איך שחזרו את האב הקדמון של כל החיים על פני כדור הארץ

מאת: Edmund R. R. Moody / Sandra Álvarez-Carretero

מקור: theconversation

ההבנה כיצד החיים התחילו והתפתחו על פני כדור הארץ היא שאלה שריתקה את האדם במשך זמן רב, ומדענים מודרניים התקדמו רבות בכל הנוגע למציאת כמה תשובות. כעת, מחקר אחרון זה מקווה להציע תובנות חדשות לגבי מקור החיים על פני כדור הארץ.

לפני כ-375 מיליון שנה, אבותינו הקדומים דמויי הדגים נשמו דרך זימים. לפני למעלה מ-600 מיליון שנה, הופיע האב הקדמון המשותף של כל בעלי החיים - האורמטזואן (urmetazoan) המיקרוסקופי. אולם, מיליארדי שנים לפני שכל זה קרה, כנראה היה קיים האב הקדמון המשותף של כל האורגניזמים החיים, האב הקדמון הכולל (LUCA).

ייצוג דיגיטלי הממחיש כיצד האב הקדמון הכולל כבר הותקף ע"י ווירוסים אפילו לפני 4.2 מיליארד שנים / Science Graphic Design

מדענים עבדו על זיהוי האב הקדמון הכולל במשך עשרות שנים עם רעיונות שונים לגבי מה הוא היה. נקודת מחלוקת נוספת היא גילו של האב הקדמון הכולל. ראיות המאובנים המוקדמות ביותר שיש לנו לחיים הן בנות כ-3.4 מיליארד שנים. מחקרים מסוימים דוחקים את גילו של האב הקדמון הכולל קרוב ללידתו של כדור הארץ, לפני 4.5 מיליארד שנים. אחרים חושבים שזה בלתי אפשרי בגלל הזמן שלקח לבסס את הקוד הגנטי ואת מנגנון שכפול הדנ"א.

האב הקדמון הכולל לא היה צורת החיים הראשונה; זה היה האורגניזם שממנו יצאו כל האורגניזמים החיים. עם זאת, מדענים חושבים שייתכן שאורגניזמים חיים היו קיימים הרבה לפני האב הקדמון הכולל. הבנת מה היה האב הקדמון הכולל, ומתי הוא חי, חשובה כדי לעזור לנו להבין איך התפתחו החיים על פני כדור הארץ.

במחקר זה, שפורסם ב-Nature Ecology & Evolution, החוקרים השתמשו בשילוב של שיטות מדעיות כדי לשחזר את הגנום של האב הקדמון הכולל ולהראות כיצד הגנים שהם מצאו עשויים לאפשר לאב הקדמון הכולל לחיות. פרויקט זה היה תוצאה של מספר שנים של עבודה וצוות בינלאומי של שיתופי פעולה.

כדי לשחזר את הגנום של האב הקדמון הכולל, הם היו צריכים דגימה של גנומים (כל המידע הגנטי באורגניזם) מקבוצות שונות של חיידקים וארכאונים (אורגניזמים חד-תאיים הנבדלים מחיידקים) כדי שיוכלו להיות בטוחים שהם דוגמים חיים מודרניים. הם לא כללו אאוקריוטים (צמחים, בעלי חיים ופטריות) מכיוון שמדענים חושבים שהם התפתחו מאיחוד של ארכאונים וחיידקים, הרבה יותר מאוחר. היה להם סט של 700 גנומים (350 ארכאונים ו-350 חיידקים), שכבר נאצרו ממחקר משנת 2022.

הם מיינו את הגנים האלה למשפחות שונות כדי להבין את ייעודם באורגניזמים מודרניים. בשביל זה הם השתמשו במסד נתונים, שנקרא KEGG, שעוזר למדענים להבין את המסלולים המטבוליים של אורגניזמים (איך הם מקיימים חיים).

לאחר מכן, הם השתמשו במשפחות אלה כדי להסיק עצים פילוגנטיים (קצת כמו עץ ​​משפחה) כדי להבין את הקשר בין מינים שונים ולראות כיצד הם התפתחו עם הזמן. הם בנו גם קבוצה נפרדת של 57 גנים המשותפים לכל 700 האורגניזמים במחקר שלהם ושכנראה נמצאים כמעט בכל החיים. סוגים אלה של גנים לא השתנו הרבה במהלך מיליארדי השנים האחרונות.

הם השתמשו ב-57 הגנים האלה כדי לבנות עץ מינים, המראה את הקשר הדרוויני של האורגניזמים השונים. לאחר מכן הם יכלו לשלב את עצי הגנים KEGG שלהם עם עץ המין, על ידי מודלים של שיעורי שכפול גנים והעברת ואובדן גנים. זה גם איפשר להם לחשב את הסבירות שמשפחות גנים שונות יהיו נוכחות באב הקדמון הכולל.

שחזור הגנום של האב הקדמון הכולל אפשר להם להעריך את חילוף החומרים שלו, כאילו הוא חי היום. הם מדמיינים את האב הקדמון הכולל כאורגניזם מורכב למדי כמו חיידקים וארכאונים מודרניים, עם גנום קטן. עם זאת, הם לא מצאו עדויות לפוטוסינתזה (שכמה חיידקים משתמשים בה) או קיבוע חנקן, תהליך כימי שחלק מהחיידקים והארכאונים המודרניים משתמשים בהם כדי להישאר בחיים.

הם ניסו גם שיטה חדשה להעריך את גילו של האב הקדמון הכולל על ידי שימוש בגנים שלדעתם שוכפלו לפני האב הקדמון הכולל יחד עם מידע ממאובנים. בדרך כלל, כדי להסיק לוחות זמנים אבולוציוניים, הם היו משיגים פילוגניה של המין הנחקר עם גנים הומולוגיים, שעוקבים אחר אב קדמון משותף. לאחר מכן, הם היו מוצאים קבוצה של מינים הקשורים רחוק (קבוצת חוץ) למין הנחקר שלהם כדי לבסס את שורש הפילוגניה.

ה"ענפים" המחברים בין המינים בפילוגניה מכילים מידע על הקצב שבו התרחשו שינויים גנטיים (מוטציות) והזמן שבו המינים התפצלו. הם יכולים להשתמש בראיות מאובנים או גיאולוגיים כדי ליידע את השעון המולקולרי לגבי גילאי מינימום פוטנציאליים שבהם התרחשו אירועי היווצרות.

אילן יוחסין משוער של כל היצורים החיים. האב הקדמון הכולל מצוי במרכז התרשים, כך שכל היצורים החיים הם צאצאיו.

עם האב הקדמון הכולל, לעומת זאת, יש להם שתי בעיות. אין קבוצת חוץ למקור החיים ואין הרבה מאובנים או ראיות גיאולוגיות רבות מכדור הארץ המוקדם שהם יכולים להשתמש בהם כדי לכייל את השעון המולקולרי. כדי להתגבר על ההגבלות הללו, הם השתמשו בגנים פרלוגיים שמדענים כבר איתרו לאב הקדמון הכולל. גנים פרלוגיים קשורים זה לזה דרך שכפול גנים. זה יכול לקרות כאשר מין מתפצל לשניים, לכל אחד עותק משלו של הגן המשוכפל.

הם מעריכים שהאב הקדמון הכולל שוטט בכדור הארץ לפני כ-4.2 מיליארד שנים. אם הערכת הזמן שלהם קרובה לאמת, דברים כמו הקוד הגנטי, תרגום חלבון והחיים עצמם בוודאי התפתחו במהירות, כמעט מיד לאחר היווצרות כדור הארץ.

השחזור שלהם של האב הקדמון הכולל הוא לא הראשון, ובוודאי לא יהיה האחרון. יותר ויותר אורגניזמים מתגלים ומרוצפים מדי שנה, המחשבים נעשים חזקים יותר, והמודלים האבולוציוניים משתפרים ללא הרף. לכן, ההבנה שלהם לגבי האב הקדמון הכולל עשויה להשתנות כאשר יהיו יותר נתונים וטכניקות חזקות זמינות.

לדוגמה, עליהם לשקול שכנראה היו הרבה אורגניזמים אחרים שחיו בזמן האב הקדמון הכולל שאינם מיוצגים עוד על ידי אף אורגניזם כיום. אם מישהו מהצאצאים המוקדמים של האב הקדמון הכולל לא הגיע לימינו המודרנים, והגנים שלהם לא שרדו, אז לעולם הם לא יוכלו למפות את משפחות הגנים הללו בחזרה לאב הקדמון הכולל, מה שאומר שהשחזור שלהם של האב הקדמון הכולל עשוי להיות לא שלם.

למרות כל המגבלות הטכניות, המחקר שלהם קובע דרך חדשה להבין את האב הקדמון הכולל. אבל יש עוד הרבה עבודה לעשות כדי להבין טוב יותר איך החיים התפתחו מאז היווצרות כוכב הלכת שלנו.