشد که تاکنون شناسایی شده‌اند.

در مطالعه‌ای که در نشریه «دیرین‌جغرافیا، دیرین‌اقلیم‌شناسی و دیرین‌بوم‌شناسی» (Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology) منتشر شده است، زمین‌زیست‌شناسان MIT منشا آنزیمی را بررسی کردند که به جانداران کمک می‌کند اکسیژن را پردازش کنند. انواع مختلف این آنزیم در میان جانداران امروزیِ وابسته به اکسیژن به‌ طور گسترده دیده می‌شود. پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که این آنزیم نخستین بار در دوره «مزوآرکئن» (Mesoarchean) پدیدار شده است؛ دوره‌ای که صدها میلیون سال پیش از آن بود که اکسیژن به ویژگی پایدار جو زمین تبدیل شود.

اکسیژن پیش از تغییر جو (اتمسفر)

این یافته‌ها ممکن است نوری بر یکی از معماهای بزرگ زمین اولیه بیفکنند. اگر تولید اکسیژن مدت‌ها پیش از رویداد بزرگ اکسیژنی آغاز شده بود؛ چرا این‌ همه زمان طول کشید تا اکسیژن در هوا انباشته شود؟

کهن‌ترین تولیدکنندگان شناخته ‌شده اکسیژن، سیانوباکتری‌ها بودند؛ میکروب‌هایی که روشی برای استفاده از نور خورشید و آب جهت انجام فتوسنتز تکامل دادند و در این فرایند اکسیژن آزاد می‌کردند. دانشمندان برآورد می‌کنند که سیانوباکتری‌ها حدود ۲٫۹ میلیارد سال پیش پدیدار شدند. این بدان معناست که آن‌ها ممکن است صدها میلیون سال پیش از آنکه جو بتواند اکسیژن را در خود نگه دارد، در حال تولید اکسیژن بوده باشند. بنابراین، تمام اکسیژن اولیه تولید شده توسط سیانوباکتری‌ها کجا می‌رفت؟

دانشمندان گمان می‌کنند که سنگ‌ها از طریق واکنش‌های گوناگون ژئوشیمیایی، بخش بزرگی از اکسیژن اولیه را مصرف کرده باشند. اکنون مطالعه جدید گروه MIT پیشنهاد می‌کند که زیست‌شناسی نیز ممکن است در این میان نقشی داشته باشد.

پژوهشگران دریافتند که برخی جانداران ممکن است صدها میلیون سال پیش از رویداد بزرگ اکسیژنی، آنزیمی را برای استفاده از اکسیژن تکامل داده باشند. این آنزیم می‌توانسته به جاندارانی که در نزدیکی سیانوباکتری‌ها زندگی می‌کردند امکان دهد هر مقدار اندک اکسیژنی را که این میکروب‌ها تولید می‌کردند، مصرف کنند و به این ترتیب، انباشت اکسیژن در جو را برای صدها میلیون سال به تاخیر بیندازند.

فاطمه حسین، یکی از نویسندگان مقاله و پژوهشگر پسادکتری در دپارتمان علوم زمین، جو و سیارات (EAPS) در MIT، می‌گوید: «این یافته واقعا داستان تنفس هوازی را به‌ طور چشمگیری تغییر می‌دهد. مطالعه ما به روایتی که به ‌تازگی در حال شکل‌گیری است می‌افزاید؛ اینکه حیات ممکن است بسیار زودتر از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد از اکسیژن استفاده کرده باشد. این پژوهش نشان می‌دهد که حیات در تمام دوره‌های تاریخ زمین تا چه اندازه خلاق و نوآور بوده است».

دیگر نویسندگان این پژوهش شامل «گرگوری فورنیه»، دانشیار زمین‌زیست‌شناسی در MIT، به همراه «هایتائو شانگ» و «استیلیانوس لوکا» از دانشگاه اورگن هستند.

نخستین تنفس‌ کنندگان

این مطالعه جدید به مجموعه‌ای طولانی از پژوهش‌ها در MIT می‌افزاید که هدف آن‌ها کنار هم گذاشتن تاریخ اکسیژن در زمین است. این بدنه پژوهشی به تعیین زمان رویداد بزرگ اکسیژنی و همچنین نخستین شواهد از سیانوباکتری‌های تولیدکننده اکسیژن کمک کرده است. درک کلی که از این پژوهش‌ها حاصل شده این است که اکسیژن نخستین بار حدود ۲٫۹ میلیارد سال پیش توسط سیانوباکتری‌ها تولید شد، در حالی که رویداد بزرگ اکسیژنی - زمانی که اکسیژن سرانجام به اندازه‌ای انباشته شد که بتواند در جو پایدار بماند - بسیار دیرتر، حدود ۲٫۳۳ میلیارد سال پیش، رخ داد.

برای حسین و همکارانش، این تاخیر ظاهری میان نخستین تولید اکسیژن و پایداری نهایی آن، پرسشی را برانگیخت.

حسین می‌گوید: «ما می‌دانیم که میکروارگانیسم‌هایی که اکسیژن تولید می‌کردند، مدت‌ها پیش از رویداد بزرگ اکسیژنی وجود داشتند. بنابراین طبیعی بود که بپرسیم آیا در آن زمان، حیاتی وجود داشته است که بتواند از این اکسیژن برای تنفس هوازی استفاده کند؟».

اگر واقعا برخی شکل‌های حیات وجود داشته‌اند که حتی در مقادیر اندک از اکسیژن استفاده می‌کرده‌اند، ممکن است آن‌ها دست‌کم برای مدتی در جلوگیری از انباشت اکسیژن در جو نقش داشته باشند.

برای بررسی این امکان، گروه MIT به سراغ ردوکتازهای اکسیژن هِم –مس (heme-copper oxygen reductases) رفتند؛ مجموعه‌ای از آنزیم‌ها که برای تنفس هوازی ضروری هستند.این آنزیم‌ها با انجام واکنش‌های شیمیایی، اکسیژن را دریافت کرده و در نهایت آن را به مولکول آب تبدیل می‌کنند و در اکثریت جانداران هوازیِ تنفس‌ کننده اکسیژن امروزی، از باکتری‌ها گرفته تا انسان‌ها، یافت می‌شوند.

حسین توضیح می‌دهد: «ما بخش مرکزی این آنزیم را برای تجزیه و تحلیل‌های خود هدف قرار دادیم؛ زیرا واکنش با اکسیژن دقیقا در همان‌جا رخ می‌دهد».

تاریخ‌گذاری درخت تکاملی

هدف گروه این بود که تکامل آنزیم را به ‌صورت معکوس در زمان دنبال کند تا ببیند این آنزیم چه زمانی برای نخستین بار پدیدار شده و امکان استفاده از اکسیژن را برای جانداران فراهم کرده است. آن‌ها ابتدا توالی ژنتیکی آنزیم را شناسایی کردند و سپس از یک ابزار جست‌وجوی خودکار برای یافتن همین توالی در پایگاه‌های داده‌ای که شامل ژنوم میلیون‌ها گونه مختلف از جانداران بود استفاده کردند.

فورنیه می‌گوید: «سخت‌ترین بخش این کار این بود که با حجم عظیمی از داده‌ها روبه‌رو بودیم. این آنزیم عملا همه‌جا وجود دارد و در بیشتر جانداران زنده امروزی حاضر است. بنابراین مجبور بودیم داده‌ها را نمونه‌برداری و پالایش کنیم تا به مجموعه‌داده‌ای برسیم که هم نماینده تنوع حیات امروزی باشد و هم آن‌قدر کوچک باشد که بتوان با آن محاسبات انجام داد؛ کاری که اصلا ساده نیست».

در نهایت، گروه توالی آنزیم را از چند هزار گونه امروزی جدا کرد و این توالی‌ها را بر روی یک درخت تکاملی حیات ترسیم کرد؛ درختی که بر پایه دانسته‌های دانشمندان درباره زمان احتمالی تکامل و انشعاب هر گونه شکل گرفته است. سپس آن‌ها این درخت را جست‌وجو کردند تا گونه‌های خاصی را بیابند که بتوانند اطلاعات مرتبطی درباره منشا خود ارائه دهند.

برای مثال، اگر برای یکی از جاندارانِ موجود در این درخت، شواهد فسیلی در دسترس بود، آن فسیل تخمینی از زمان ظهور آن جاندار روی زمین ارائه می‌داد. گروه از سن فسیل استفاده می‌کرد تا یک تاریخ مشخص را به‌عنوان نقطه مرجع روی شاخه مربوط به آن جاندار در درخت تکاملی ثبت کنند. به همین روش، آن‌ها نقاط زمانی مشابهی را در بخش‌های مختلف درخت علامت‌گذاری کردند تا بتوانند با دقت بیشتری زمان تکامل این آنزیم را از یک گونه به گونه دیگر برآورد کنند.

در نهایت، پژوهشگران توانستند آنزیم را تا دوره مزوآرکئن دنبال کنند؛ دوره‌ای زمین‌شناسی که از ۳٫۲ تا ۲٫۸ میلیارد سال پیش ادامه داشت. گروه گمان می‌کند که در حدود همین زمان بوده است که این آنزیم ـ و توانایی جانداران برای استفاده از اکسیژن ـ برای نخستین بار پدیدار شده است. این دوره، چند صد میلیون سال پیش از رویداد بزرگ اکسیژنی قرار دارد.

یافته‌های جدید نشان می‌دهد که اندکی پس از آنکه سیانوباکتری‌ها توانایی تولید اکسیژن را تکامل دادند، دیگر موجودات زنده نیز آنزیمی را برای استفاده از آن اکسیژن تکامل دادند. هر جانداری از این نوع که به‌ طور اتفاقی در نزدیکی سیانوباکتری‌ها زندگی می‌کرد، می‌توانست به ‌سرعت اکسیژنی را که باکتری‌ها تولید می‌کردند جذب کند. این جانداران هوازی اولیه ممکن است سپس در جلوگیری از ورود اکسیژن به جو نقشی ایفا کرده و انباشت آن را برای صدها میلیون سال به تأخیر انداخته باشند.

حسین می‌گوید: «اگر همه این‌ها را در کنار هم در نظر بگیریم، پژوهش‌های MIT شکاف‌های موجود در دانش ما درباره چگونگی اکسیژن‌دار شدن زمین را پر کرده‌اند. قطعات پازل در حال کنار هم قرار گرفتن هستند و واقعا نشان می‌دهند که حیات چگونه توانست در این جهان جدیدِ اکسیژن‌دار متنوع شود و به زندگی ادامه دهد».