گیاهان چگونه زمین را تسخیر کردند؟
حتما تاکنون لایه‌ی لزج جلبکی روی سنگ را دیده‌اید، ولی احتمالا زیاد به آن توجه نکرده‌اید. حال دانشمندان دریافته‌اند که برخی از این گونه‌های نادیده‌گرفته‌شده، سرنخ یکی از بزرگ‌ترین اسرار تکامل هستند: اینکه گیاهان چگونه وارد خشکی شدند.
به‌تازگی پژوهشگران توالی ژنوم دو جلبک را منتشر کرده‌اند که از نزدیک‌ترین خویشاوندان زنده‌ی گیاهان خشکی به‌شمار می‌روند. آن‌ها نیز دارای برخی از ژن‌های کلیدی هستند که گیاهان برای زنده ماندن روی خشکی به آن‌ها نیاز دارند. جالب اینکه پژوهشگران مطالعه‌ی جدید دریافتند که این اجداد گیاهان، با گرفتن ژن‌ها از دیگر گونه‌ها و مخصوصا باکتری‌ها، توانایی زنده ماندن روی خشکی را به دست آورده‌اند.
اکنون، پژوهشگران دیگر درحال برنامه‌ریزی هستند تا از ژنوم‌های جدید برای آزمایش‌های خود استفاده کنند. جان دوریس، متخصص زیست‌شناسی گیاهی در دانشگاه گوتینگن آلمان که در این مطالعه مشارکتی نداشته است، می‌گوید:
این مقاله نقطه‌ی عطفی در زمینه‌ی تکامل اولیه‌ی گیاهان است.
گیاهان چنان برای حیات ما اهمیت دارند که تصور زمین قبل از وجود آن‌ها دشوار است. تا حدود نیم میلیارد سال پیش، قاره‌ها عمدتا عریان بوده و به‌جز پوسته‌هایی از باکتری‌ها و شاید قارچ‌ها چیزی روی آن‌ها وجود نداشت. وقتی گیاهان روی زمین ریشه زدند، جنگل‌ها، بوته‌زارها و باتلاق‌ها را شکل دادند. آن‌ها فرشی از خاک بنا کردند و با وارد کردن اکسیژن به اتمسفر، آمدن جانوران از دریا به خشکی نیز امکان‌پذیر شد. استفان رنسینگ، متخصص زیست‌شناسی گیاهی در دانشگاه ماربورگ آلمان می‌گوید:
آن‌ها سطح سیاره را برای همیشه تغییر دادند.
امروزه گیاهان بیشتر زیست‌توده‌ی زمین را تشکیل می‌دهند. گفته می‌شود که همه‌ی آن‌ها با هم، حاوی ۵۰۰ میلیارد تن کربن هستند. این مقدار بیش از چهار برابر مقدار کربنی است که به‌طور کلی در تمام موجودات زنده‌ی دیگر وجود دارد. پس از پراکنده شدن گیاهان، آن‌ها فسیل‌های فراوانی را از خود برجای گذاشتند اما نخستین فصل از تکامل گیاهان به‌خوبی در رکوردهای فسیلی حفظ نشده است. بنابراین پژوهشگران برای کشف نحوه‌ی تکامل اولیه‌ی گیاهان به ارگانیسم‌های زنده و مخصوصا توالی DNA آن‌ها متوسل شده‌اند.
دوران اولیه‌ی تکامل گیاهان به‌خوبی در رکوردهای فسیلی نشان داده نشده است، بنابراین پژوهشگران برای کسب دانش درمورد نحوه‌ی رسیدن گیاهان به خشکی، به مطالعه‌ی موجودات زنده‌ی مرتبط با گیاهان روی می‌آورند
گیاهان نور خورشید و کربن‌دی‌اکسید را در اندامک‌های سلولی که کلروپلاست نامیده می‌شود، به دام می‌اندازند. این اندامک‌ها زمانی باکتری‌هایی بودند که در اقیانوس زندگی می‌کردند. بیش از یک میلیارد سال پیش، آن‌ها به‌وسیله‌ی موجودات آمیب‌مانندی (اجداد جلبک‌ها) بلعیده شدند و این موجودات شروع به مهار انرژی خورشید کردند. جلبک‌های سبز به اشکال جدید و متعددی تکامل پیدا کردند. برخی در اقیانوس ماندند و برخی از آن وارد آب‌های شیرین شدند.
دانشمندان نمی‌دانستند کدام جلبک آب شیرین منشا گیاهان خشکی‌زی بوده است و آن‌ها چگونه کاری را انجام داده‌اند که دیگر جلبک‌ها نتوانسته‌اند. برای درک این موضوع دانشمندان آغاز به تعیین توالی بخش‌هایی از DNA جلبک‌های مختلف کرده و شجره‌ی خانوادگی آن‌ها را ترسیم کردند. در آغاز، گروهی از جلبک‌ها که سنگ‌خزه‌تباران (کاروفیت‌ها) نامیده می‌شوند، به‌عنوان نزدیک‌ترین خویشاوندان زنده‌ی گیاهان خشکی ظاهر شدند. این یافته‌ها به‌نظر منطقی می‌آمد؛ حداقل به این دلیل که کاروفیت‌ها ارگانیسم‌های تک‌سلولی نبوده بلکه دارای بدن‌های پیچیده و شاخه‌داری هستند. رنسینگ می‌گوید:
آن‌ها مانند گیاهان زیر آب هستند.
اما وقتی پژوهشگران جلبک‌های بیشتری را مورد تجزیه‌و‌تحلیل قرار دادند، مشخص شد که تباری به‌نام زیگنماتوفیسه (Zygnematophyceae) نزدیک‌ترین خویشاوند گیاهان است. این موضوع عجیب بود زیرا آن‌ها بسیار ساده‌تر از کاروفیت‌های گیاه‌مانند بودند. آن‌ها به شکل سلول‌های منفرد وجود داشته یا رشته‌های ساده و کوچکی را تشکیل می‌دهند. گین کاشو وانگ، ژنتیک‌دان دانشگاه آلبرتا و یکی از نویسندگان مقاله‌ی جدید می‌گوید:
پژوهشگران مدت‌ها درمورد این جلبک‌ها می‌دانستند اما فکر نمی‌کردند که آن‌ها نزدیک‌ترین خویشاوندان گیاهان خشکی باشند زیرا این فرض می‌شد که یک افزایش خطی در میزان پیچیدگی موجودات وجود دارد.
دکتر وانگ و همکارانش دو گونه از جلبک‌های زیگنماتوفیسه را که در مجموعه جلبک‌های آلمان نگه‌داری می‌شود، انتخاب و مورد بررسی بیشتر قرار دادند. هر دو گونه می‌توانند خارج از دریاچه‌ها یا نهرها زندگی کنند. یکی از گونه‌ها از روی سنگی در جنگلی در آلمان جمع‌آوری شده بود و دیگری در کشور پرتغال روی خزه‌ای روییده بود. پژوهشگران کل ژنوم دو گونه را تعیین توالی کردند و تعدادی ژن را پیدا کردند که با گیاهان مشترک بود ولی گونه‌های جلبک دورتر، فاقد آن‌ها بودند. این امر تأیید می‌کند که زیگنماتوفیسه‌ها نزدیک‌ترین خویشاوندان زنده‌ی گیاهان خشکی هستند. برخی از این ژن‌ها طی تکامل اجداد قدیمی حاصل شده‌اند. طی میلیون‌ها سال، همان‌طور که جلبک‌های اجدادی طی نسل‌های متوالی ژنوم خود را تکثیر می‌کردند، جهش‌هایی در ژنوم آن‌ها رخ داد که درنهایت موجب ایجاد قابلیت‌های جدیدی در این موجودات شد.
اما یک مجموعه‌ی کلیدی از ژن‌های موجود در زیگنماتوفیسه‌ها از مسیر متفاوتی حاصل شده است. به‌نظر می‌رسد که این جلبک آن‌ها را از باکتری‌ها دزدیده باشد. این ژن‌ها به گیاهان کمک می‌کنند تا در خشکسالی‌ها و دیگر شرایط استرس‌زا زنده بمانند. حتی امروزه نیز گیاهان خشکی‌زی برای ایجاد اسپور (هاگ) و بذرهایی که بتوانند برای ماه‌ها یا حتی سال‌ها در حالت رکود بمانند، به این ژن‌ها متکی هستند. پژوهشگران نسخه‌های مشابهی از این ژن‌ها را در جلبک‌های دیگر پیدا نکردند اما ژن‌ها در باکتری‌ها، مخصوصا باکتری‌هایی که در خاک زندگی می‌کنند، دیده می‌شوند.
مایکل ملکونیان، متخصص جلبک‌شناسی در دانشگاه کلن آلمان و یکی دیگر از نویسندگان مطالعه‌ی جدید، زیگنماتوفیسه‌ها را مورد مطالعه قرار داده و سرنخ‌هایی درمورد اینکه جلبک‌های باستانی چگونه ممکن است ژن‌های باکتری‌ها را به دست آورده باشند، کشف کرده است. این جلبک برای جذب آب پوششی اسفنجی در اطراف خود ایجاد می‌کند و برخی از باکتری‌ها از کربوهیدرات‌هایی که این پوشش را تشکیل داده‌اند، تغذیه می‌کنند. ملکونیان می‌گوید:
در عوض، آن‌ها (باکتری‌ها) ویتامین‌هایی را تولید می‌کنند که جلبک ممکن است نیاز داشته باشد.
ملکونیان حدس می‌زند که چنین ارتباط نزدیکی ممکن است این امکان را فراهم آورده باشد که ژن‌های باکتری بتوانند وارد ژنوم جلبک شوند. این ایده‌ای جذاب بوده اما آزمایش آن پس از نیم میلیارد سال دشوار است. رنسینگ می‌گوید:
راهی برای اثبات درستی این ایده وجود ندارد.
دوریس می‌گوید ژنوم‌های جدید ممکن است این امکان را فراهم کنند که بررسی کنیم ژن‌های گیاه‌مانند دقیقا چه کاری در سلول‌های جلبک‌ها انجام می‌دهند و چگونه تکامل پیدا کرده‌اند تا نقش‌های جدیدی در گیاهان برعهده گیرند. ملکونیان می‌گوید تمام پژوهش‌های جدید که روی جلبک‌ها انجام شده است نشان می‌دهد که گیاهان در اثر جهش تکاملی بزرگی روی زمین پدیدار نشده‌اند بلکه آن‌ها روی مقدمه‌ای طولانی از سازگاری‌ها در موجودات ساده‌تر ایجاد شده‌اند. او می‌گوید:
سطح زمین صدها میلیون سال پیش از ظهور اولین گیاهان زمینی، سبز بود.