Μια θεμελιώδης ανακάλυψη σχετικά με την προέλευση της ζωής στο Terra δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Nature από ερευνητές από το Universidade του Texas στο Austin. Η μελέτη περιγράφει πώς οι προγονικοί μικροοργανισμοί, γνωστοί ως αρχαία Asgard, είχαν ήδη την ικανότητα να μεταβολίζουν το οξυγόνο πολύ πριν από τη συμβίωση που οδήγησε στα σημερινά πολύπλοκα κύτταρα. Η αποκάλυψη αλλάζει την κατανόηση των εξελικτικών βημάτων που επέτρεψαν την εμφάνιση φυτών, ζώων και μυκήτων.
Η γενετική ανάλυση επικεντρώθηκε σε μια συγκεκριμένη ομάδα που ονομάζεται Heimdallarchaeia, που θεωρείται ο πλησιέστερος μικροβιακός συγγενής όλων των ευκαρυωτικών οργανισμών. Η τεχνητή νοημοσύνη Utilizando και η προηγμένη αλληλουχία του DNA που ανακτήθηκε από θαλάσσια ιζήματα, η ομάδα αναγνώρισε γονίδια υπεύθυνα για την αερόβια αναπνοή σε αυτές τις αρχαίες γενεαλογίες. Τα δεδομένα δείχνουν ότι η μετάβαση στη σύνθετη ζωή δεν ήταν ένα απότομο γεγονός, αλλά μάλλον μια σταδιακή διαδικασία χημικής προσαρμογής.
Τα αποτελέσματα επιλύουν μια μακροχρόνια επιστημονική συζήτηση σχετικά με το πώς ένας αναερόβιος ξενιστής θα μπορούσε να έχει συγχωνευθεί με ένα βακτήριο που εξαρτάται από το οξυγόνο. Anteriormente, πιστευόταν ότι αυτή η ένωση θα ήταν βιολογικά ασύμβατη χωρίς προηγούμενη προετοιμασία. Η μελέτη δείχνει ότι ο κοινός πρόγονος εκμεταλλευόταν ήδη το οξυγόνο που ήταν διαθέσιμο στο περιβάλλον, διευκολύνοντας την ενσωμάτωση των βακτηρίων που θα γίνονταν τα μιτοχόνδρια.
Αυτή η μεταβολική προσαρμογή πρόσφερε αποφασιστικά ενεργειακά πλεονεκτήματα. Η ικανότητα επεξεργασίας οξυγόνου επέτρεψε την παραγωγή περισσότερης κυτταρικής ενέργειας, ένα απαραίτητο καύσιμο για τη διατήρηση μεγαλύτερων και πιο περίπλοκων οργανισμών. Η έρευνα δείχνει ότι αυτά τα χαρακτηριστικά εξελίχθηκαν ως άμεση απόκριση στις αλλαγές στην πρώιμη ατμόσφαιρα της Γης.
Γενετική χαρτογράφηση και χρήση τεχνητής νοημοσύνης
Για να καταλήξουν σε αυτά τα συμπεράσματα, οι επιστήμονες συνέταξαν και ανέλυσαν περισσότερα από 13.000 νέα μικροβιακά γονιδιώματα που συλλέχθηκαν σε διάφορες αποστολές στους ωκεανούς σε όλο τον κόσμο. Ο όγκος των δεδομένων που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία ήταν τεράστιος, περιλαμβάνοντας περίπου 15 terabytes ακατέργαστης γενετικής αλληλουχίας για το φιλτράρισμα των σχετικών πληροφοριών σχετικά με την κυτταρική εξέλιξη και τον εντοπισμό κρυμμένων μοτίβων στον γενετικό κώδικα.
Η χρήση του εργαλείου AlphaFold2 ήταν καθοριστική για την επικύρωση των ευρημάτων, καθώς επέτρεψε την πρόβλεψη των τρισδιάστατων δομών των πρωτεϊνών που βρέθηκαν στην αρχαία Heimdallarchaeia. Κατά τη σύγκριση αυτών των δομών με εκείνες των σύγχρονων οργανισμών, έγινε εμφανής η ομοιότητα με τις πρωτεΐνες που χρησιμοποιούνται στον τρέχοντα οξειδωτικό μεταβολισμό, επιβεβαιώνοντας την εξελικτική σύνδεση.
Τα κρίσιμα συστατικά, όπως οι υπομονάδες Complexo I και οι μεμβρανικές υδρογονάσες, παρουσίασαν εξαιρετικά διατηρημένες διαμορφώσεις. Οι δομές Essas είναι θεμελιώδεις για την αποτελεσματική παραγωγή κινητήριας δύναμης πρωτονίων, ενός ζωτικού μηχανισμού για την παραγωγή ενέργειας σε κυτταρικό επίπεδο.
Επιπλέον, η ομάδα μπόρεσε να ανακτήσει εκατοντάδες νέα γονιδιώματα από δείγματα στήλης νερού και ιζημάτων, επεκτείνοντας δραστικά τον γενετικό κατάλογο της ομάδας Asgardarchaeota. Ο εντοπισμός 136 επιπλέον γονιδιωμάτων Heimdallarchaeia έχει σχεδόν διπλασιάσει τη διαθέσιμη γνώση σχετικά με αυτή τη συγκεκριμένη γενεαλογία.
Προσαρμογή στο οξυγόνο και εξελικτικά πλεονεκτήματα
Η ικανότητα χρήσης οξυγόνου στην κυτταρική αναπνοή παράγει πολύ περισσότερο ATP – το ενεργειακό νόμισμα της ζωής – από τις παραδοσιακές αναερόβιες διεργασίες. Η επιπλέον αποτελεσματικότητα του Essa παρείχε τη μεταβολική υποστήριξη που απαιτείται για την ανάπτυξη πιο περίπλοκων και ισχυρών κυτταρικών δομών για εκατομμύρια χρόνια, επιτρέποντας στη ζωή να σταματήσει να είναι απλώς μικροσκοπική και απλή.
Τα στοιχεία δείχνουν ότι αυτές οι αρχαίες ζούσαν σε ρηχά παράκτια ιζήματα και στη στήλη του νερού, περιβάλλοντα όπου τα επίπεδα οξυγόνου διέφεραν, αναγκάζοντας μια άμεση εξελικτική προσαρμογή. Diferente άλλων γενεών που παρέμειναν σε βαθιές ζώνες χωρίς οξυγόνο, το Heimdallarchaeia βρήκε κόγχες όπου η αερόβια αναπνοή ήταν δυνατή και επωφελής.
Έχουν επίσης εντοπιστεί μηχανισμοί άμυνας, όπως τα ένζυμα για τη βιοσύνθεση της αίμης και την αποτοξίνωση των ενεργών ειδών οξυγόνου. Essas Τα βιολογικά εργαλεία ήταν απαραίτητα για την προστασία των κυττάρων από οξειδωτική βλάβη, ειδικά κατά την περίοδο γνωστή ως Grande Evento του Oxidação, η οποία άλλαξε ριζικά τη χημεία του πλανήτη.
Αναδιαμόρφωση της ενδοσυμβιωτικής θεωρίας
Το κυρίαρχο επιστημονικό μοντέλο περιγράφει την προέλευση των ευκαρυωτών μέσω της ενδοσυμβίωσης, όπου μια αρχαία φιλοξενούσε ένα βακτήριο που τελικά έγινε μιτοχόνδρια. Η νέα ανακάλυψη βελτιώνει αυτή τη θεωρία, υποδεικνύοντας ότι ο ξενιστής δεν ήταν ένας παθητικός ή αυστηρά αναερόβιος οργανισμός, αλλά ένα ον ήδη προσαρμοσμένο στην κατανάλωση οξυγόνου.
Με τα νέα δεδομένα, γίνεται κατανοητό ότι ο ξενιστής Asgard είχε μερικές αερόβιες οδούς που διευκόλυναν την ενσωμάτωση και τον έλεγχο του βακτηριακού συμβιώματος. Η μεταβολική συμβατότητα Essa θα ήταν το κλειδί για την επιτυχία της σύντηξης, επιτρέποντας στο νέο υβριδικό κύτταρο να ευδοκιμήσει σε έναν όλο και πιο οξυγονωμένο κόσμο.
Η χρονική σύμπτωση μεταξύ της αύξησης των επιπέδων οξυγόνου στην ατμόσφαιρα, περίπου 2,4 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, και της εμφάνισης ευκαρυωτικών μικροαπολιθωμάτων ενισχύει την υπόθεση. Το οξυγόνο δεν ήταν απλώς ένα περιβαλλοντικό υποπροϊόν, αλλά ένας ενεργός κινητήρας που οδήγησε τη βιολογική πολυπλοκότητα μέσα από αυτές τις αρχαϊκές γενεαλογίες.
- Η Heimdallarchaeia έχει τον γενετικό κώδικα για τη βιοσύνθεση της αίμης.
- Το Lineage παρουσιάζει ισχυρούς αμυντικούς μηχανισμούς ενάντια στην οξειδωτική βλάβη.
- Οι αναγνωρισμένες πρωτεΐνες είναι παρόμοιες με τα μιτοχονδριακά σύμπλοκα III και IV.
- Οι οργανισμοί εμφανίζονται κατά προτίμηση σε κόγχες με παρουσία οξυγόνου.