هل نشأت الحياة على الأرض مرتين؟ دراسة جذرية تعيد صياغة قصة أصل الحياة

ولخّص الباحث الرئيسي ويليام مارتن الفكرة بقوله: «نحن أمام أصل واحد للشفرة الجينية، لكن أصلين للحياة» .

LUCA ربما لم يكن «حيًا» بالمعنى الكامل

تضع التصورات التقليدية لـ LUCA كائنًا واحدًا عند قاعدة شجرة الحياة، تتفرع منه جميع السلالات اللاحقة. إلا أن الدراسة الجديدة ترسم مشهدًا مختلفًا.

قارن الفريق جينومات من المجموعات الرئيسية للبكتيريا والعتائق، وتتبع أصل الإنزيمات التي تدير عمليات الأيض الأساسية؛ وهي مجموعة التفاعلات الكيميائية اللازمة لبناء الأحماض الأمينية وقواعد RNA والعوامل المساعدة من جزيئات بسيطة مثل الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون والأمونيا والفوسفات .

وأظهر التحليل أن LUCA امتلك إنزيمات لنحو نصف التفاعلات الأيضية الأساسية البالغ عددها قرابة 420 تفاعلًا. أما النصف الآخر، فربما لم تعالجه الإنزيمات، بل حفّزته معادن كانت موجودة طبيعيًا في بيئات الفتحات الحرارية المائية، مثل الحديد والنيكل والكوبالت .

وبذلك، لم يكن LUCA قادرًا على تشغيل أيضه بصورة مستقلة تمامًا من دون مساعدة خارجية. ووفق هذا التصور، لم يكن خلية حرة مكتملة، بل مرحلة انتقالية بين الكيمياء الجيولوجية والخلايا الحية المستقلة.

وقال مارتن لـ Scientific American: «المفاجأة هي أن الإنزيمات التي تحفّز تلك التفاعلات ليست محفوظة عبر الفاصل التطوري الذي يفصل البكتيريا عن العتائق» .

أربع مراحل للانتقال من الكيمياء إلى الأيض

أعاد الباحثون بناء تطور التحفيز الكيميائي في أربع مراحل رئيسية، تمتد من التفاعلات غير الحية إلى الخلايا الحديثة :

1. مرحلة التفاعلات المحفَّزة بالمعادن فقط: كانت المعادن غير العضوية تحفّز التفاعلات الأيضية البسيطة في البيئة البدائية.
2. مرحلة هجينة من المعادن والإنزيمات: ظهر LUCA بامتلاكه بعض الإنزيمات البدائية، لكنه ظل يعتمد على المعادن البيئية في عدد من التفاعلات الأساسية.
3. مرحلة التفرع: بدأت أسلاف البكتيريا والعتائق في الانفصال، وحملت كل سلالة جزءًا من الأدوات الإنزيمية المحدودة التي كانت متاحة لدى LUCA.
4. التطور المستقل للإنزيمات: طورت البكتيريا والعتائق إنزيمات جديدة، ومختلفة بنيويًا، لتحل محل المحفزات المعدنية المفقودة؛ فتوصلت كل سلالة إلى حل منفصل للمشكلات الأيضية نفسها .

ويُعد هذا التطور المستقل للإنزيمات جوهر الدليل الذي يستند إليه الباحثون للقول إن البكتيريا والعتائق انتقلتا إلى نمط الحياة الحرة القادرة على إعالة نفسها بعد انفصال مساريهما التطوريين، وليس عبر خطوة واحدة مشتركة .

كيف حصل الأيض المبكر على الطاقة قبل ATP؟

تعتمد الخلايا الحديثة على جزيء أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) بوصفه ناقل الطاقة الأساسي فيها. لكن ATP جزيء معقد تصنعه الإنزيمات، ولذلك لم يكن متاحًا على الأرض المبكرة قبل ظهور الأنظمة الإنزيمية.

تقترح الدراسة مرشحًا كيميائيًا لافتًا هو الفوسفيت، وهو شكل من أشكال الفوسفور يمكن أن يوجد في بيئات الفتحات الحرارية المائية. فعندما يتفاعل الفوسفيت مع مركبات عضوية بوجود معدن البلاديوم الموجود طبيعيًا، يمكن أن يقود تفاعلات الفسفرة الأيضية في الماء.

وربما أتاح هذا النظام تشغيل بعض عمليات الأيض المبكرة قبل ظهور الإنزيمات وATP، ووفّر مسارًا محتملًا يربط بين كيمياء الأرض الجيولوجية والكيمياء الحيوية . لكن وجود هذا المسار في البيئة القديمة، ودوره الفعلي في نشأة الحياة، لم يُثبت بعد بصورة نهائية.

شجرة الحياة قد تكون أقرب إلى شجيرة

في التصور التقليدي، يقف LUCA عند جذع واحد تنبثق منه فروع الحياة كلها. أما النتائج الجديدة فتقترح إعادة رسم هذا التصور :

• أصل واحد للشفرة الجينية: تشترك الكائنات الحية في نظام جيني أساسي واحد، يشمل DNA وRNA وآلية بناء البروتينات، ويرتبط بإرث مشترك من LUCA.
• أصلان للحياة الحرة: ربما حدث الانتقال من الكيمياء غير الحية إلى خلايا مستقلة قادرة على إعالة نفسها مرتين بشكل منفصل، مرة في السلالة البكتيرية ومرة في السلالة العتائقية.

لذلك، قد تكون «شجرة الحياة» أقرب إلى شجيرة ذات جذعين رئيسيين يخرجان من قاعدة مشتركة غير حية، بدلًا من شجرة ذات جذع واحد نشأت منه كل أشكال الحياة مباشرة.

ويقول مؤلفو الدراسة إن البيانات الجديدة لا تترك، من وجهة نظرهم، سوى استنتاج واحد: «انتقلت السلالتان البكتيرية والعتائقية بشكل مستقل إلى حالة الحياة الحرة. والخلايا الحرة وحدها هي الحية. لنسمِّ الأشياء بأسمائها: نحن أمام أصل واحد للشفرة الجينية، لكن أصلين للحياة» .

ماذا تعني النتيجة للبحث عن حياة خارج الأرض؟

إذا كان الانتقال إلى الحياة الحرة قد حدث أكثر من مرة على الأرض، فقد يفتح ذلك أسئلة مهمة في علم الأحياء الفلكي. فربما تكون القفزة من الكيمياء غير الحية إلى الخلايا الحية أسهل مما كان يُعتقد، أو ربما لا تحدث إلا في ظروف بيئية دقيقة للغاية، مثل الكيمياء الغنية بالمعادن في الفتحات الحرارية المائية .

وتظل النتيجة في الحالتين غير حاسمة بشأن فرص وجود حياة في أماكن أخرى؛ إذ تعتمد الإجابة على مدى شيوع تلك الظروف، وعلى قدرة التفاعلات الكيميائية المقترحة على إنتاج أنظمة مستقلة ومستقرة.

تحفظات وأسئلة مفتوحة

رغم أهمية الدراسة، فإن استنتاجاتها ليست نهائية. يعتمد التحليل بدرجة كبيرة على بيانات جينومية من البكتيريا، في حين أن عينات جينومات العتائق أقل شمولًا، وهو ما قد يؤثر في الصورة التطورية المستخلصة.

كما أن دور الفوسفيت والبلاديوم في الأيض المبكر لا يزال نموذجًا كيميائيًا محتملًا، وليس مسارًا قديمًا مثبتًا بشكل مباشر . ولم تُجرَ بعد تجارب مخبرية تعرض الانتقال الكامل من تفاعلات محفَّزة بالمعادن إلى أيض تقوده الإنزيمات داخل نظام اصطناعي.

مع ذلك، تقدم الدراسة واحدة من أكثر المحاولات تفصيلًا لإعادة بناء الطريقة التي تجمعت بها الشبكات الأيضية الأولى. وهي توحي بأن أصل الحياة ربما كان أكثر فوضوية واعتمادًا على الظروف المحيطة، وفي الوقت نفسه أكثر إثارة مما افترضته الرواية التقليدية.