در جستجوی منشاء حیات چندسلولی؛ یوکاریوت‌ها چطور ظهور کردند؟_کویر دانش

خلاصه مقاله:

• سه میلیارد سال پیش، سلول‌های پروکاریوتی ساده (باکتری‌ها و آرکی‌ها) بر زمین تسلط داشتند. سپس یوکاریوت‌ به‌گفتن نوعی سلول پیچیده‌تر ظاهر شد و همه‌ی حیات چند‌سلولی را به وجود آورد.
• یوکاریوت‌ها وقتی به وجود آمدند که یک آرکی یک باکتری را بلعید و تبدیل به اندامکی به نام میتوکندری شد.
• یوکاریوت‌ها از موجودات تک‌سلولی به اشکال پیچیده چند‌سلولی تکامل یافته‌اند. چند‌سلولی‌بودن امکان رشد موجودات گوناگون از جمله قارچ‌ها، گیاهان و حیوانات را فراهم می‌کند.
• تحقیقات تازه مشخص می کند که یوکاریوت‌ها از زیر گروهی از آرکی‌ها تکامل یافته‌اند. آرکی‌های آسگارد به گمان زیاد نزدیک‌ترین خویشاوندان زنده‌ی یوکاریوت‌ها می باشند.
• روال دقیق چگونگی پیدایش اولین یوکاریوت تا این مدت اشکار نیست، به اختصاصی در رابطه اولین باکتری بلعیده‌شده. تحقیقات آینده، از جمله متاژنومیکس و تجزیه‌و‌تحلیل فسیلی، امکان پذیر به کشف جزئیات زیاد تر در رابطه منشا یوکاریوت‌ها پشتیبانی کند.

سه میلیارد سال پیش، حیات روی زمین ساده می بود. موجودات تک‌سلولی ساده بر زمین حکومت می‌کردند و تنها ساکنین زمین بودند. این موجودات تک‌سلولی همان سلول‌هایی می باشند که اکنون آن‌ها را پروکاریوت می‌نامیم و شامل باکتری‌ها و آرکی‌ها‌ یا باستانیان (Archaea) امروزی خواهد شد. پروکاریوت‌ها اساساً کیسه‌هایی شل از قطعات مولکولی می باشند. موجودات ساده‌ی تک‌سلولی در استخر مخلوط‌های اولیه‌ی کم‌عمق یا نزدیک دریچه‌های اقیانوسی در اعماق دریا می‌چرخیدند، جایی که انرژی را از محیط استخراج و با تقسیم یک سلول به دو سلول دختری، تکثیر می‌شدند. سپس، یک روز آن برهوتِ سلول‌هایِ ساده، چیز پیچیده‌تری را پدید آورد؛ جد همه گیاهان، حیوانات و قارچ‌هایی که امروزه زنده می باشند، نوعی سلول که ما آن را به نام یوکاریوت می‌شناسیم.

اولین وجود سلول یوکاریوت، سیاره را منقلب کرد. امروزه، همه حیات چند‌سلولی پیچیده و در‌واقع، همه حیاتی که هر یک از ما به‌طور منظم و روزانه می‌بینیم، از سلول‌های یوکاریوتی ساخته شده است. هیچ‌کس به‌طور قاطق نمی‌داند که اولین یوکاریوت چطور به وجود آمد، اما زیست‌شناسان بر این باورند که حداقل یک میلیارد سال تعامل بین سلول‌های باکتریایی و آرکی طول کشید تا سرانجام یوکاریوت‌ها شکل گرفتند.

اگر «سازماندهی» را به معنی تجهیز‌شدن به اندام‌ها بدانیم، یوکاریوت‌ها سازماندهی را اختراع کردند. در داخل یک سلول یوکاریوتی بسته‌های جدا گانه و متصل به غشاء با عملکردهای خاص به نام اندامک وجود دارند. همه سلول‌های یوکاریوتی یعنی سلول‌های حیوانی، گیاهی، قارچی یا آغازی دارای هسته‌ای می باشند که دی‌ان‌ای را محصور و از آن محافظت می‌کند. تقریباً همه‌ی یوکاریوت‌ها دارای میتوکندری می باشند که برای سوخت‌رسانی به عکس العمل‌های بیوشیمیایی انرژی تشکیل می‌کنند. (هر دودمان یوکاریوتی که فاقد میتوکندری است، قبلاً آن را داشته و سپس در تاریخ تکاملی از دستش داده است).

در سراسر درخت تکاملی حیات، یوکاریوت‌های گوناگون اندامک‌های اضافی را تکامل داده یا بدست آورده‌اند که پروتئین‌ها را جمع، آب را ذخیره، نور خورشید را به انرژی تبدیل و مولکول‌های زیستی را هضم می‌کنند، از شر زباله‌ها خلاص خواهد شد و زیاد موارد دیگر. اگر پروکاریوت‌ها توده‌ای از کاغذهای افتاده روی زمین باشند، یوکاریوت‌ها یک سیستم بایگانی پیچیده می باشند که صفحات را بسته‌بندی و برچسب‌گذاری می‌کنند.

این که چطور یوکاریوت‌ها تکامل اشکار کردند کاملاً اشکار نیست، اما امروزه، اکثر کارشناسان موافق‌اند که نزدیک به دو میلیارد یا سه میلیارد سال پیش، یک سلول آرکی یک سلول باکتریایی را بلعید. سلول باکتریایی به نوعی از هضم‌شدن فرار کرد و با زندگی در میزبان خود سازگار شد. باکتری بلعیده‌شده تکامل یافت و تبدیل به اندامکی شد که ما اکنون آن را به گفتن میتوکندری می‌شناسیم.

یوکاریوت سپس از به‌وجود‌آمدن میتوکندری، چندین دفعه و چندین دفعه دگرگون شد. ابتدا به مجموعه‌ای از موجودات تک‌سلولی بی همتا تبدیل شد، همانند اجداد دیپلمونادهای مدرن (Diplomonad)، که با خوشه‌های دم دوگانه شنا می‌کنند و میکروسپوریدین‌های انگلی (Microsporidia) که لوله‌های مارپیچ را برای آلوده‌کردن سلول‌های قربانی پرتاب می‌کنند.

در وقتی نامعلوم، یک یوکاریوت در ادامه‌ی مهار میتوکندری، سیانوباکتری را که قادر به فتوسنتز می بود، یعنی از نور خورشید برای برداشت کربن از هوا و تبدیل آن به انرژی منفعت گیری می‌کرد، بلعید. آن شاخه از خانواده‌ی یوکاریوتی که تجهیزبه اندامک‌های سبز رنگی به نام کلروپلاست شد، به گیاهان و دیگر فتوسنتز‌کننده‌ها تکامل یافت.

برخی از یوکاریوت‌ها سپس از جذب اندامک‌ها، در طی یک میلیارد سال قبل، اغاز به کار با یکدیگر کردند. اجتماع سلول یوکاریوتی که بدون مقصد کنار هم جمع شده بودند تبدیل به کلونی شدند و وقتی که سلول‌های کامل اغاز به تخصصی‌شدن یا انجام عملکردهای بی همتا در بدنی پیچیده و چند‌سلولی کردند، سازمان‌دهی بیشتری اشکار کردند. چند‌سلولی‌بودن حتی سطوح بالاتری از پیچیدگی را باز می‌کند و در نتیجه قارچ‌ها، درختان، اسب آبی و انسان را به وجود می‌آورد.

یوکاریوت‌ها به علت سه مزیت بزرگ به خوبی رشد کرده و روی زمین پخش شدند؛ بزرگی، حرکت، گرسنگی. یوکاریوت‌ها از باکتری‌ها یا آرکی‌ها بزرگ‌تر می باشند، به این علت می‌توانند به راه حلهای پیچیده‌تری با محیط خود تعامل داشته باشند و با آن سازگار شوند. یوکاریوت‌ها می‌توانند برای یافتن غذا، فرار از خطر یا گسترش به مناطق تازه حرکت کنند؛ بعد حرکت، آن‌ها را بسیار سازگار می‌کند. یوکاریوت‌ها به انرژی بسیاری نیاز دارند، به این علت همیشه به جستوجو منبع های تازه می باشند که همین آن‌ها را به اکتشاف و گسترش در محیط‌های تازه سوق داده است. اتما می‌گوید قبل از این که یوکاریوت‌ها به صحنه همراه شوند، هیچ حیات پیچیده‌ای با چشم غیرمسلح قابل‌مشاهده نبوده است؛ بعد نقش اکولوژیکی در انتظار پر‌شدن می بود و یوکاریوت‌ها تکامل یافتند تا این نقش را بگیرند و سپس آن را گسترش دادند و در نهایت به اشکال حیات پیچیده‌ای که امروزه می‌بینیم، تبدیل شدند.

زیست‌شناسان برای چندین دهه،  یوکاریوت‌ها را یکی از سه شکل مهم حیات روی زمین می‌دانستند. زیست‌شناسان می‌انها گفتند زندگی از سه نوع سلول نزدیک راه اندازی شده است: باکتری‌ها و آرکی‌ها که هر دو سلول‌های پروکاریوتی با برخی تفاوت‌های کلیدی می باشند؛ به گفتن مثال در غشای سلولی و استراتژی‌های تشکیل مثلشان تفاوت دارند. سلول سوم یوکاریوت‌‌ها می باشند که نوع زیاد متغیری از دو سلول دیگر است. کارشناسان معتقد بودند که باکتری‌ها، آرکی‌ها و یوکاریوت‌ها هرکدام به‌طور جدا گانه از اجدادی قدیمی‌تر تکامل یافته‌اند.

تحقیقات تازه دسته‌بندی شکل‌های حیات را تحول داده است. در طول چند دهه‌ی قبل، دسته‌بندی دوتایی برای درخت زندگی، غالب بوده است که در آن یوکاریوت‌ها از درون گروه آرکی‌ها ظاهر خواهد شد نه در کنار آن‌ها. این نظریه با کوششهای تازه برای کشف هویت تازه ترین جد پروکاریوتی ما، یعنی سلول باستانی که برای اولین‌بار یک باکتری را محصور کرد و به تشکیل نوع سلول یوکاریوتی منجر شد، حمایتمی‌بشود. طی دهه‌ی قبل، کشف آرکی‌های آسگارد، نزدیک‌ترین خویشاوندان زنده‌ی پروکاریوتی ما، سرنخ‌های ارزشمندی را اراعه کرده است.

5W Infographics

اتما در سال ۲۰۱۵، به جستوجو یافتن اولین سلول میزبان (اولین یوکاریوتی که از پروکاریوت‌های ساده‌تر تکامل یافته می بود) رفت. تیم اتما روی دودکش‌های سولفید مجرای گرمابی زیر آب (ساختارهای استوانه‌ای که برخی چاه‌های گرمابی می‌سازند) در انتهای اقیانوس اطلس، به اختصاصی در منطقه‌ای به نام قلعه‌ی لوکی تمرکز کردند. مجرای گرمابی، آب داغی را که سرشار از مواد شیمیایی است، به بیرون پرتاب می‌کند که می‌تواند برای برخی ارگانیسم‌های کوچک انرژی برای زندگی و رشد فراهم کند.

اتما و تیمش به قلعه‌ی لوکی رفتند و لجن‌های میکروبی را از منطقه جمع آوری کردند که اساساً ترکیبی از موجودات کوچک و دی‌ان‌ای آن‌ها است. محققان سپس در آزمایشگاه از تکنیکی به نام متاژنومیکس برای باز‌کردن آشفتگی دی‌ان‌ای میکروبی و شناسایی دی‌ان‌ای سلول‌های گوناگون و بازسازی ژنوم سلول‌های منفرد منفعت گیری کردند.

اتما و تیمش از یافتن ژن‌هایی که به نحوه مشکوکی یوکاریوتی به نظر می‌رسند در بین ردپای مورد انتظار از آرکی‌ها و باکتری‌ها شگفت‌زده شدند. محققان با تحقیقات زیاد تر، آنچه را که امکان پذیر ربط گمشده‌ای در تکامل یوکاریوت باشد، یافتند. چیزی که تا‌ به‌ آن موقع یافت نشده می بود، پروکاریوتی با پیچیدگی مشخصه‌ی یوکاریوتی در ژنومش می بود. محققان این میکروب را برای محل جمع‌آوری‌اش لوکی‌آرکی نامیدند.

اتما مشکوک می بود که سلولی از خانواده‌ی پروکاریوت تازه‌کشف‌شده که بعداً «آسگارد» نام گرفت، امکان پذیر اولین میزبان گرسنه‌ای باشد که باکتری بلعیده و آن را به میتوکندری تبدیل کرده است. او نظر کرد اگر این فرضیه درست باشد، شاخه‌ای از آرکی‌های آسگارد باستانی، امکان پذیر به یوکاریوت‌ تکامل یافته باشد؛ در حالی که بقیه‌ی خانواده‌ی آن‌ها به گفتن پروکاریوت‌ها باقی‌مانده‌اند. اتما او گفت: «همه آرکی‌های آسگارد که امروز می‌بینیم یوکاریوت‌های ناکامی‌خورده می باشند.» یعنی موفق نشدند که به یوکاریوت تبدیل شوند.

University of Bergen, Norway

محققان سپس از کشف تیم تحقیقاتی اتما، دی‌ان‌ای آسگارد را در سراسر جهان از جمله در کارولینای شمالی و پارک ملی یلواِستون کشف کردند. اما تنها دو آزمایشگاه با پیروزی سلول‌های آسگارد را کشت داده‌اند. این سلول‌ها برخی ویژگی‌های یوکاریوت‌همانند را نشان دادند، همانند یک اسکلت سلولی که با پروتئین اکتین ساخته شده است. بقیه‌ی ویژگی‌های سلول تا این مدت تحت بازدید می باشند و ساختار سلولی‌شان ناشناخته است.

امروزه اکثر محققان موافق می باشند که آسگاردها نزدیک‌ترین خویشاوندان پروکاریوتیِ یوکاریوت‌ها می باشند. آسگاردهای امروزی اجداد ما نیستند، اما ما به گمان زیادً با آن‌ها در زمان‌های زیاد قدیم، اجداد مشترکی داریم. همانطور که پرندگان دایناسور می باشند، یوکاریوت‌ها آسگارد می باشند و در واقع آسگارها‌ی امروزی به نوعی پسرعموی ما محسوب خواهد شد.

فرآیندی که طی آن یک سلول آرکی با روش درون‌همزیستی یک باکتری زنده‌ی آزاد را به اندامک تبدیل می‌کند، تا حد بسیاری در تاریخ تکامل، ابهام‌آمیز مانده است. اکثر زیست‌شناسان اعتقاد دارند که یک پروکاریوت در فرآیندی به نام فاگوسیتوز پروکاریوت فرد دیگر را بلعیده است. اما فاگوسیتوز انرژی بسیاری می‌خواهد. فاگوسیتوز در واقع، آنقدر انرژی‌بر است که برخی اعتقاد دارند بدون داشتن میتوکندری‌های تشکیل‌کننده‌ی انرژی در اولین سلول میزبان، وقوع آن غیرممکن می‌شد. اما میتوکندی قبل از بلعیده‌شدن وجود نداشته که علتبه‌وجود آمدن قضیه‌ای همانند اول مرغ یا تخم‌مرغ می‌بشود.

آسگاردهای امروزی سرنخی اراعه خواهند داد که دیدگاه جدیدی را شکل می‌دهد. اسکلت سلولی آسگاردهای امروزی مشخص می کند که امکان پذیر برای به‌دام‌انداختن غذای پروکاریوتی، بدون نیاز به میتوکندری از برجستگی‌های ریز بازو‌همانند حباب‌شکل منفعت گیری کنند. احتمالا اولین اجداد یوکاریوتی نیز به این شکل یک پروکاریوت را به درون خود کشیده باشد.

جذب پروکاریوت تنها قسمت مبهم فرآیند به‌وجود آمدن اولین یوکاریوت نیست. محققان این چنین در رابطه اولین درون‌همزیستی او گفت و گو می‌کنند که آیا باکتری راه اندازی‌دهنده‌ی میتوکندری، به گمان زیادً از طبقه‌ای متنوع و باستانی به نام آلفاپروتئوباکتریا‌ها بوده است یا خیر. تونی گابالدون، زیست‌شناس تکاملی، معتقد است که ژنوم یوکاریوتی ترکیبی از ژن‌های فرانکشتاین‌همانند است که از آرکی‌ها و باکتری‌ها منشأ می‌گیرد. تعداد بسیاری از این ژن‌ها به آلفاپروتئوباکتریا یا باکتری‌های اطراف درخت زندگی بازمی‌گردند. گابالدون او گفت: «احتمالا همزیست‌های فرد دیگر وجود داشته بودند، اندامک فرد دیگر که برخی از ژن‌هایش را بر جای گذاشته است. ما اطلاعات مقداری در رابطه چگونگی آن داریم.»

احتمالا گره‌گشایی رشته‌هایی که به منشأ یوکاریوت‌ها بازمی‌گردد بعد از میلیاردها سال تقلای ژنتیکی غیرممکن باشد. در دهه‌های آینده، ترکیب متاژنومیکس با تکنیک‌های دیگر، همانند تجزیه‌و‌تحلیل فسیل‌های میکروبی و اندوسیمبیوز القایی، این پتانسیل را دارد که سرنخ‌های بیشتری از منشا ما آشکار کند. گابالدون او گفت: «دلنشین‌ترین چیز در رابطه یوکاریوت‌ها این است که ما تا این مدت نمی‌دانیم چطور به وجود آمده‌اند. آن‌ها در همه‌جا به نحوه شگفت‌انگیز و متنوعی وجود دارند و با تعداد بسیاری از سبک‌های زندگی سازگار شده‌اند. ما تا این مدت چیزهای بسیاری برای یادگیری [در مورد یوکاریوت‌ها] داریم.»