من خلال تتبع تطور البروتينات، رسم علماء معهد وايزمان للعلوم تاريخ توفر الأكسجين على الأرض وحلوا لغزًا علميًا طويل الأمد
منذ حوالي مليارين ونصف المليار سنة، مر كوكبنا بواحدة من أكبر الثورات في تاريخه: من انخفاض تركيز الأكسجين في الغلاف الجوي إلى توافر الجزيء في كل مكان. لقد قضت "ثورة الأكسجين" - المعروفة أيضًا باسم "كارثة الأكسجين" - على معظم الأنواع غير الهوائية (اللاهوائية)، ولكنها مكنت في الوقت نفسه من تطوير كائنات تتنفس، بما في ذلك البشر. وعلى الرغم من أن هذا يعد حدثًا حاسمًا في تاريخ الأرض، إلا أن هناك جدلًا بين العلماء حول ما إذا كانت هذه ثورة بالفعل، أي تغيير سريع وجذري ومفاجئ، أو ما إذا كانت الكائنات التي تعيش على الأرض في الواقع قد عرفت بالفعل كيفية إنتاج واستخدام الأكسجين، بدرجة أو بأخرى، قبل سنوات عديدة. معهد وايزمان لعلماء العلوم لقد قاموا مؤخرًا بحل اللغز الذي طال أمده وأظهروا أن قدرة الكائنات الحية على معالجة الأكسجين سبقت ثورة الأكسجين بأكثر من نصف مليار سنة.
البروفيسور دان توفيقويوضح، من قسم العلوم الجزيئية الحيوية بمعهد وايزمان للعلوم، أن تأريخ ثورة الأكسجين أمر لا جدال فيه، وهو ما تدعمه النتائج الجيولوجية. ولا يوجد خلاف أيضًا على أن الأكسجين المنبعث إلى الغلاف الجوي أثناء ثورة الأكسجين نشأ من تطور البكتيريا التي استخدمت عملية التمثيل الضوئي لإنتاج الطاقة وأصدرت الأكسجين كمنتج ثانوي لهذه العملية. ولذلك فإن محور الجدل العلمي هو ما إذا كانت الحياة على الأرض تعرضت للأكسجين وعرفت كيفية استخدامه حتى قبل ثورة الأكسجين. في هذا النقاش، يدعي البعض أن الأكسجين الجزيئي (O2) أي أن جزيئات الأكسجين الحرة لا يمكن أن تكون متاحة قبل كارثة الأكسجين، حيث أن التركيب الكيميائي للغلاف الجوي والمحيطات قبل ثورة الأكسجين كان بحيث أن كل جزيء أكسجين يتم إطلاقه في عملية التمثيل الضوئي ينتج على الفور تفاعل كيميائي، أي أنه لم يبق حرا. ويرى آخرون أنه لا يزال من الممكن أن يظل بعض الأكسجين حراً لفترة كافية لتتعلم الكائنات الحية استخدامه - حتى قبل ثورة الأكسجين.
تتخصص المجموعة البحثية للبروفيسور توفيق في تطور البروتينات، لكن الباحثة ياجودا جابلونسكا اقترحت أن هذا التخصص يمكن أن يساعد في حل اللغز العلمي لتاريخ استخدام الأكسجين. بمعنى آخر، افترضت أنه باستخدام الأساليب التي تجعل من الممكن تتبع كيف ومتى تطورت الإنزيمات المختلفة، من الممكن أيضًا معرفة متى بدأت الكائنات الحية في معالجة الأكسجين.
أنشأت جابلونسكا لأول مرة قائمة تضم حوالي 130 عائلة إنزيمية تستخدم أو تنتج الأكسجين في البكتيريا والكائنات القديمة (البكتيريا القديمة)، حيث أن هذه هي أشكال الحياة التي تميزت بها الكائنات القديمة - العصر الجيولوجي بين ظهور الحياة على الأرض منذ حوالي 4 مليارات سنة. وثورة الأكسجين. وبعد غربلة نصفها تقريبًا، بقي لجابلونسكا عائلات إنزيمية يتميز فيها استخدام أو انبعاث الأكسجين بمعظم أو كل أفراد العائلة. ومن بين العائلات المتبقية، اختارت 36 عائلة يمكن تتبع أنسابهم التطورية بالكامل. ويقول البروفيسور توفيق: "كان الأمر بالطبع أبعد ما يكون عن البساطة". "يمكن أن "تُفقد" الجينات في بعض الكائنات الحية، مما يعطي انطباعًا خاطئًا بأنها تطورت لاحقًا في كائنات حية أخرى. بالإضافة إلى ذلك، تقوم البكتيريا بنقل الجينات فيما بينها بشكل أفقي، مما يؤدي إلى إفساد سلسلة الأنساب وربما يؤدي إلى المبالغة في تقدير عمر الإنزيم."
قدمت سلسلة الأنساب التي ابتكرها الباحثون بوضوح اندلاعًا تطوريًا لظهور إنزيمات الأكسجين منذ حوالي ثلاثة مليارات سنة - أي قبل أكثر من نصف مليار سنة من ثورة الأكسجين؛ حتى أن بعض الإنزيمات تطورت في وقت سابق. ويقول البروفيسور توفيق: "يعتقد أنه لكي تظهر الإنزيمات التي تستخدم الأكسجين، فإن وجود الأكسجين ضروري". "لذلك فإن النتائج التي توصلنا إليها تؤكد الفرضية القائلة بأن الأكسجين ظهر واستمر في المحيط الحيوي قبل فترة طويلة من ثورة الأكسجين. لقد استغرق الأمر بعض الوقت للوصول إلى مستوى الأكسدة الأعلى الذي ميز ثورة الأكسجين وترك سجله الجيوكيميائي، ولكن عندما حدث ذلك، كان الأكسجين معروفًا بالفعل للعديد من الكائنات على الأرض.
الأكسجين هو أحد العناصر الأكثر تفاعلاً كيميائياً. هذه الحقيقة تجعلها مفيدة جدًا للعديد من أشكال الحياة، ولكنها أيضًا تنطوي على إمكانية إحداث ضرر كبير. يفترض جابلونسكا والبروفيسور توفيق أن البكتيريا التي تنتج الأكسجين، والكائنات الحية الدقيقة الأخرى التي تعيش في بيئتها، كان عليها أن تطور بسرعة طرقًا للتخلص بكفاءة من الأكسجين. وهكذا ظهرت الإنزيمات المصممة لإزالة جزيئات الأكسجين من الخلايا. ومع ذلك، فإن فضلات أحد الكائنات هي مصدر محتمل للحياة لآخر، وسرعان ما بدأت الإنزيمات التي تستخدم الأكسجين لتحطيم الجزيئات "المقاومة" مثل المركبات العطرية والدهون في التطور.
تلخص جابلونسكا: "يقدم بحثنا وسيلة جديدة تمامًا لتأريخ ظهور الأكسجين في الغلاف الجوي، ويساعدنا على فهم كيفية تطور الحياة كما نعرفها".
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
