در جستجوی منشاء حیات چندسلولی؛ یوکاریوت‌ها چگونه ظهور کردند؟

خلاصه مقاله:

• سه میلیارد سال پیش، سلول‌های پروکاریوتی ساده (باکتری‌ها و آرکی‌ها) بر زمین تسلط داشتند. سپس یوکاریوت‌ به‌عنوان نوعی سلول پیچیده‌تر ظاهر شد و همه‌ی حیات چند‌سلولی را به وجود آورد.
• یوکاریوت‌ها زمانی 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 مختلف از جمله قارچ‌ها، گیاهان و حیوانات را فراهم می‌کند.
• تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که یوکاریوت‌ها از زیر گروهی از آرکی‌ها تکامل یافته‌اند. آرکی‌های آسگارد احتمالا نزدیک‌ترین خویشاوندان زنده‌ی یوکاریوت‌ها هستند.
• روند دقیق چگونگی پیدایش اولین یوکاریوت هنوز مشخص نیست، به ویژه در مورد اولین باکتری بلعیده‌شده. تحقیقات آینده، از جمله متاژنومیکس و تجزیه‌و‌تحلیل فسیلی، ممکن است به کشف جزئیات بیشتر در مورد منشا یوکاریوت‌ها کمک کند.

سه میلیارد سال پیش، حیات روی زمین ساده بود. موجودات تک‌سلولی ساده بر زمین حکومت می‌کردند و تنها ساکنین زمین بودند. این موجودات تک‌سلولی همان سلول‌هایی هستند که اکنون آن‌ها را پروکاریوت می‌نامیم و شامل باکتری‌ها و آرکی‌ها‌ یا باستانیان (Archaea) امروزی می‌شوند. پروکاریوت‌ها اساساً کیسه‌هایی شل از قطعات مولکولی هستند. 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 تمامی گیاهان، حیوانات و قارچ‌هایی که امروزه زنده هستند، نوعی سلول که ما آن را به نام یوکاریوت می‌شناسیم.

اولین حضور سلول یوکاریوت، سیاره را متحول کرد. امروزه، تمام حیات چند‌سلولی پیچیده و در‌واقع، تمام حیاتی که هر یک از ما به‌طور منظم و روزانه می‌بینیم، از سلول‌های یوکاریوتی ساخته شده است. هیچ‌کس به‌طور قطع نمی‌داند که اولین یوکاریوت چگونه 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 معنای مجهز‌شدن به اندام‌ها بدانیم، یوکاریوت‌ها سازماندهی را اختراع کردند. در داخل یک سلول یوکاریوتی بسته‌های مستقل و متصل به غشاء با عملکردهای خاص به نام اندامک وجود دارند. تمام سلول‌های یوکاریوتی یعنی سلول‌های حیوانی، گیاهی، قارچی یا آغازی دارای هسته‌ای هستند که دی‌ان‌ای را محصور و از آن محافظت می‌کند. تقریباً همه‌ی یوکاریوت‌ها دارای میتوکندری هستند که برای سوخت‌رسانی به واکنش‌های بیوشیمیایی انرژی تولید 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 مختلف 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 می‌شوند و خیلی موارد دیگر. اگر پروکاریوت‌ها توده‌ای از کاغذهای افتاده روی زمین باشند، یوکاریوت‌ها یک سیستم بایگانی پیچیده هستند که صفحات را بسته‌بندی و برچسب‌گذاری می‌کنند.

اینکه چگونه یوکاریوت‌ها تکامل پیدا کردند کاملاً مشخص نیست، اما امروزه، اکثر کارشناسان موافق‌اند که حدود 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 عنوان میتوکندری می‌شناسیم.

یوکاریوت بعد از به‌وجود‌آمدن میتوکندری، بارها و بارها دگرگون شد. ابتدا به مجموعه‌ای از موجودات تک‌سلولی منحصربه‌فرد تبدیل شد، مانند 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.

عکاس: Nick Butterfield

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

برخی از یوکاریوت‌ها بعد از جذب اندامک‌ها، در طی یک میلیارد سال گذشته، شروع به کار با یکدیگر کردند. اجتماع سلول یوکاریوتی که بدون هدف کنار هم جمع شده بودند تبدیل به کلونی شدند و زمانی که سلول‌های کامل شروع به تخصصی‌شدن یا انجام عملکردهای منحصربه‌فرد در بدنی پیچیده و چند‌سلولی کردند، سازمان‌دهی بیشتری پیدا 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 دلیل سه مزیت بزرگ به خوبی رشد کرده و روی زمین پخش شدند؛ بزرگی، حرکت، گرسنگی. یوکاریوت‌ها از باکتری‌ها یا آرکی‌ها بزرگ‌تر هستند، بنابراین می‌توانند به روش‌های پیچیده‌تری با محیط خود تعامل داشته باشند و با آن سازگار شوند. یوکاریوت‌ها می‌توانند برای یافتن غذا، فرار از خطر یا گسترش به مناطق جدید حرکت کنند؛ پس حرکت، آن‌ها را فوق‌العاده سازگار می‌کند. یوکاریوت‌ها به انرژی زیادی نیاز دارند، بنابراین همیشه به دنبال منابع جدید هستند که همین آن‌ها را به اکتشاف و گسترش در محیط‌های جدید سوق داده است. اتما می‌گوید قبل از اینکه یوکاریوت‌ها به صحنه بیایند، هیچ حیات پیچیده‌ای با چشم غیرمسلح قابل‌مشاهده نبود؛ پس نقش اکولوژیکی در انتظار پر‌شدن 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 اصلی حیات روی زمین می‌دانستند. زیست‌شناسان می‌گفتند زندگی از سه نوع سلول متمایز تشکیل شده است: باکتری‌ها و آرکی‌ها که هر دو سلول‌های پروکاریوتی با برخی تفاوت‌های کلیدی هستند؛ به عنوان مثال در غشای سلولی و استراتژی‌های تولید مثلشان تفاوت دارند. سلول سوم یوکاریوت‌‌ها هستند که نوع بسیار متفاوتی از دو سلول دیگر است. کارشناسان معتقد بودند که باکتری‌ها، آرکی‌ها و یوکاریوت‌ها هرکدام به‌طور مستقل از اجدادی قدیمی‌تر تکامل یافته‌اند.

تحقیقات اخیر دسته‌بندی شکل‌های حیات را تغییر داده است. در طول چند دهه‌ی گذشته، دسته‌بندی دوتایی برای درخت زندگی، غالب بوده است که در آن یوکاریوت‌ها از درون گروه آرکی‌ها ظاهر می‌شوند نه در کنار آن‌ها. این نظریه با تلاش‌های اخیر برای کشف هویت جدیدترین جد پروکاریوتی ما، یعنی سلول باستانی که برای اولین‌بار یک باکتری را محصور کرد و به ایجاد نوع سلول یوکاریوتی منجر شد، پشتیبانی می‌شود. طی دهه‌ی گذشته، کشف آرکی‌های آسگارد، نزدیک‌ترین خویشاوندان زنده‌ی پروکاریوتی ما، سرنخ‌های ارزشمندی را ارائه کرده است.

5W Infographics

اتما در سال ۲۰۱۵، به دنبال یافتن اولین سلول میزبان (اولین یوکاریوتی که از پروکاریوت‌های ساده‌تر تکامل یافته بود) رفت. تیم اتما روی دودکش‌های سولفید مجرای گرمابی زیر آب (ساختارهای استوانه‌ای که برخی چاه‌های گرمابی می‌سازند) در انتهای اقیانوس اطلس، به ویژه 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 مختلف و بازسازی ژنوم سلول‌های منفرد استفاده کردند.

اتما و تیمش از یافتن ژن‌هایی که به طرز مشکوکی یوکاریوتی به نظر می‌رسند در میان ردپای مورد انتظار از آرکی‌ها و باکتری‌ها شگفت‌زده شدند. محققان با تحقیقات بیشتر، آنچه را که ممکن است ارتباط گمشده‌ای در تکامل یوکاریوت باشد، یافتند. چیزی که تا‌ به‌ آن موقع یافت نشده بود، پروکاریوتی با پیچیدگی مشخصه‌ی یوکاریوتی در ژنومش بود. محققان این میکروب را به خاطر محل جمع‌آوری‌اش لوکی‌آرکی نامیدند.

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

University of Bergen, Norway

محققان بعد 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 موفقیت سلول‌های آسگارد را کشت داده‌اند. این سلول‌ها برخی ویژگی‌های یوکاریوت‌مانند را نشان دادند، مانند یک اسکلت سلولی که با پروتئین اکتین ساخته شده است. بقیه‌ی ویژگی‌های سلول هنوز تحت بررسی هستند و ساختار سلولی‌شان ناشناخته است.

امروزه اکثر محققان موافق هستند که آسگاردها نزدیک‌ترین خویشاوندان پروکاریوتیِ یوکاریوت‌ها هستند. آسگاردهای امروزی اجداد ما نیستند، اما ما احتمالاً با آن‌ها در زمان‌های خیلی قدیم، اجداد مشترکی داریم. همانطور که پرندگان دایناسور هستند، یوکاریوت‌ها آسگارد هستند و در واقع آسگارها‌ی امروزی به نوعی پسرعموی ما محسوب می‌شوند.

فرآیندی که طی آن یک سلول آرکی با روش درون‌همزیستی یک باکتری زنده‌ی آزاد را به اندامک تبدیل می‌کند، تا حد زیادی در تاریخ تکامل، ابهام‌آمیز مانده است. اکثر زیست‌شناسان معتقدند که یک پروکاریوت در فرآیندی به نام فاگوسیتوز پروکاریوت دیگری را بلعیده است. اما فاگوسیتوز انرژی زیادی می‌خواهد. فاگوسیتوز در واقع، آنقدر انرژی‌بر است که برخی معتقدند بدون داشتن میتوکندری‌های تولید‌کننده‌ی انرژی در اولین سلول میزبان، وقوع آن غیرممکن می‌شد. اما میتوکندی قبل از بلعیده‌شدن وجود نداشته که باعث به‌وجود آمدن مسئله‌ای مانند اول مرغ یا تخم‌مرغ می‌شود.

آسگاردهای امروزی سرنخی ارائه می‌دهند که دیدگاه جدیدی را شکل می‌دهد. اسکلت سلولی آسگاردهای امروزی نشان می‌دهد که ممکن است برای به‌دام‌انداختن غذای پروکاریوتی، بدون نیاز به میتوکندری از برجستگی‌های ریز بازو‌مانند حباب‌شکل استفاده کنند. شاید اولین اجداد یوکاریوتی نیز به این شکل یک پروکاریوت را به درون خود کشیده باشد.

جذب پروکاریوت تنها بخش مبهم فرآیند به‌وجود آمدن اولین یوکاریوت نیست. محققان همچنین در مورد اولین درون‌همزیستی بحث می‌کنند که آیا باکتری تشکیل‌دهنده‌ی میتوکندری، احتمالاً از طبقه‌ای متنوع و باستانی به نام آلفاپروتئوباکتریا‌ها بوده است یا خیر. تونی گابالدون، زیست‌شناس تکاملی، معتقد است که ژنوم یوکاریوتی ترکیبی از ژن‌های فرانکشتاین‌مانند است که از آرکی‌ها و باکتری‌ها منشأ می‌گیرد. بسیاری از این ژن‌ها به آلفاپروتئوباکتریا یا باکتری‌های اطراف درخت زندگی بازمی‌گردند. گابالدون گفت: «شاید همزیست‌های دیگری وجود داشته بودند، اندامک دیگری که برخی از ژن‌هایش را بر جای گذاشته است. ما اطلاعات کمی در مورد چگونگی آن داریم.»

شاید گره‌گشایی رشته‌هایی که به منشأ یوکاریوت‌ها بازمی‌گردد پس از میلیاردها سال تقلای ژنتیکی غیرممکن باشد. در دهه‌های آینده، ترکیب متاژنومیکس با تکنیک‌های دیگر، مانند تجزیه‌و‌تحلیل فسیل‌های میکروبی و اندوسیمبیوز القایی، این پتانسیل را دارد که سرنخ‌های بیشتری از منشا ما آشکار کند. گابالدون گفت: «جذاب‌ترین چیز در مورد یوکاریوت‌ها این است که ما هنوز نمی‌دانیم چگونه به وجود آمده‌اند. آن‌ها در همه‌جا به طرز شگفت‌انگیز و متنوعی وجود دارند و با بسیاری از سبک‌های زندگی سازگار شده‌اند. ما هنوز چیزهای زیادی برای یادگیری [در مورد یوکاریوت‌ها] داریم.»