A timeline for evolution of metabolism in early microbes

قبل وقت طويل من سريان البشر على الأرض، وقبل وقت طويل من وجود الغابات أو المحيطات كما نعرفها اليوم، كان الكوكب مشكلاً بواسطة حياة مجهرية. لم تكن هذه الميكروبات المبكرة مجرد سكان، بل كانت المهندسين المعماريين لكيمياء عالمنا. فمن خلال التفاعلات الكيميائية التي قاموا بها للبقاء على قيد الحياة، أطلقوا غازات، وفتتوا الصخور، وملأوا الغلاف الجوي بالأكسجين في نهاية المطوات، مما مهد الطريق لكل أشكال الحياة المعقدة التي تلت ذلك. لقد حاول العلماء طويلاً تجميع تاريخ هذه الكائنات الحية الدقيقة، وتحديداً متى طورت القدرة على أداء أنواع مختلفة من الأيض (الاستقلاب)—وهي العمليات الكيميائية التي تحول الطاقة إلى حياة. ومع ذلك، غالباً ما يكون الدليل باهتاً؛ إذ يمكن للصخور من مليارات السنين أن تلمح أحياناً إلى هذه الأنشطة القديمة، لكن السجل مليء بالفجوات والغموض. فبعض العمليات الأيضية لا تترك أي أثر في الحجر على الإطلاق، مما يترك الباحثين يتساءلون متى وكيف تعلمت أول الميكروبات كيف تأكل، وتتنفس، وتنمو.

ولحل هذا اللغز، لجأ أحد الباحثين إلى الأرشيفات الرقمية للحياة الحديثة. فمن خلال تحليل المخططات الجينية لمئات الأنواع من البكتيريا والعتائق (Archaea) الحية، بنى جدولاً زمنياً جديداً لتطور الأيض. ويشير عمله إلى أن هذه العمليات الكيميائية الداعمة للحياة لم تظهر عشوائياً بمرور الوقت، بل جاءت في ثلاث موجات متميزة. الموجة الأولى، التي حدثت قبل أكثر من 3.4 مليار سنة، تضمنت طرقاً بسيطة خالية من الأكسجين لتوليد الطاقة. أما الموجة الثانية، التي بدأت حوالي 3.2 مليار سنة، فقد قدمت عمليات أكثر تعقيداً، بما في ذلك تلك التي أدت في النهاية إلى استخدام الأكسجين. وجاءت الموجة الثالثة والأخيرة، التي بدأت منذ حوالي 1.4 مليار سنة، حاملة معها أشكالاً متخصصة من الأيض توجد في عدد أقل من الكائنات الحية. وهذا الجدول الزمني، الذي تم بناؤه عبر دمج النماذج الحاسوبية مع تاريخ الحياة، يتوافق بشكل وثيق مع التواريخ الأكثر موثوقية الموجودة في الصخور القديمة، مما يقدم صورة أوضح لكيفية جعل كوكبنا صالحاً للسكن.

بدأ الباحث عمله بجمع البيانات الجينية لـ 700 نوع مختلف من الميكروبات الحديثة. وقد عامل هذه الجينومات كسجل تاريخي، مفترضاً أن الجينات الموجودة في الكائنات الحية اليوم قد ورثتها من أسلافها القدامى. وباستخدام برامج حاسوبية قوية، أعاد بناء الوظائف الجينية لهذه الأسلاف، حيث عمل فعلياً بشكل عكسي للتنبؤ بالجينات التي امتلكتها أوائل أشكال الحياة. ثم طبق أداتين حاسوبيتين على هذه الجينات المعاد بناؤها. استخدمت إحدى الأداتين نهج التعلم الآلي، المدرب على الكائنات الحديثة، لتخمين ما إذا كان بإمكان ميكروب قديم أداء مهمة محددة بناءً على تركيبته الجينية. أما الأداة الثانية، فقد قامت بمطابقة الجينات مقابل الشبكات الكيميائية المعروفة لمعرفة ما إذا كانت الآلية اللازمة لمسار أيضي معين موجودة أم لا. ومن خلال تشغيل هذه الأدوات عبر شجرة التطور الخاصة بهم، تمكنوا من تحديد متى ظهرت سمات معينة لأول مرة، مثل القدرة على تخمير الغذاء أو تنفس مركبات الكبريت.

وكشفت النتائج عن نمط واضح من ثلاث موجات تطورية. كانت الموجة الأولى، التي بدأت قبل أكثر من 3.4 مليار سنة، تهيمن عليها الحياة اللاهوائية—وهي الكائنات التي ازدهرت بدون أكسجين. اعتمدت هذه الميكروبات المبكرة على التخمير وتنفس مركبات الكبريت لتوليد الطاقة. ويتزامن هذا الفتر مع أول دليل كيميائي مقبول على نطاق واسع للميكروبات في سجل الصخور. وبدأت الموجة الثانية حوالي 3.2 مليار سنة، وشكلت تحولاً كبيراً نحو التنوع الهوائي. شهد هذا العصر ظهور التنفس الهوائي، أي القدرة على استخدام الأكسجين للطاقة، تلاه بوقت قصير ظهور النمو الهوائي. كما تضمن ظهور سمات معقدة أخرى مثل تثبيت النيتروجين والتمثيل الضوئي الأكسجيني، وهي العملية التي ملأت الغلاف الجوي بالأكسجين الذي نتنفسه اليوم. أما الموجة الثالثة، التي ظهرت في وقت لاحق بكثير عند حوالي 1.4 مليار سنة، فقد اتسمت بالتخصص. خلال هذا الوقت، طورت الميكروبات قدرات أيضية محددة للغاية، مثل القدرة على تنفس السيلينيوم أو الكلورات، وهي قدرات توجد في سلالات أقل وتمثل مرحلة أكثر دقة من التاريخ التطوري.

اختبر الباحث مدى موثوقية الجدول الزمني الذي أنشأه الحاسوب من خلال مقارنته بالتواريخ المستمدة من السجل الجيولوجي المستقل. ووجد توافقاً قوياً بين توقعاته وبين التواريخ الأكثر تحفظاً ومقبولية من الصخور القديمة. فعلى سبيل المثال، توقع نموذجه ظهور التنفس القائم على الكبريت والنمو الهوائي في أوقات تتطابق مع أقدم الأدلة الجيوكيميائية الموثوقة. ويشير هذا الاتفاق إلى أن منهجه قوي وأن الجدول الزمني ليس مجرد نتاج للنماذج الحاسوبية، بل يعكس أحداثاً تاريخية حقيقية. كما سلطت الدراسة الضوء على أن بعض أشكال الأيض، التي لا تترك أثراً في سجل الصخور، يمكن الآن تأريخها باستخدام هذا النهج الجيني، مما يسمح للعلماء بملء الفجوات في تاريخ الأرض بمستوى من التفصيل كان مستحيلاً في السابق.

وبينما يوفر هذا الجدول الزمني إطاراً قوياً، يقر الباحث بأنه ليس الكلمة الأخيرة. فنموذجه يعتمد على الإنزيمات الموجودة اليوم ولا يمكنه مراعاة العمليات الأيضية التي حدثت بدون إنزيمات أو تلك التي قامت بها كائنات انقرضت منذ زمن بعيد. وقد يفسر هذا القصور سبب ظهور بعض العمليات في جدولهم الزمني في وقت لاحق قليلاً من أقدم الإشارات الجيوكيميائية المثيرة للجدل. فعلى سبيل المثال، يضع النموذج أصل تثبيت النيتروجين في وقت لاحق مما يشير إليه بعض الأدلة الصخرية، رغم أن التاريخ يقترب من السجل الجيولوجي عندما عدل الباحث معاييره لما يعتبر نظاماً أيضياً كاملاً. ورغم هذه الفروق الدقيقة، نجحت الدراسة في التوفيق بين مختلف الأدلة، حيث جمعت بين سجل الأحافير، والتاريخ الكيميائي للصخور، والتاريخ الجيني للحياة. إنها تقدم رؤية شاملة لكيفية تطور الأيض الميكروبي، محولةً عالماً كيميائياً صامتاً إلى كوكب نابض بالحياة وغني بالأكسجين كما نعيشه اليوم.