بالنسبة للغالبية العظمى من الحيوانات على الأرض ، فإن التنفس مرادف للحياة. مع ذلك ، خلال أول 2 مليار سنة من وجود كوكبنا ، كان الأكسجين في حالة نادرة.
هذا لا يعني أن الأرض كانت بلا حياة طوال ذلك الوقت ، ولكن تلك الحياة كانت نادرة ومختلفة تمامًا عما نعرفه اليوم.
فقط عندما دخلت بكتيريا أكثر تعقيدًا قادرة على التمثيل الضوئي إلى المشهد ، بدأ كل شيء يتغير ، مما أطلق ما يسميه العلماء حدث الأكسدة العظيم. لكن متى حدث كل هذا؟ وكيف هز كل هذا؟
قدمت تقنية جديدة لتحليل الجينات تلميحات لجدول زمني جديد. تشير التقديرات إلى أن البكتيريا استغرقت 400 مليون سنة من التهام أشعة الشمس ونفث الأكسجين قبل أن تزدهر الحياة حقًا.
بعبارة أخرى ، من المحتمل وجود كائنات حية على كوكبنا قادرة على التمثيل الضوئي قبل وقت طويل من حدث الأكسدة العظيم.
“في التطور ، تبدأ الأشياء دائمًا صغيرة ،” يشرح عالم الجيولوجيا جريج فورنييه من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
“على الرغم من وجود أدلة على عملية التمثيل الضوئي المبكرة للأكسجين – والتي تعد أهم ابتكار تطوري مذهل حقًا على الأرض – إلا أن الأمر استغرق مئات الملايين من السنين حتى تنطلق.”
يوجد حاليًا روايتان متنافستان لشرح تطور التمثيل الضوئي في البكتيريا الخاصة المعروفة باسم البكتيريا الزرقاء. يعتقد البعض أن العملية الطبيعية لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة قد ظهرت في المشهد التطوري في وقت مبكر جدًا ، لكنها تطورت مع “فتيل بطيء”. يعتقد البعض الآخر أن عملية التمثيل الضوئي قد تطورت فيما بعد ولكنها “انطلقت كالنار في الهشيم”.
يعود جزء كبير من الخلاف إلى الافتراضات المتعلقة بالسرعة التي تتطور بها البكتيريا ، والتفسيرات المختلفة لسجل الحفريات.
لذا أضاف فورنييه وزملاؤه شكلاً آخر من أشكال التحليل إلى هذا المزيج. في حالات نادرة ، يمكن للبكتيريا في بعض الأحيان أن ترث الجينات ليس من والديها ، ولكن من الأنواع الأخرى ذات الصلة البعيدة. يمكن أن يحدث هذا عندما “تأكل” خلية أخرى وتدمج جينات الأخرى في جينومها.
يمكن للعلماء استخدام هذه المعلومات لمعرفة الأعمار النسبية للمجموعات البكتيرية المختلفة ؛ على سبيل المثال ، يجب أن يكون أولئك الذين لديهم جينات مسروقة قد قاموا بقرصها من نوع كان موجودًا في نفس الوقت.
يمكن مقارنة هذه العلاقات بعد ذلك بمحاولات تأريخ أكثر تحديدًا ، مثل نماذج الساعة الجزيئية ، التي تستخدم التسلسل الجيني للكائنات لتتبع تاريخ التغيرات الجينية.
تحقيقا لهذه الغاية ، قام الباحثون بتمشيط جينومات آلاف الأنواع البكتيرية ، بما في ذلك البكتيريا الزرقاء. كانوا يبحثون عن حالات نقل الجينات الأفقي.
في المجموع ، حددوا 34 مثالًا واضحًا. عند مقارنة هذه الأمثلة بستة نماذج ساعة جزيئية ، وجد المؤلفون واحدًا على وجه الخصوص أكثر ملاءمة باستمرار. باختيار هذا النموذج من المزيج ، أجرى الفريق تقديرات لمعرفة مدى عمر البكتيريا التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي.
تشير النتائج إلى أن جميع أنواع البكتيريا الزرقاء التي تعيش اليوم لها سلف مشترك كان موجودًا منذ حوالي 2.9 مليار سنة. وفي الوقت نفسه ، أسلاف أولئك تشعبت أسلاف من البكتيريا غير الضوئية منذ ما يقرب من 3.4 مليار سنة.
ربما تطور التمثيل الضوئي في مكان ما بين هذين التاريخين.
وفقًا للنموذج التطوري المفضل للفريق ، ربما كانت البكتيريا الزرقاء تقوم بعملية التمثيل الضوئي قبل 360 مليون سنة على الأقل من المدار الأرضي التزامني. إذا كانوا على حق ، فهذا يدعم فرضية “الانصهار البطيء”.
“تلقي هذه الورقة الجديدة ضوءًا جديدًا أساسيًا على تاريخ أكسجة الأرض من خلال ربط سجل الحفريات ، بطرق جديدة ، ببيانات الجينوم ، بما في ذلك عمليات نقل الجينات الأفقية ،” يقول عالم الكيمياء الجيولوجية الحيوية تيموثي ليونز من جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد.
“تتحدث النتائج عن بدايات إنتاج الأكسجين البيولوجي وأهميته البيئية ، بطرق توفر قيودًا حيوية على الأنماط والضوابط على الأوكسجين المبكر للمحيطات والتراكم اللاحق في الغلاف الجوي.”
يأمل المؤلفون في استخدام تقنيات تحليل جيني مماثلة لتحليل الكائنات الحية غير البكتيريا الزرقاء في المستقبل.
تم نشر الدراسة في وقائع الجمعية الملكية ب.
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”
