Κάθε ζωντανός οργανισμός στη Γη μπορεί να ανιχνευθεί πίσω σε έναν μοναδικό κοινό πρόγονο που υπήρξε πριν από περίπου τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια. Οι επιστήμονες ονομάζουν αυτόν τον οργανισμό “τελευταίο παγκόσμιο κοινό πρόγονο” (LUCA), και αποτελεί το παλαιότερο σημείο στην εξελικτική ιστορία που οι ερευνητές μπορούν να μελετήσουν αξιόπιστα χρησιμοποιώντας τις τρέχουσες μεθόδους.
Οι μελέτες αυτού του αρχαίου προγόνου δείχνουν ότι πολλά χαρακτηριστικά κοινά στη σημερινή ζωή ήταν ήδη παρόντα, συμπεριλαμβανομένης μιας προστατευτικής κυτταρικής μεμβράνης και ενός γονιδιώματος κατασκευασμένου από DNA. Επειδή αυτά τα βασικά χαρακτηριστικά είχαν ήδη εδραιωθεί μέχρι εκείνη την εποχή, οι επιστήμονες που θέλουν να κατανοήσουν πώς αναπτύχθηκε αρχικά η ζωή πρέπει να κοιτάξουν ακόμη πιο πίσω, σε εξελικτικά γεγονότα που συνέβησαν πριν υπάρξει αυτός ο κοινός πρόγονος.
Γονίδια που προηγούνται κάθε γνωστής ζωής
Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε σήμερα (5 Φεβρουαρίου) στο περιοδικό Cell Genomics, οι επιστήμονες Aaron Goldman (Oberlin College), Greg Fournier (MIT) και Betül Kaçar (University of Wisconsin-Madison) περιγράφουν μια προσέγγιση για τη διερεύνηση αυτού του προγενέστερου κεφαλαίου στην ιστορία της ζωής. «Ενώ ο τελευταίος παγκόσμιος κοινός πρόγονος είναι ο αρχαιότερος οργανισμός που μπορούμε να μελετήσουμε με εξελικτικές μεθόδους», δήλωσε ο Goldman, «ορισμένα από τα γονίδια στο γονιδίωμά του ήταν πολύ παλαιότερα».
Η ομάδα επικεντρώνεται σε μια ειδική κατηγορία γονιδίων που ονομάζονται «παγκόσμια παράλογα», τα οποία διατηρούν αποδείξεις βιολογικών αλλαγών που συνέβησαν πριν από τον τελευταίο παγκόσμιο κοινό πρόγονο. Ένα παράλογο γονίδιο αναφέρεται σε μια ομάδα σχετικών γονιδίων που εμφανίζονται πολλές φορές μέσα στο ίδιο γονιδίωμα. Στους ανθρώπους, για παράδειγμα, υπάρχουν οκτώ διαφορετικά γονίδια αιμοσφαιρίνης, τα οποία παράγουν πρωτεΐνες που μεταφέρουν οξυγόνο μέσω της κυκλοφορίας του αίματος.
Αυτά τα γονίδια προήλθαν από ένα μοναδικό προγονικό γονίδιο σφαιρίνης που υπήρχε πριν από περίπου 800 εκατομμύρια χρόνια. Με την πάροδο του χρόνου, σφάλματα αντιγραφής κατά τον διπλασιασμό του DNA δημιούργησαν επιπλέον εκδοχές του γονιδίου, και κάθε αντίγραφο σταδιακά ανέπτυξε μοναδικά χαρακτηριστικά.
Τι κάνει τα παγκόσμια παράλογα γονίδια ξεχωριστά
Τα παγκόσμια παράλογα είναι πολύ πιο ασυνήθιστα. Πρόκειται για γονιδιακές οικογένειες που εμφανίζονται σε τουλάχιστον δύο αντίγραφα σε σχεδόν κάθε ζωντανό οργανισμό στη Γη. Αυτή η ευρεία εξάπλωση υποδηλώνει σθεναρά ότι ο αρχικός διπλασιασμός του γονιδίου συνέβη πριν από την εμφάνιση του τελευταίου παγκόσμιου κοινού προγόνου.
Στη συνέχεια, και τα δύο αντίγραφα κληροδοτήθηκαν μέσω αμέτρητων γενεών, επιβιώνοντας μέσα από δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης. Εξαιτίας αυτού, οι συγγραφείς υποστηρίζουν ότι τα παγκόσμια παράλογα γονίδια προσφέρουν έναν ισχυρό, αλλά σε μεγάλο βαθμό παραβλεφθέντα τρόπο μελέτης των πρώτων σταδίων της ζωής στη Γη.
Αυτή η ευκαιρία γίνεται ολοένα και πιο σημαντική, καθώς οι πρόοδοι στην τεχνητή νοημοσύνη και το εξειδικευμένο υπολογιστικό υλικό καθιστούν δυνατή την ανάλυση αρχαίων γενετικών προτύπων με μεγαλύτερη ακρίβεια. «Αν και τα παγκόσμια παράλογα γονίδια που γνωρίζουμε είναι ελάχιστα και πολύτιμα», λέει ο Goldman, «μπορούν να μας δώσουν πολλές πληροφορίες για το πώς ήταν η ζωή πριν από την εποχή του τελευταίου παγκόσμιου κοινού προγόνου».
Ο Fournier προσθέτει: «Η ιστορία αυτών των παγκόσμιων παραλόγων είναι η μόνη πληροφορία που θα έχουμε ποτέ για αυτές τις πρώιμες κυτταρικές γραμμές, και γι’ αυτό πρέπει να εξαγάγουμε προσεκτικά όσο το δυνατόν περισσότερη γνώση από αυτά».
Ενδείξεις για τα πρώτα κύτταρα
Στην μελέτη τους, οι Goldman, Fournier και Kaçar εξέτασαν κάθε γνωστό παγκόσμιο παράλογο γονίδιο που έχει ταυτοποιηθεί μέχρι σήμερα. Όλα αυτά τα γονίδια εμπλέκονται είτε στη σύνθεση πρωτεϊνών είτε στη μεταφορά μορίων μέσω των κυτταρικών μεμβρανών.
Αυτό το εύρημα υποδηλώνει ότι η παραγωγή πρωτεϊνών και η μεμβρανική μεταφορά ήταν από τις πρώτες βιολογικές λειτουργίες που εξελίχθηκαν. Οι ερευνητές τονίζουν επίσης τη σημασία της ανακατασκευής των αρχικών μορφών αυτών των αρχαίων γονιδίων.
Σε ένα παράδειγμα, το εργαστήριο του Goldman στο Oberlin εξέτασε μια οικογένεια παγκόσμιων παραλόγων που βοηθά στην εισαγωγή ενζύμων και άλλων πρωτεϊνών στις κυτταρικές μεμβράνες. Χρησιμοποιώντας καθιερωμένες μεθόδους από την εξελικτική και την υπολογιστική βιολογία, η ομάδα αναδημιούργησε την πρωτεΐνη που παρήγαγε το αρχικό προγονικό γονίδιο.
Η ανάλυσή τους έδειξε ότι αυτή η απλούστερη, αρχαία πρωτεΐνη μπορούσε ακόμα να προσκολλάται στις κυτταρικές μεμβράνες και να αλληλεπιδρά με τον μηχανισμό που συνθέτει τις πρωτεΐνες. Πιθανότατα βοηθούσε τις πρώιμες, βασικές πρωτεΐνες να ενσωματωθούν στις πρωτόγονες κυτταρικές μεμβράνες, προσφέροντας μια εικόνα για το πώς μπορεί να λειτουργούσαν τα πρώτα κύτταρα.
Ένα νέο μονοπάτι προς τις απαρχές της ζωής
Οι συγγραφείς ελπίζουν ότι οι συνεχείς βελτιώσεις στα υπολογιστικά εργαλεία θα επιτρέψουν στους επιστήμονες να εντοπίσουν επιπλέον οικογένειες παγκόσμιων παραλόγων και να μελετήσουν τους αρχαίους προγόνους τους με ακόμη μεγαλύτερη λεπτομέρεια.
«Ακολουθώντας τα παγκόσμια παράλογα», λέει η Kaçar, «μπορούμε να συνδέσουμε τα πρώτα βήματα της ζωής στη Γη με τα εργαλεία της σύγχρονης επιστήμης. Μας δίνουν την ευκαιρία να μετατρέψουμε τα βαθύτερα άγνωστα σημεία της εξέλιξης και της βιολογίας σε ανακαλύψεις που μπορούμε πραγματικά να ελέγξουμε».
Στόχος τους είναι να οικοδομήσουν μια σαφέστερη εικόνα της εξέλιξης πριν από τον τελευταίο παγκόσμιο κοινό πρόγονο, ρίχνοντας φως στη στιγμή που η ζωή, όπως τη γνωρίζουμε, άρχισε για πρώτη φορά να παίρνει μορφή.