آب سرد چگونه به تکامل حیات چندسلولی پیچیده کمک کرد؟

خلاصه مقاله:

• وقتی آب دریا سرد می‌شود، ویسکوزیته یا گرانروی آن افزایش می‌یابد و حرکت برای موجودات تک‌سلولی دشوارتر می‌شود. این شرایط ممکن است در عصر معروف به زمین گوی برفی، موجب شده باشد موجودات تک‌سلولی تحت فشار قرار بگیرند و به گروه‌های چندسلولی بزرگ‌تر تکامل یابند تا بتوانند در آب سرد و غلیظ بهتر حرکت کنند و غذا بیابند.
• پژوهشگران در آزمایشگاه نشان داده‌اند جلبک‌ها تحت شرایط افزایش ویسکوزیته، گروه‌های بزرگ‌تر و هماهنگ‌تری تشکیل می‌دهند. جلبک‌ها حتی پس از پایان آزمایش نیز همچنان به صورت گروهی باقی ماندند که ممکن است نشان‌دهنده مسیر تکاملی به سوی چندسلولی شدن باشد.

سنگ‌های رسوبی مناطق گرمسیری نشان می‌دهد مدت‌ها پیش، زمین با یخ محصور شده بود. صدها میلیون سال پیش، سراسر زمین را یخچال‌ها و یخ‌های دریا پوشانده بودند. افراطی‌ترین سناریوها حاکی از آن است که لایه‌ای از یخ به ضخامت چندین متر حتی در خط استوا تشکیل شده بود. این رویداد که «زمین گوی برفی» نامیده شده است، به‌نظر می‌رسد زمان خوبی برای زندگی نبود. با‌این‌حال، در دوره گرم‌تر بین یخبندان‌ها، اولین شواهد از جانوران چندسلولی ظاهر می‌شود. پس چگونه این نوآوری زیستی در دوران ویرانی و شرایط سخت زمین گوی برفی اتفاق افتاد؟

مجموعه‌ای از مقالات حاصل از پژوهش‌های انجام‌شده در آزمایشگاه کارل سیمپسون پاسخی را ارائه می‌کند که با واقعیت فیزیکی بنیادینی ارتباط دارد: با سرد شدن آب دریا، ویسکوزیته آب بیشتر می‌شود، بنابراین حرکت برای موجودات بسیار کوچک دشوارتر می‌شود. تصور کنید به جای آب بخواهید درون عسل شنا کنید.

اگر ارگانیسم‌های میکروسکوپی برای به دست آوردن غذای کافی برای بقا در شرایط افزایش ویسکوزیته آب مشکل داشتند، برای تغییر پیداکردن تحت فشار قرار می‌گرفتند و شاید راه‌هایی برای جمع شدن در کنار هم و تشکیل گروه‌های بزرگ‌تر و حرکت در آب با نیروی بیشتر تکامل می‌دادند. برای آزمایش این ایده، سیمپسون و همکارانش در دانشگاه کلرادو بولدر آزمایشی را انجام دادند تا ببینند یک موجود تک‌سلولی امروزی در مواجهه با ویسکوزیته بالاتر چه واکنشی نشان می‌دهد.

در طول یک ماه، سیمپسون و آندریا هالینگ بررسی کردند که چگونه نوعی جلبک سبز در مواجهه با ژل غلیظ‌تر گروه‌های بزرگ‌تر و هماهنگ‌تری ایجاد می‌کند. نتایج نشان داد جلبک‌ها به‌طور جمعی در مایع حرکت کردند تا سرعت تغذیه خود را حفظ کنند. جالب اینکه گروه‌هایی از سلول‌ها تا ۱۰۰ نسل پس از پایان آزمایش همچنان در کنار هم ماندند.

فیبی کوهن، دیرین‌شناس کالج ویلیامز که بارها با سیمپسون درمورد ایده خود صحبت کرده بود، اما مستقیما در مطالعه نقشی نداشت، گفت این پژوهش برداشت جدیدی از پیدایش حیات چندسلولی ارائه می‌دهد. به‌گفته‌ی وی، این حوزه از علم زیست‌شناسی مملو از مقالاتی است که روی سنجه‌های ژئوشیمیایی تمرکز داشته‌اند، اما تعداد معدودی از آن‌ها زیست‌شناسی ارگانیسم‌های منفرد را درنظر گرفته‌اند.

زمانی که سیمپسون در اواخر دهه ۱۹۹۰ در مقطع کارشناسی تحصیل می‌کرد، ایده زمین گوی برفی سر زبان‌ها افتاده بود.

در سال ۱۹۹۲، جوزف کیرشوینک ژئوشیمیدان به این موضوع اشاره کرد که شواهد زمین‌شناسی نشان می‌دهد در گذشته‌های دور زمین، رویداد یخبندان جهانی رخ داده است. وی همچنین الگویی ارائه کرد که نشان می‌داد چگونه یخ‌ها دوباره ذوب شدند.

در سال ۱۹۹۸، پل هافمن، زمین‌شناس از دانشگاه هاروارد و همکارانش با مطالعه ذخایر رسوبی در نامیبیا تایید کردند که سنگ‌ها حضور یخچال‌ها را در گرم‌ترین مناطق جهان در حدود ۷۰۰ میلیون سال پیش نشان می‌دهند.

از همان زمان، برای سیمپسون زمان‌بندی عصر زمین گوی برفی چالش‌برانگیز بود. او می‌گوید: «پارادوکسی کامل برایم بود. با توجه به تکامل چشمگیری که در آن زمان رخ می‌داد، باورکردنی نبود که زمین در آن دوران یخ‌زده باشد. پیش از عصر زمین گوی برفی، فسیل‌ها کوچک هستند اما پس از آن بزرگ و پیچیده می‌شوند.»

تعیین دقیق زمان پیدایش حیوانات دشوار است، اما تخمین‌های حاصل از ساعت‌های مولکولی (که از نرخ جهش برای تخمین گذر زمان استفاده می‌کنند) نشان می‌دهد آخرین جد مشترک حیوانات چندسلولی در دورانی معروف به زمین گوی برفی استورتین، یعنی بین ۷۱۷ میلیون تا ۶۶۰ میلیون سال پیش ظاهر شده است. جانوران چندسلولی بزرگ و واضح، ده‌ها میلیون سال پس از اینکه زمین پس از یک دوره گوی برفی کوتاه‌تر، گرم شد و یخ‌ها آب شدند، در حدود ۶۳۵ میلیون سال پیش، در سوابق فسیلی ظاهر می‌شوند.

سیمپسون دراین‌باره کنجکاو بود که ارگانیسم‌های میکروسکوپی موجود در اقیانوس‌ها در طول زمین گوی برفی چه رفتارهایی داشتند. شاید درنهایت مشخص می‌شد اصلا پارادوکسی در کار نیست.

برای موجودات تک‌سلولی بسیار کوچک، آب چسبناک‌تر مشکلات بزرگی ایجاد می‌کند. باکتری‌ها ازطریق فرایند انتشار، یعنی حرکت مواد مغذی درون آب از ناحیه‌ی با غلظت بالا به نواحی با غلظت پایین تغذیه می‌کنند و معمولا منتظر می‌مانند غذا به آن‌ها برسد. با‌این‌حال، در دماهای پایین، انتشار کند می‌شود و سرعت و میزان جابه‌جایی مواد مغذی کاهش پیدا می‌کند. برای سلول‌ها، زندگی در مایع سرد و دارای ویسکوزیته بالاتر به معنای غذای کمتر است.

حتی موجودات بسیار کوچکی مانند سلول‌های تاژک‌دار که می‌توانند خود را در آب به پیش برانند، در آب سرد کندتر حرکت می‌کنند. درنتیجه، کمتر با غذا برخورد می‌کنند. از طرف دیگر، ارگانیسم بزرگ‌تر بدون مشکل زیاد می‌تواند در آب دارای ویسکوزیته بالا حرکت کند. دسته‌ای از سلول‌ها از مزیت اینرسی برخوردار خواهند بود؛ یعنی جرم ترکیبی‌شان به اندازه‌ای بزرگ است که به آن‌ها امکان دهد در مایع غلیظ‌تر حرکت کنند. سیمپسون می‌گوید: «در یک نقطه دیگر آن قدر بزرگ هستید که غلظت مایع اهمیتی نخواهد داشت.»

سیمپسون در سال ۲۰۲۱ فرضیه خود را در‌این‌باره منتشر کرد که ویسکوزیته آب دوره زمین گوی برفی فشار قابل‌توجهی بر توانایی تغذیه موجودات زنده در آن زمان وارد کرد و موجب شد برخی از آن‌ها به حیات چندسلولی تکامل پیدا کنند. وی سپس با همکارانش در موسسه سنتا فه، مدل‌های ریاضی از موجودات کوچکی طراحی کرد که در مایعات غلیظ و غلیظ‌تر زندگی می‌کردند؛ ازجمله سلول‌های تکی که ازطریق انتشار تغذیه می‌کردند و سلول‌های خودپیش‌برنده‌ای که با حرکت در محیط اطراف غذا می‌یافتند.

در مدل‌هایی که شرح آن‌ها در پایان سال ۲۰۲۳ در پایگاه‌داده بایو‌آرکایو بارگذاری و به‌تازگی در مجله‌ی مجموعه مقالات انجمن سلطنتی منتشر شد، موجودات ریزی که با تکیه بر فرایند انتشار تغذیه می‌کردند با کاهش اندازه به مایعات غلیظ‌تر واکنش نشان دادند. سلول‌های خود پیش‌برنده که این توانایی برایشان تعریف شده بود که در صورت نیاز به هم بچسبند، گروه‌های چندسلولی بزرگ و بزرگ‌تری را تشکیل دادند. این امر نشان می‌داد اگر در زمانی که زمین گوی برفی رخ داد، ارگانیسم‌های چندسلولی یا حداقل موجوداتی با توانایی ایجاد حالت چندسلولی وجود داشتند، مایع غلیظ‌تر می‌توانسته موجب شود آن‌ها بزرگ‌تر شوند.

نتایج جالب بود، اما آن‌ها فقط مدل‌های کامپیوتری بودند. سیمپسون فکر کرد: اگر همین کار را روی موجودات زنده انجام دهند، چه می‌شود؟

بازوِل وینگ، زمین‌شناس همکار سیمپسون در دانشگاه کلرادو بولدر، یک کلنی از جلبک‌های کلامیدوموناس رینهاردتی را در آزمایشگاه خود داشت. این جلبک‌ها دارای تاژک‌های چرخشی هستند که به آن‌ها امکان می‌دهد با قدرت خود حرکت کنند. آن‌ها معمولا تک‌سلولی هستند، اما می‌توانند تحت شرایط استرس‌زا به شکل چندسلولی تبدیل شوند. آیا ویسکوزیته بالاتر، مانند اقیانوس‌ها در طول زمین گلوله برفی، یکی از شرایطی است که می‌تواند آن‌ها را به فرم چندسلولی درآورد؟

زیست‌شناسان نمی‌توانند به گذشته سفر کنند تا شرایط واقعی دوره زمین گوی برفی را مورد بررسی قرار دهند؛ اما می‌توانند جنبه‌هایی از آن را در آزمایشگاه بازسازی کنند.

هالینگ و سیمپسون در ظرف آزمایشگاهی خاصی سطوح متغیری از ژل آگار را به شکل حلقه‌های متوالی ایجاد کردند. در مرکز ژل، ویسکوزیته استاندارد مورد استفاده برای رشد جلبک‌ها در آزمایشگاه قرار داشت. با حرکت به سمت بیرون، ویسکوزیته به تدریج افزایش پیدا می‌کرد و درنهایت به چهار برابر سطح استاندارد می‌رسید.

دانشمندان جلبک‌ها را در وسط قرار دادند، دوربین را روشن و آن‌ها را به مدت ۳۰ روز به حال خود رها کردند. این مدت برای زندگی و فعالیت و مرگ حدود ۷۰ نسل جلبک کافی بود.

هالینگ و سیمپسون حدس می‌زدند با تکثیر جلبک‌ها و شلوغ شدن دایره مرکزی که دارای ویسکوزیته معمول بود، هر سلول جلبکی که بتواند محیط غلیظ‌تر را تحمل کند، به سمت بیرون حرکت خواهد کرد. شاید آن‌هایی که به خارجی‌ترین حلقه برسند ظاهر و رفتار متفاوتی با آن‌هایی داشته باشند که در مرکز باقی می‌مانند.

سیمپسون به‌طور خاص دراین‌باره کنجکاو بود که آیا جلبک‌هایی که به حلقه‌ی دارای بالاترین ویسکوزیته راه پیدا کرده‌اند، روش‌هایی را برای افزایش سرعت شناکردن یافته‌اند یا خیر.

جلبک‌ها فتوسنتزکننده هستند، بنابراین از خورشید انرژی می‌گیرند. اما آن‌ها باید مواد مغذی نظیر فسفر را از محیط دریافت کنند؛ بنابراین حرکت همچنان برای بقای آن‌ها اهمیت دارد. حفظ همان سطح از مواد مغذی در محیط دارای ویسکوزیته بالا مستلزم راهی برای حفظ سرعت است.

مقایسه سرعت این خوشه‌ها با سلول‌های انفرادی وسط ژل موضوع جالبی را آشکار کرد: همه با سرعت مشابهی شنا می‌کردند. جلبک‌ها با همکاری به عنوان یک گروه می‌توانستند حرکت خود را حفظ کنند.

وقتی دانشمندان خوشه های کوچک را از ژل دارای ویسکوزیته بالا برداشتند و در ژلی با ویسکوزیته پایین قرار دادند، سلول‌ها به هم چسبیدند و تا صد نسل دیگر که دانشمندان به مشاهده آن‌ها ادامه دادند، به همین شکل باقی ماندند. به‌گفته‌ی سیمپسون، هر تغییری که آن‌ها برای زنده‌ماندن در محیط دارای ویسکوزیته بالا دچار آن شدند، به سختی برگشت‌پذیر بود و شاید این امر به جای تغییری کوتاه‌مدت، در واقع حرکتی به سمت تکامل محسوب می‌شد.

جلبک‌های امروزی جاندارانی ابتدایی نیستند؛ اما به‌گفته‌ی سیمپسون این واقعیت که این فشارهای فیزیکی، موجودات تک‌سلولی را وادار کرد سبک زندگی جدیدی در پیش بگیرند و این تغییر به سختی بازگشت‌پذیر بود، بسیار قدرتمند است. او فکر می‌کند اگر دانشمندان این ایده را بررسی کنند که وقتی ارگانیسم‌ها خیلی کوچک هستند، ویسکوزیته بر وجود آن‌ها غلبه دارد، می‌توانیم بینش‌هایی درباره شرایطی به دست آوریم که ممکن است به تکامل اشکال بزرگ حیات منجر شده باشد.

ما به‌عنوان موجودات بزرگ چندان به غلظت مایعات پیرامون خود فکر نمی‌کنیم. این بخشی از تجربه زندگی روزمره ما نیست و آنقدر بزرگ هستیم که ویسکوزیته تاثیر خاصی روی ما نداشته باشد.

از زمانی که سیمپسون برای اولین بار متوجه شد چنین محدودیت‌هایی در حرکت می‌تواند مانع بزرگی برای حیات میکروسکوپی باشد، این موضوع ذهن او را درگیر کرده که ویسکوزیته ممکن است در پیدایش حیات پیچیده بسیار مهم بوده باشد.

نیک باترفیلد از دانشگاه کمبریج که تکامل حیات اولیه را مطالعه می‌کند، می‌گوید: «به‌نظر نمی‌رسد پیش از سیمپسون کسی درمورد تجربه فیزیکی موجودات  از حضور درون اقیانوس در طول زمین گوی برفی خیلی فکر کرده باشد.» با‌این‌حال، او ایده کارل را حاشیه‌ای می‌خواند. بیشتر تئوری‌ها درمورد تاثیر زمین گوی برفی روی تکامل حیوانات چندسلولی، گیاهان و جلبک‌ها روی سطوح اکسیژن تمرکز دارد که از روی سطوح ایزوتوپ‌های موجود در سنگ‌ها استنباط می‌شود.

جوخن بروکس از دانشگاه ملی استرالیا می‌گوید فرضیه سیمپسون چند مشکل دارد. بروکس می‌گوید اول اینکه مشخص نیست جانوران ابتدایی آزادانه در آب شنا می‌کردند. برخی از اولین فسیل‌های جانوری مربوط به جانورانی بودند که کف اقیانوس زندگی می‌کردند. علاوه‌بر‌این، جدول زمان‌بندی منشا جانوران بسیار نامشخص است. طبق برخی از تخمین‌ها، دوره زمین گوی برفی ممکن است با آخرین جد مشترک حیوانات همخوانی داشته باشد. اما به‌گفته‌ی بروکس، همه این‌ها براساس استنتاج‌های مولکولی از دی‌ان‌ای است که به‌سختی می‌توان تاییدشان کرد. باترفیلد نیز درباره این عدم قطعیت گفت: «شواهدی وجود ندارد که نشان دهد موجودی مدتی پس از زمین گوی برفی بزرگ شد.»

البته بروکس آزمایش سیمپسون را هوشمندانه و زیبا توصیف می‌کند و می‌گوید چه زمین گوی برفی به تکامل حیات پیچیده جانوری منجر شده چه در این زمینه بی‌تاثیر بوده باشد، این واقعیت که ارگانیسم‌ها ممکن است با ایجاد رفتار جمعی به ویسکوزیته بالا واکنش نشان دهد، شایسته درک بهتر است.

بروکس کنجکاو است که اگر آزمایش مشابهی روی قیفی‌تاژک‌داران (choanoflagellates) انجام شود که موجودات کوچکی هستند که نسبت‌به جلبک‌ها ارتباط نزدیک‌تری با حیوانات دارند، چه اتفاقی می‌افتد.

قیفی‌تاژک‌داران برای به دست آوردن غذا کاملاً به شکار متکی هستند (توانایی فتوسنتز ندارند)، بنابراین دربرابر کندی ناشی از ویسکوزیته بالا آسیب‌پذیر هستند. اگر آن‌ها تحت شرایط ویسکوزیته بالا شروع به ایجاد اشکال چندسلولی کنند، می‌توان گفت نتایج سیمپسون نشانگر واقعیتی کلی‌تر درمورد نحوه واکنش موجودات زنده به محیط پیرامون خویش است.

سیمپسون درحال مطالعه روی قیفی‌تاژک‌داران است و در تلاش است تا دریابد آن‌ها چگونه زندگی می‌کنند. او می گوید آن‌ها موجوداتی زیبا و پیچیده هستند و به اشکال مختلفی ظاهر می‌شوند: برخی  شناگرانی پرسرعت با تاژک‌های بلند و برخی شناگرانی کند هستند که در مسیر مارپیچ حرکت می‌کنند و برخی به یک سطح می‌چسبند تا رشد کنند. آن‌ها رابطه جنسی دارند، با هم ادغام می‌شوند و کلنی‌هایی با اشکال مختلف تشکیل می‌دهند. اگر آن‌ها را فشرده کنید، ظاهرا تاژک‌های خود را از دست می‌دهند و به آمیب تبدیل می‌شوند. مهم‌تر از همه اینکه، آن‌ها هنگام واکنش به چالش‌های محیطی کاملا جدید، توانایی‌ها و سازگاری بسیار بالایی دارند.