محققان فرایندهای زیستی برخی انواع اولیه حیات در زمین را بازسازی کرده‌اند. این پیشرفت علمی می‌تواند در پیدا کردن حیات در سیاره‌های دیگری که جوی شبیه دوران اولیه زمین دارند، مفید باشد.

پژوهشگران از جمله محققان دانشگاه کالیفرنیا (یوسی) واقع در ریورساید ایالات متحده می‌گویند انواع اولیه حیات در زمین شامل باکتری‌ها و موجودات تک‌سلولی موسوم به آرکئا در سیاره‌ای می‌زیستند که سطح عمده‌اش را اقیانوس پوشانده بود و لایه اوزون نداشت تا از آن‌ها در برابر تابش خورشید محافظت کند.

این میکروب‌ها پروتئین‌هایی به نام رودوپسین داشتند که می‌تواند نور خورشید را به انرژی تبدیل کند تا از آن برای انرژی فعالیت‌های سلولی استفاده کند.

رودوپسین با سلول‌های استوانه‌ای (rods) و مخروطی چشم انسان پیوند دارد؛ یاخته‌هایی که انسان را به تشخیص روشنایی از تاریکی و دیدن رنگ‌ها قادر می‌کند و لابه‌لای ارگانیسم‌ها و محیط‌های امروزی همچون حوضچه‌های نمک که طیفی رنگین‌کمانی از رنگ‌های زنده را به نمایش می‌گذارد، پخش شد‌ه‌اند.

در این مطالعه جدید که اخیرا در نشریه «مولوکولار بیولوژی اند اوولوشن» (Molecular Biology and Evolution) منتشر شد، محققان با استفاده از هوش مصنوعی توالی واحدهای سازنده پروتئین رودوپسین را از سراسر جهان بررسی و نحوه تکامل آن‌ها را در طول زمان ردیابی کردند.

آنان سپس نوعی شجره‌نامه خانوادگی ترسیم کردند که به آنان امکان داد این پروتئین را در بازه ۲.۵ تا چهار میلیارد سال پیش و شرایط احتمالی‌ زندگی‌اش را در آغاز پیدایش حیات بر زمین، بازسازی کنند.

ادوارد شویترمن، از نویسندگان این مطالعه و فضازیست‌شناس دانشگاه کالیفرنیای ریورساید، در بیانیه‌ای گفت: «احتمالا در آغاز پیدایش زمین، انرژی بسیار کم بود. باکتری‌ها و آرکئاها چگونگی استفاده از انرژی فراوان خورشید را بدون مولکول‌های زیستی پیچیده موردنیاز برای فتوسنتز کشف کردند.»

شاید میکروب‌های باستانی بتوانند در پیدا کردن انواع حیات خارج از زمین مفید باشند. بیشتر بدانید#ucr #ucriverside

@ucr_ep_sci @cnas https://t.co/gTtVqKfDNJ

دانشگاه کالیفرنیای ریورساید(@UCRiverside)، ۲۷ ژوئن ۲۰۲۲

نسخه‌های امروزی این پروتئین نورهای آبی، سبز، زرد و نارنجی را جذب می‌کند اما محققان می‌گویند رودوپسین‌های باستانی طوری تنظیم شده بودند که بیشتر نورهای آبی و سبز را جذب می‌کردند.

بتول کاچار، نویسنده اصلی این مطالعه از دانشگاه ویسکانسین مدیسون، گفت: «آنچه ما حیات می‌نامیم، همان‌قدر که نمود شرایط سیاره ما است که نمود خود حیات است. ما رشته‌های باستانی دی‌ان‌ای یک مولکول را احیا کردیم و توانستیم این موضوع را به زیست‌شناسی و محیط گذشته پیوند دهیم.»

محققان می‌گویند میکروب‌های میلیاردها ساله‌ در زمین باستان بدون بهره‌مندی از لایه اوزون، چندین متر پایین‌تر از سطح آب زندگی می‌کردند تا در برابر تابش شدید پرتو فرابنفش خورشید (UVB ) بر سطح آب از خود محافظت کنند.

آنان می‌گویند رودوپسین‌های اولیه ابتدا نور آبی و سبز را جذب می‌کردند که بیشترین میزان نفوذ در آب را دارند.

دکتر شوایترمن گفت: «این بهترین ترکیب برای حفاظت از خود و در عین حال جذب نور برای تبدیل آن به انرژی بود.»

محققان می‌گویند از بیش از دو میلیارد سال پیش که مقدار اکسیژن جو زمین کم‌کم رو به فزونی گذاشت، رودوپسین‌ها هم رفته‌رفته تکامل یافتند و رنگ‌های دیگر نور را هم جذب کردند.

نسخه‌های امروزی این پروتئین رنگ‌هایی از نور را جذب می‌کنند که رنگدانه‌های سبزینه (کلروفیل) گیاهان قادر به جذب آن‌ها نیست.

دکتر شو‌یترمن می‌گوید: «این نشانگر تکامل مشترک است که در آن، یک گروه از ارگانیسم‌ها از نوری که دیگری جذب نکرده است، بهره‌برداری می‌کند. این می‌تواند به علت آن باشد که رودوپسین‌ها اول پدید آمدند و نور سبز را جدا کردند و بنابراین کلروفیل‌ها بعد پدید آمدند و بقیه را جذب کردند. یا ممکن است برعکس این رخ داده باشد. »

محققان امیدوارند با مطالعات بیشتر بتوانند رودوپسین‌های مدل را با استفاده از روش‌های زیست‌شناسی مصنوعی در آزمایشگاه احیا کنند.

دکتر کاچار می‌گوید: «روی دی‌ان‌ای باستانی درون ژنگان‌های نوین عملیات مهندسی انجام دادیم و طوری این میکروب‌ها را برنامه‌ریزی مجدد کردیم که به گونه‌ای رفتار کنند که گمان می‌کنیم میلیون‌ها سال قبل رفتار کردند. رودوپسین نامزدی عالی برای مطالعات آزمایشگاهی سفر در زمان است.»

محققان همچنین امیدوارند شناخت جدید خود را برای جست‌وجوی آسمان به منظور یافتن نشانه‌های حیات در سیارات دیگر به کار گیرند.

به گفته آن‌ها، ویژگی‌های پروتئین رودوپسین شامل سادگی ساختاری و تنوع کارکردی سبب می‌شود به بستری آزمایشی برای ارزیابی مولکول‌های نشانگر حیات در سایر «سیارات» بالقوه‌ «تحت سیطره میکروب‌ها» تبدیل شود.

دکتر شو‌یترمن می‌گوید: «زمین اولیه در مقایسه با جهان امروز ما یک محیط بیگانه به شمار می‌آید. شناخت چگونگی تغییر ارگانیسم‌ها در گذر زمان و در محیط‌های مختلف به ما درباره چگونگی جست‌وجو و شناختن حیات در جاهای دیگر نکات مهمی یاد می‌دهد.»