A timeline for evolution of metabolism in early microbes

मानव के पृथ्वी पर चलने से बहुत पहले, और पहले जंगलों या महासागरों के अस्तित्व में आने से बहुत पहले, जैसा कि हम उन्हें जानते हैं, इस ग्रह को सूक्ष्मजीवों ने आकार दिया था। ये शुरुआती सूक्ष्मजीव केवल निवासी नहीं थे; वे हमारी दुनिया के रसायन विज्ञान के वास्तुकार थे। जीवन जीने के लिए उन्होंने जो रासायनिक प्रतिक्रियाएं कीं, उनके माध्यम से उन्होंने गैसें छोड़ीं, चट्टानों को तोड़ा और अंततः वायुमंडल को ऑक्सीजन से भर दिया, जिससे आगे चलकर सभी जटिल जीवन के लिए मंच तैयार हुआ। वैज्ञानिक लंबे समय से इन नन्हे जीवों के इतिहास को जोड़ने का प्रयास कर रहे हैं, विशेष रूप से यह कि उन्होंने विभिन्न प्रकार के चयापचय (मेटाबॉलिज्म)—वे रासायनिक प्रक्रियाएं जो ऊर्जा को जीवन में परिवर्तित करती हैं—करने की क्षमता कब विकसित की। हालाँकि, इसके प्रमाण अक्सर धुंधले होते हैं। अरबों साल पुरानी चट्टानें कभी-कभी इन प्राचीन गतिविधियों का संकेत दे सकती हैं, लेकिन यह रिकॉर्ड अंतराल और अस्पष्टताओं से भरा है। कुछ चयापचय प्रक्रियाएं पत्थर में कोई निशान नहीं छोड़तीं, जिससे शोधकर्ता यह सोचने पर मजबूर हो जाते हैं कि पहले सूक्ष्मजीवों ने खाना, सांस लेना और बढ़ना कैसे सीखा।

इस पहेली को सुलझाने के लिए, एक शोधकर्ता ने आधुनिक जीवन के डिजिटल अभिलेखों की ओर रुख किया है। सैकड़ों जीवित बैक्टीरिया और आर्किया के आनुवंशिक ब्लूप्रिंट का विश्लेषण करके, उन्होंने चयापचय के विकास के लिए एक नया कालक्रम (टाइमलाइन) बनाया है। उनका कार्य बताता है कि ये जीवन-रक्षक रासायनिक प्रक्रियाएं समय के साथ यादृच्छिक रूप से नहीं आईं, बल्कि तीन विशिष्ट लहरों के रूप में आईं। पहली लहर, जो 3.4 बिलियन वर्ष पहले से अधिक समय पहले हुई थी, में ऊर्जा उत्पन्न करने की सरल, ऑक्सीजन-मुक्त विधियां शामिल थीं। दूसरी लहर, जो लगभग 3.2 बिलियन वर्ष पहले शुरू हुई, ने अधिक जटिल प्रक्रियाओं को पेश किया, जिनमें वे प्रक्रियाएं भी शामिल थीं जो अंततः ऑक्सीजन के उपयोग की ओर ले गईं। अंतिम लहर, जो लगभग 1.4 बिलियन वर्ष पहले शुरू हुई, ने चयापचय के विशिष्ट रूपों को जन्म दिया जो कम जीवों में पाए जाते हैं। कंप्यूटर मॉडल और जीवन के इतिहास को मिलाकर बनाया गया यह कालक्रम, प्राचीन चट्टानों में पाए जाने वाले सबसे विश्वसनीय तिथियों के साथ निकटता से मेल खाता है, जो इस बात की स्पष्ट तस्वीर पेश करता है कि हमारा ग्रह रहने योग्य कैसे बना।

शोधकर्ता ने 700 अलग-अलग आधुनिक सूक्ष्मजीवों के आनुवंशिक डेटा को एकत्र करके अपना काम शुरू किया। उन्होंने इन जीनोमों को एक ऐतिहासिक रिकॉर्ड के रूप में माना, यह मानते हुए कि आज जीवित जीवों में मौजूद जीन उनके प्राचीन पूर्वजों से विरासत में मिले हैं। शक्तिशाली कंप्यूटर प्रोग्रामों का उपयोग करके, उन्होंने इन पूर्वजों के आ적인 कार्यों का पुनर्निर्माण किया, प्रभावी रूप से पीछे की ओर काम करते हुए यह अनुमान लगाया कि शुरुआती जीवन रूपों के पास कौन से जीन थे। फिर उन्होंने इन पुनर्गठित जीनों पर दो अलग-अलग कम्प्यूटेशनल उपकरणों को लागू किया। एक उपकरण ने मशीन लर्निंग दृष्टिकोण का उपयोग किया, जिसे आधुनिक जीवों पर प्रशिक्षित किया गया था, ताकि यह अनुमान लगाया जा सके कि क्या एक प्राचीन सूक्ष्मजीव अपने आनुवंशिक मेकअप के आधार पर एक विशिष्ट कार्य कर सकता था। दूसरे उपकरण ने ज्ञात रासायनिक नेटवर्क के विरुद्ध जीनों का मानचित्रण किया ताकि यह देखा जा सके कि क्या किसी विशिष्ट चयापचय पथ के लिए आवश्यक मशीनरी मौजूद है। अपने विकासवादी वृक्ष (इवोल्यूशनरी ट्री) पर इन उपकरणों को चलाकर, वे सटीक रूप से निर्धारित कर सके कि विशिष्ट लक्षण, जैसे कि भोजन को किण्वित (फरमेंट) करने या सल्फर यौगिकों को सांस के रूप में लेने की क्षमता, पहली बार कब प्रकट हुए।

परिणामों ने तीन विकासवादी लहरों का एक स्पष्ट पैटर्न प्रकट किया। सबसे प्रारंभिक लहर, जो 3.4 बिलियन वर्ष पहले से भी अधिक समय पहले शुरू हुई थी, एनारोबिक (अवायवीय) जीवन द्वारा संचालित थी—ऐसे जीव जो ऑक्सीजन के बिना पनपते थे। इन शुरुआती सूक्ष्मजीवों ने ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए किण्वन (फरमेंटेशन) और सल्फर यौगिकों के श्वसन पर भरोसा किया। यह अवधि चट्टानों के रिकॉर्ड में सूक्ष्मजीवों के जीवन के पहले व्यापक रूप से स्वीकृत रासायनिक साक्ष्य के साथ मेल खाती है। दूसरी लहर लगभग 3.2 बिलियन वर्ष पहले शुरू हुई और इसने एरोबिक (वायवीय) विविधीकरण की ओर एक महत्वपूर्ण बदलाव को चिह्नित किया। इस युग में एरोबिक श्वसन का उदय देखा गया, जो ऊर्जा के लिए ऑक्सीजन का उपयोग करने की क्षमता है, जिसके तुरंत बाद एरोबिक वृद्धि का उदय हुआ। इसमें नाइट्रोजन स्थिरीकरण (नाइट्रोजन फिक्सेशन) और ऑक्सीजेनिक प्रकाश संश्लेषण जैसी अन्य जटिल विशेषताओं का आगमन भी शामिल था, वह प्रक्रिया जिसने अंततः उस ऑक्सीजन से वायुमंडल को भर दिया जिसे आज हम सांस लेते हैं। तीसरी लहर, जो लगभग 1.4 बिलियन वर्ष पहले काफी बाद में दिखाई दी, विशेषज्ञता (स्पेशलाइजेशन) द्वारा चिह्नित थी। इस समय के दौरान, सूक्ष्मजीवों ने अत्यधिक विशिष्ट चयापचय क्षमताओं को विकसित किया, जैसे कि सेलेनियम या क्लोरेट को श्वसन के रूप में लेने की क्षमता, जो कम वंशों में पाई जाती हैं और विकास के एक अधिक परिष्कृत चरण का प्रतिनिधित्व करती हैं।

शोधकर्ता ने भूवैज्ञानिक रिकॉर्ड से प्राप्त स्वतंत्र तिथियों के विरुद्ध अपने कंप्यूटर-जनित कालक्रम की विश्वसनीयता का परीक्षण किया। उन्होंने अपने भविष्यवाणियों और प्राचीन चट्टानों से प्राप्त सबसे रूढ़िवादी, व्यापक रूप से स्वीकृत तिथियों के बीच एक मजबूत सहमति पाई। उदाहरण के लिए, उनके मॉडल ने सल्फर-आधारित श्वसन और एरोबिक वृद्धि के उदय की भविष्यवाणी ऐसे समय पर की जो सबसे पुराने विश्वसनीय भू-रासायनिक साक्ष्यों से मेल खाते हैं। यह सहमति बताती है कि उनकी विधि सुदृढ़ है और यह कालक्रम केवल कंप्यूटर मॉडल का उत्पाद नहीं है, बल्कि वास्तविक ऐतिहासिक घटनाओं को दर्शाता है। अध्ययन ने यह भी रेखांकित किया कि चयापचय के कुछ रूप, जो चट्टानों के रिकॉर्ड में कोई निशान नहीं छोड़ते, अब इस आनुवंशिक दृष्टिकोण का उपयोग करके दिनांकित किए जा सकते हैं। यह वैज्ञानिकों को पृथ्वी के इतिहास के रिक्त स्थानों को विवरण के उस स्तर के साथ भरने की अनुमति देता है जो पहले असंभव था।

हालांकि यह कालक्रम एक मजबूत ढांचा प्रदान करता है, शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि यह अंतिम शब्द नहीं है। उनका मॉडल उन एंजाइमों पर निर्भर करता है जो आज मौजूद हैं और उन चयापचय प्रक्रियाओं का लेखा-जोखा नहीं रख सकता जो एंजाइमों के बिना हुईं या उन जीवों द्वारा की गईं जो अब विलुप्त हो चुके हैं। यह सीमा स्पष्ट कर सकती है कि क्यों उनका कालक्रम सुझाव देता है कि कुछ प्रक्रियाएं सबसे पुराने, विवादास्पद भू-रासायनिक संकेतों की तुलना में थोड़ी देरी से प्रकट हुईं। उदाहरण के लिए, मॉडल नाइट्रोजन स्थिरीकरण के उद्भव को कुछ चट्टान साक्ष्यों की तुलना में बाद में रखता है, हालांकि जब शोधकर्ता ने इस बात के मानदंडों को समायोजित किया कि एक पूर्ण चयापचय प्रणाली किसे माना जाए, तो यह तिथि भूवैज्ञानिक रिकॉर्ड के करीब पहुंच गई। इन बारीकियों के बावजूद, यह अध्ययन विभिन्न साक्ष्यों को सफलतापूर्वक समन्वित करता है, जीवाश्म रिकॉर्ड, चट्टानों के रासायनिक इतिहास और जीवन के आनुवंशिक इतिहास को एक साथ लाता है। यह इस बात का एक व्यापक दृष्टिकोण प्रदान करता है कि सूक्ष्मजीव चयापचय का विकास कैसे हुआ, जिसने एक शांत, रासायनिक दुनिया को उस जीवंत, ऑक्सीजन युक्त ग्रह में बदल दिया जिसमें हम आज रहते हैं।