البصمة الجينية للجد الأول للبشر .. دراسة تقنية

لا تزال معضلة كيفية نشوء الحياة وتطورها على الأرض السؤال الحير للعلماء، غير أن دراسات حديثة أحرزت تقدمًا كبيرًا وعثرت على بعض الإجابات.

أحدث الدراسات التي حاولت تقديم رؤى جديدة حول أصل الحياة على الأرض، كان بواسطة إدموند ر. ر. مودي، الباحث في علم الأحياء التطوري الحاسوبي، جامعة بريستول، وفريقه العلمي.

منذ حوالي 375 مليون سنة، كان الأسلاف الشبيهون بالأسماك يتنفسون من خلال الخياشيم. وقبل أكثر من 600 مليون سنة، ظهر السلف المشترك لجميع الحيوانات – البرمائيات المجهرية.

ولكن قبل مليارات السنين من حدوث كل ذلك، لا بد أن السلف المشترك لجميع الكائنات الحية، وهو آخر سلف مشترك عالمي (لوكا)، كان موجودًا.

عمل العلماء على تحديد هوية لوكا على مدى عقود من الزمان بأفكار مختلفة حول شكله وعمره. أقدم دليل أحفوري لدينا للحياة يبلغ عمره حوالي 3.4 مليار سنة.

تشير بعض الدراسات إلى أن عمر لوكا يقترب من عمر ولادة الأرض، أي قبل 4.5 مليار سنة. ويعتقد آخرون أن هذا مستحيل بسبب الوقت الذي يستغرقه إنشاء الشفرة الوراثية وآلية تكرار الحمض النووي.

لم يكن لوكا أول شكل من أشكال الحياة؛ بل كان الكائن الحي الذي انحدرت منه جميع الكائنات الحية. ومع ذلك، يعتقد العلماء أن الكائنات الحية ربما كانت موجودة قبل لوكا بفترة طويلة.

إن فهم شكل لوكا، ومتى عاش، أمر مهم لمساعدتنا في معرفة كيف تطورت الحياة على الأرض.

في الدراسة الأخيرة، المنشورة في مجلة Nature Ecology & Evolution، استخدم الباحثون مجموعة من الأساليب العلمية لإعادة بناء جينوم لوكا وإظهار كيف أن الجينات التي امتلكها ربما سمحت له بالعيش.

طبيعة لوكا
يقول إدموند ر. ر. مودي: لإعادة بناء جينوم لوكا، احتجنا إلى عينة من الجينومات (كل المعلومات الجينية في الكائن الحي) من مجموعات مختلفة من البكتيريا والعتائق (كائنات وحيدة الخلية مختلفة عن البكتيريا) حتى نتمكن من التأكد من أننا نأخذ عينات من الحياة الحديثة.
واستبعدنا حقيقيات النوى (النباتات والحيوانات والفطريات) لأن العلماء يعتقدون أنها تطورت من اتحاد العتائق والبكتيريا، في وقت لاحق. كان لدينا مجموعة من 700 جينوم (350 من العتائق و350 من البكتيريا)، تم تجميعها بالفعل من دراسة أجريت عام 2022.

وفرز الفريق هذه الجينات إلى عائلات مختلفة لفهم الغرض منها في الكائنات الحية الحديثة. يقول إدموند: بعد ذلك، استخدمنا هذه العائلات لاستنتاج الأشجار التطورية (أو شجرة النشوء والارتقاء، مثل شجرة العائلة) لفهم العلاقة بين الأنواع المختلفة ومعرفة كيف تطورت بمرور الوقت.

وشيد الباحثون مجموعة منفصلة من 57 جينًا مشتركًا بين جميع الكائنات الحية السبعمائة في الدراسة والتي ربما تكون موجودة في كل أشكال الحياة تقريبًا. لم تتغير هذه الأنواع من الجينات كثيرًا على مدار المليارات القليلة الماضية.

وتابع: استخدمنا هذه الجينات السبعة والخمسين لبناء شجرة الأنواع، والتي توضح العلاقة الداروينية بين الكائنات الحية المختلفة. يمكننا بعد ذلك الجمع بين أشجار جينات KEGG الخاصة بنا وشجرة الأنواع، من خلال نمذجة معدلات تكرار الجينات ونقل الجينات وفقدانها. سمح لنا هذا أيضًا بحساب احتمالية وجود عائلات جينية مختلفة في لوكا.

سمح لنا إعادة بناء جينوم لوكا بتقدير عملية التمثيل الغذائي له، كما لو كان حيًا اليوم. نتصور لوكا ككائن حي معقد للغاية مثل البكتيريا الحديثة والعتائق، مع جينوم صغير. ومع ذلك، لم نجد دليلاً على عملية التمثيل الضوئي (التي تستخدمها بعض البكتيريا) أو تثبيت النيتروجين، وهي عملية كيميائية تستخدمها بعض البكتيريا الحديثة والعتائق للبقاء على قيد الحياة.

كم كان عمر لوكا؟
يوضح إدموند: جربنا أيضًا طريقة جديدة لتقدير عمر لوكا باستخدام الجينات التي نعتقد أنها تكررت قبل لوكا مع المعلومات من الحفريات.

في العادة، لاستنتاج الجداول الزمنية التطورية، نحصل على شجرة تطورية للنوع الذي نهتم به مع الجينات المتجانسة، والتي ترجع إلى سلف مشترك.

ثم نجد مجموعة من الأنواع التي ترتبط ارتباطًا بعيدًا (مجموعة خارجية) بالنوع الذي نهتم به لتحديد جذر شجرة التطور.

إن “الفروع” التي تربط الأنواع في شجرة التطور تحتوي على معلومات حول معدل حدوث التغيرات الجينية (الطفرات) والوقت الذي انفصلت فيه الأنواع. يمكننا استخدام الأدلة الأحفورية أو الجيولوجية لإعلام الساعة الجزيئية بالحد الأدنى المحتمل للأعمار التي حدثت فيها أحداث التطور.

لكن مع لوكا، لدينا مشكلتان. لا توجد مجموعة خارجية لأصل الحياة ولا يوجد الكثير من الحفريات أو الكثير من الأدلة الجيولوجية من الأرض المبكرة التي يمكننا استخدامها لمعايرة الساعة الجزيئية.

يقول إدموند: للتغلب على هذه القيود، استخدمنا جينات متماثلة كان العلماء قد تتبعوها بالفعل إلى لوكا. ترتبط الجينات المتماثلة ببعضها البعض من خلال تكرار الجينات. ويمكن أن يحدث هذا عندما ينقسم نوع إلى اثنين، ولكل منهما نسخة خاصة به من الجين المكرر.

نقدر أن لوكا جاب الأرض منذ حوالي 4.2 مليار سنة. وإذا كان تقديرنا للوقت قريبًا من الحقيقة، فلابد أن أشياء مثل الشفرة الجينية، وترجمة البروتين، والحياة نفسها قد تطورت بسرعة، تقريبًا بعد تشكل الأرض مباشرة.

إن إعادة بناء لوكا ليست الأولى، وبالتأكيد لن تكون الأخيرة. يتم اكتشاف المزيد والمزيد من الكائنات الحية وتسلسلها كل عام، وتزداد أجهزة الكمبيوتر قوة، وتتحسن النماذج التطورية باستمرار.

لذلك، قد يتغير فهمنا للوكا عندما تتوفر المزيد من البيانات والتقنيات القوية، وفقا لساينس ألرت.

على سبيل المثال، يجب أن نأخذ في الاعتبار أنه ربما كان هناك العديد من الكائنات الحية الأخرى التي عاشت في وقت لوكا والتي لم تعد تمثلها أي كائنات حية اليوم.

إذا لم يصل أي من أحفاد لوكا الأوائل إلى العصر الحديث، ولم تنج جيناتهم، فلن نتمكن أبدًا من رسم خريطة لهذه العائلات الجينية مرة أخرى إلى لوكا، ما يعني أن إعادة بناء لوكا قد تكون غير مكتملة.

على الرغم من كل القيود الفنية، فإن الدراسة تضع طريقة جديدة لفهم لوكا. ولكن لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به لفهم أفضل لكيفية تطور الحياة منذ تكوين كوكبنا الأرض.