ช็อกวงการวิทยาศาสตร์! ชีวิตบนโลกอาจเกิดขึ้น ‘สองครั้ง’ แบคทีเรียและอาร์เคียวิวัฒนาการแยกกัน

วิเคราะห์ 420 ปฏิกิริยา พบหลักฐานของ ‘การกำเนิดสองครั้ง’

ทีมวิจัยได้วิเคราะห์ปฏิกิริยาเมตาบอลิซึมที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิต (core metabolic reactions) จำนวน 420 ปฏิกิริยา และพบว่า เอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาเหล่านี้ไม่ได้รับการอนุรักษ์ (conserved) ไว้ข้ามเส้นแบ่งทางวิวัฒนาการระหว่างแบคทีเรียและอาร์เคีย

กล่าวคือ บรรพบุรุษของแบคทีเรียและอาร์เคียได้วิวัฒนาการ ‘เอนไซม์ที่มีโครงสร้างแตกต่างกัน’ ขึ้นมาอย่างอิสระเพื่อทำหน้าที่เดียวกัน นี่เป็นหลักฐานสำคัญที่บ่งชี้ว่าการเปลี่ยนผ่านสู่การเป็นเซลล์อิสระที่มีชีวิตนั้นเกิดขึ้นแยกจากกัน

ศาสตราจารย์วิลเลียม มาร์ติน (William Martin) นักชีววิทยาและหัวหน้าทีมวิจัยกล่าวว่า "ความประหลาดใจคือเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาเหล่านั้นไม่ได้ถูกอนุรักษ์ไว้ข้ามเส้นแบ่งทางวิวัฒนาการ... ข้อมูลใหม่นี้เหลือข้อสรุปเพียงข้อเดียว เรากำลังมองหารหัสพันธุกรรมที่เป็นต้นกำเนิดเดียว แต่มีจุดกำเนิดของสิ่งมีชีวิตสองครั้ง"

นิยามใหม่ของ ‘LUCA’: จากบรรพบุรุษเซลล์เดียว สู่ ‘เอนทิตีก่อนเซลล์’ ที่พึ่งพาโลหะ

การศึกษาไม่ได้โยนแนวคิดเรื่อง LUCA ทิ้งไป แต่กลับให้ความหมายใหม่ LUCA ในบริบทนี้ไม่ใช่ ‘เซลล์อิสระ’ ที่มีชีวิตสมบูรณ์ หากแต่เป็น ‘เอนทิตีก่อนเซลล์’ (pre-cellular entity) ที่มีเอนไซม์สำหรับเร่งปฏิกิริยาเมตาบอลิซึมเพียงประมาณครึ่งหนึ่งของทั้งหมด (420 ปฏิกิริยา)

ส่วนปฏิกิริยาที่เหลืออีกครึ่งหนึ่งถูกเร่งโดย โลหะที่พบได้ตามธรรมชาติในช่องระบายความร้อนใต้ทะเลลึก (hydrothermal vents) เช่น เหล็ก (iron), นิกเกิล (nickel) และโคบอลต์ (cobalt) ทีมวิจัยสามารถสร้างแบบจำลองสี่ขั้นตอนของต้นกำเนิดการเร่งปฏิกิริยาในยุคแรกเริ่ม ได้แก่ (1) การเร่งปฏิกิริยาด้วยโลหะล้วน (Metal-only) (2) การเร่งปฏิกิริยาลูกผสมระหว่างโลหะกับเอนไซม์ใน LUCA และการวิวัฒนาการแยกทางกันไปสู่บรรพบุรุษของ (3) แบคทีเรียและ (4) อาร์เคีย

ฟอสไฟต์ (Phosphite) และ ‘แพลเลเดียม (Palladium)’ แหล่งพลังงานดั้งเดิมก่อนจะมี ATP

มนุษย์เราทราบดีว่าเซลล์สิ่งมีชีวิตใช้ ATP (Adenosine Triphosphate) เป็นแหล่งพลังงานหลัก แต่การสร้าง ATP ต้องอาศัยเอนไซม์ที่ซับซ้อน ซึ่งสิ่งมีชีวิตในยุคแรกเริ่มยังไม่มี ทีมวิจัยค้นพบกลไกทดแทนที่น่าทึ่ง: ฟอสไฟต์ (Phosphite - HPO₃²⁻) ซึ่งเป็นฟอสฟอรัสในรูปแบบรีดิวซ์ที่พบได้ในช่องระบายความร้อนใต้ทะเลลึก

เมื่อฟอสไฟต์ทำปฏิกิริยากับสารประกอบอินทรีย์ต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็น ‘แพลเลเดียมธรรมชาติ’ (Palladium) ซึ่งเป็นโลหะที่พบในช่องระบายความร้อนเช่นกัน จะขับเคลื่อนปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชัน (phosphorylation) ในน้ำได้เอง เกิดเป็นพันธะเคมีที่กักเก็บพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ เปรียบเสมือน ‘แบตเตอรี่’ ดั้งเดิมของเซลล์

มานอน ชลิกเกอร์ (Manon Schlikker) ผู้ร่วมวิจัยกล่าวว่า "ฟอสไฟต์และแพลเลเดียมมาแทนที่ ATP และเอนไซม์ มันน่าทึ่งมาก และทำให้การทำความเข้าใจวิวัฒนาการในยุคแรกเริ่มง่ายขึ้นมาก"

ปรับเค้าโครง ‘ต้นไม้แห่งชีวิต’ ใหม่: จากลำต้นเดียวเป็นสองลำต้น

จากเดิมที่ ‘ต้นไม้แห่งชีวิต’ (Tree of Life) มักมี LUCA เป็นลำต้นหลักเพียงต้นเดียวที่แตกกิ่งก้านสาขาออกไปเป็นสิ่งมีชีวิตทุกชนิด แต่งานวิจัยนี้เสนอรูปแบบที่แตกต่าง: ลำต้นสองต้น (แบคทีเรียและอาร์เคีย) ที่แตกออกจากกันตั้งแต่ยังเป็น ‘ราก’ ก่อนที่จะกลายเป็นสิ่งมีชีวิตที่สมบูรณ์

นั่นหมายความว่า บรรพบุรุษร่วมของทุกชีวิต (LUCA) ไม่ใช่เซลล์ที่มีชีวิตอย่างที่เราเข้าใจ แต่เป็น ‘เอนทิตีก่อนเซลล์’ ที่ต่อมาได้ให้กำเนิดสิ่งมีชีวิตสองสายพันธุ์ใหญ่อย่างอิสระ โดยแต่ละสายพันธุ์ต่างก็ก้าวข้ามขีดจำกัดจากสิ่งไม่มีชีวิตสู่สิ่งมีชีวิตในแบบของตัวเอง

สรุป: จุดเปลี่ยนครั้งสำคัญของวงการวิทยาศาสตร์

การศึกษาครั้งนี้ไม่เพียงท้าทายความเชื่อดั้งเดิมที่ว่าชีวิตมีจุดกำเนิดเดียว แต่ยังเสนอภาพจำลองที่ซับซ้อนและน่าตื่นเต้นยิ่งขึ้น กำเนิดสิ่งมีชีวิตบนโลกอาจไม่ใช่เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเพียงครั้งเดียวหากแต่เป็นกระบวนการสองทาง (two-pronged process) ที่แบคทีเรียและอาร์เคียต่างวิวัฒนาการเพื่อเป็น ‘สิ่งมีชีวิต’ โดยมี LUCA ที่พึ่งพาโลหะเป็นรากฐานร่วมกัน และใช้ฟอสไฟต์กับแพลเลเดียมเป็นแหล่งพลังงานกลไกแรกเริ่ม ก่อนที่จะพัฒนาไปเป็นระบบ ATP ที่ซับซ้อนในเวลาต่อมา