أظهرت دراسة جديدة أن عملية التمثيل الضوئي للأكسجين قد تطورت على الأرجح بين 3.4 و 2.9 مليار سنة.
في وقت ما في تاريخ الأرض المبكر ، اتخذ الكوكب منعطفًا نحو القابلية للسكن عندما طورت مجموعة من الميكروبات المغامرة المعروفة باسم البكتيريا الزرقاء عملية التمثيل الضوئي الأكسجين - القدرة على تحويل الضوء والماء إلى طاقة ، وإطلاق الأكسجين في هذه العملية.
سمحت هذه اللحظة التطورية للأكسجين بالتراكم في النهاية في الغلاف الجوي والمحيطات ، مما أدى إلى إحداث تأثير الدومينو للتنويع وتشكيل الكوكب الصالح للسكن بشكل فريد الذي نعرفه اليوم.
الآن، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يمتلك العلماء تقديرًا دقيقًا لوقت ظهور البكتيريا الزرقاء ، والتمثيل الضوئي الأكسجين ، لأول مرة. تم نشر نتائجهم في 29 سبتمبر 2021 ، في وقائع الجمعية الملكية B.
لقد طوروا تقنية جديدة لتحليل الجينات تُظهر أن جميع أنواع البكتيريا الزرقاء التي تعيش اليوم يمكن إرجاعها إلى سلف مشترك نشأ منذ حوالي 2.9 مليار سنة. ووجدوا أيضًا أن أسلاف البكتيريا الزرقاء تشعبت من بكتيريا أخرى منذ حوالي 3.4 مليار سنة ، ومن المحتمل أن تتطور عملية التمثيل الضوئي الأكسجين خلال نصف مليار سنة خلال العصر الأركي.
يقدر علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن عملية التمثيل الضوئي الأكسجين - القدرة على تحويل الضوء والماء إلى طاقة ، وإطلاق الأكسجين - تطورت لأول مرة على الأرض بين 3.4 و 2.9 مليار سنة. الائتمان: أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، iStockphoto
ومن المثير للاهتمام أن هذا التقدير يضع ظهور عملية التمثيل الضوئي الأكسجين قبل 400 مليون سنة على الأقل من حدث الأكسدة العظيم ، وهي الفترة التي شهد فيها الغلاف الجوي للأرض والمحيطات لأول مرة ارتفاعًا في الأكسجين. يشير هذا إلى أن البكتيريا الزرقاء ربما تكون قد طورت القدرة على إنتاج الأكسجين في وقت مبكر ، ولكن الأمر استغرق بعض الوقت حتى يترسخ هذا الأكسجين في البيئة.
يقول المؤلف الرئيسي جريج فورنييه Greg Fournier ، الأستاذ المشارك في علم الأحياء الجيولوجية في قسم علوم الأرض والغلاف الجوي والكواكب في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "في التطور ، تبدأ الأشياء دائمًا صغيرة". "على الرغم من وجود دليل على عملية التمثيل الضوئي المبكرة للأكسجين - وهو الابتكار التطوري الأكثر أهمية والأكثر مدهشة حقًا على الأرض - إلا أن الأمر استغرق مئات الملايين من السنين حتى ينطلق."
المؤلفون المشاركون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من فورنييه هم كيلسي مور ، ولويز تيبيريو رانجيل ، وجاك باييت ، وليلي مومبر ، وتانيا بوساك.
فتيل بطيء ، أم حريق هائل؟
تختلف التقديرات الخاصة بأصل التمثيل الضوئي للأكسجين على نطاق واسع ، جنبًا إلى جنب مع طرق تتبع تطورها.
على سبيل المثال ، يمكن للعلماء استخدام الأدوات الجيوكيميائية للبحث عن آثار العناصر المؤكسدة في الصخور القديمة. لقد وجدت هذه الطرق تلميحات إلى أن الأكسجين كان موجودًا منذ 3.5 مليار سنة - وهي علامة على أن التمثيل الضوئي للأكسجين ربما كان المصدر ، على الرغم من وجود مصادر أخرى أيضًا.
استخدم الباحثون أيضًا التأريخ على مدار الساعة الجزيئي ، والذي يستخدم التسلسل الجيني للميكروبات اليوم لتتبع التغييرات في الجينات عبر التاريخ التطوري. بناءً على هذه التسلسلات ، يستخدم الباحثون بعد ذلك النماذج لتقدير المعدل الذي تحدث به التغيرات الجينية ، لتتبع وقت تطور مجموعات الكائنات الحية لأول مرة. لكن التأريخ على مدار الساعة الجزيئية محدود بجودة الحفريات القديمة ، ونموذج المعدل المختار ، والذي يمكن أن ينتج تقديرات عمرية مختلفة ، اعتمادًا على المعدل المفترض.
يقول فورنييه إن التقديرات العمرية المختلفة يمكن أن تتضمن سرديات تطورية متضاربة. على سبيل المثال ، تشير بعض التحليلات إلى أن عملية التمثيل الضوئي للأكسجين قد تطورت في وقت مبكر جدًا وتطورت "مثل فتيل بطيء" ، بينما يشير البعض الآخر إلى ظهورها بعد ذلك بكثير ثم "انطلقت كالنار في الهشيم" لتحريك حدث الأكسدة العظيم وتراكم الأكسجين في المحيط الحيوي .
يقول: "لكي نفهم تاريخ القابلية للسكن على الأرض ، من المهم بالنسبة لنا التمييز بين هذه الفرضيات".
الجينات الأفقية
لتحديد تاريخ أصل البكتيريا الزرقاء والتمثيل الضوئي الأكسجين بدقة ، قام فورنييه وزملاؤه بإقران الساعة الجزيئية التي يرجع تاريخها بنقل الجينات الأفقي - وهي طريقة مستقلة لا تعتمد كليًا على الحفريات أو افتراضات المعدل.
عادة ، يرث الكائن الحي جينًا "عموديًا" ، عندما ينتقل من والد الكائن الحي. في حالات نادرة ، يمكن للجين أيضًا أن يقفز من نوع إلى نوع آخر ذي صلة بعيدة. على سبيل المثال ، قد تأكل خلية أخرى ، وفي هذه العملية تدمج بعض الجينات الجديدة في جينومها.
عندما يتم العثور على مثل هذا التاريخ لنقل الجينات الأفقي ، فمن الواضح أن مجموعة الكائنات الحية التي اكتسبت الجين هي أصغر تطوريًا من المجموعة التي نشأ منها الجين. استنتج فورنييه أن مثل هذه الحالات يمكن استخدامها لتحديد الأعمار النسبية بين مجموعات بكتيرية معينة. يمكن بعد ذلك مقارنة أعمار هذه المجموعات بالأعمار التي تنبأت بها نماذج الساعة الجزيئية المختلفة. من المحتمل أن يكون النموذج الأقرب هو الأكثر دقة ، ويمكن استخدامه بعد ذلك لتقدير عمر الأنواع البكتيرية الأخرى بدقة - على وجه التحديد ، البكتيريا الزرقاء.
بعد هذا المنطق ، بحث الفريق عن حالات نقل الجينات الأفقي عبر جينومات آلاف الأنواع البكتيرية ، بما في ذلك البكتيريا الزرقاء. كما استخدموا ثقافات جديدة من البكتيريا الزرقاء الحديثة التي أخذها بوساك ومور ، لاستخدام البكتيريا الزرقاء الأحفورية بدقة أكبر كمعايرات. في النهاية ، حددوا 34 حالة واضحة لنقل الجينات الأفقي. ثم وجدوا أن نموذجًا واحدًا من أصل ستة نماذج للساعة الجزيئية يطابق باستمرار الأعمار النسبية المحددة في تحليل نقل الجينات الأفقي للفريق.
قام فورنييه بتشغيل هذا النموذج لتقدير عمر مجموعة "التاج" من البكتيريا الزرقاء ، والتي تشمل جميع الأنواع التي تعيش اليوم والمعروفة بقدرتها على التمثيل الضوئي الأكسجين. ووجدوا أنه خلال العصر الأركي ، نشأت مجموعة التاج منذ حوالي 2.9 مليار سنة ، بينما تشعبت البكتيريا الزرقاء ككل من بكتيريا أخرى منذ حوالي 3.4 مليار سنة. يشير هذا بقوة إلى أن التمثيل الضوئي للأكسجين كان يحدث بالفعل قبل 500 مليون سنة من حدث الأكسدة العظيم (GOE) ، وأن البكتيريا الزرقاء كانت تنتج الأكسجين لفترة طويلة قبل أن يتراكم في الغلاف الجوي.
كشف التحليل أيضًا أنه قبل فترة وجيزة من الحكومة المصرية ، قبل حوالي 2.4 مليار سنة ، شهدت البكتيريا الزرقاء موجة من التنويع. هذا يعني أن التوسع السريع للبكتيريا الزرقاء ربما يكون قد دفع الأرض إلى GOE وأطلق الأكسجين في الغلاف الجوي.
يقول تيموثي ليونز ، أستاذ الكيمياء الحيوية في جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد: "تلقي هذه الورقة الجديدة ضوءًا جديدًا أساسيًا على تاريخ أكسجة الأرض من خلال ربط سجل الحفريات ، بطرق جديدة ، ببيانات الجينوم ، بما في ذلك عمليات نقل الجينات الأفقية". "تتحدث النتائج عن بدايات إنتاج الأكسجين البيولوجي وأهميته البيئية ، بطرق توفر قيودًا حيوية على الأنماط والضوابط على الأوكسجين المبكر للمحيطات والتراكمات اللاحقة في الغلاف الجوي."
يخطط فورنييه لتطبيق نقل الجينات الأفقي خارج البكتيريا الزرقاء لتحديد أصول الأنواع الأخرى المراوغة.
يقول فورنييه: "يُظهر هذا العمل أن الساعات الجزيئية التي تتضمن عمليات نقل الجينات الأفقية (HGTs) تعد بتوفير أعمار المجموعات بشكل موثوق عبر شجرة الحياة بأكملها ، حتى بالنسبة للميكروبات القديمة التي لم تترك أي سجل أحفوري ... وهو أمر كان مستحيلًا في السابق".
المرجع: "الأصل القديم لعملية التمثيل الضوئي الأكسجين والأنساب البكتيرية الزرقاء الموجودة" بقلم GP Fournier و KR Moore و LT Rangel و JG Payette و L.Momper و T. Bosak ، 29 سبتمبر 2021 ، وقائع الجمعية الملكية B.
DOI: 10.1098 / rspb.2021.0675
تم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل مؤسسة سيمونز والمؤسسة الوطنية للعلوم.
