מולקולות מאובנות חושפות עולם אבוד של חיים עתיקים | מגזין קוונטה

לעץ יש משהו במשותף עם העשבים השוטים והפטריות הצומחות סביב שורשיו, הסנאים הממהרים במעלה הגזע שלו, הציפורים יושבות על ענפיו והצלם מצלם את הסצנה. לכולם יש גנומים ומכונות סלולריות ארוזים בקפידה בתאים הקשורים לממברנה, מערכת ארגונית שממקמת אותם בקבוצה מצליחה מאוד של צורות חיים הנקראות אוקריוטים.

ההיסטוריה המוקדמת של האוקריוטים מרתקת מזמן מדענים שכמהים להבין מתי התחילו החיים המודרניים וכיצד הם התפתחו. אבל המעקב אחר האיקריוטים המוקדמים ביותר לאורך ההיסטוריה של כדור הארץ היה קשה. נתוני מאובנים מוגבלים מראים כי האב הקדמון הראשון שלהם הופיע לפני לפחות 1.6 מיליארד שנים. עם זאת חסרות הוכחות מובהקות לקיומם. אוקריוטים צריכים לייצר ולהשאיר מאחוריהם מולקולות ייחודיות מסוימות, אבל גרסאות מאובנות של מולקולות אלה לא מופיעות בתיעוד הסלע עד לפני 800 מיליון שנה. הפער הבלתי מוסבר הזה של 800 מיליון שנה בהיסטוריה האיקריוטית המוקדמת, תקופה מכרעת שבה עלה לראשונה האב הקדמון המשותף האחרון של כל החיים המורכבים של ימינו, עטף את סיפור החיים המוקדמים במסתורין.

"יש פער זמני עצום זה בין תיעוד המאובנים של מה שאנו חושבים שהם האיקריוטים המוקדמים ביותר לבין העדות הראשונה של... סמן ביולוגי לאאוקריוטים," אמר גאלן הלברסון, פרופסור באוניברסיטת מקגיל במונטריאול.

יש הרבה הסברים אפשריים לפער הפרדוקסלי הזה. אולי האוקריוטים היו נדירים מדי בתקופה ההיא כדי להשאיר מאחור ראיות מאובנים מולקולריים. או אולי הם היו בשפע, אבל המאובנים המולקולריים שלהם לא שרדו את התנאים הקשים של הזמן הגיאולוגי.

מחקר שפורסם לאחרונה בכתב טבע מציע הסבר חלופי: ייתכן שמדענים חיפשו כל הזמן את המולקולות המאובנות הלא נכונות. כאשר מחברי המחקר חיפשו גרסאות פרימיטיביות יותר של הכימיקלים שאחרים חיפשו, הם גילו אותם בשפע - וחשפו את מה שהם תיארו כ"עולם אבוד" של איקריוטים שחיו לפני 800 מיליון עד 1.6 מיליארד שנים לפחות.

"המולקולות האלה היו שם כל הזמן", אמר יוכן ברוק, גיאוכימאי מהאוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה בקנברה שהוביל את המחקר יחד עם תלמידו אז בנימין נטרהיים. "לא הצלחנו למצוא [אותם] כי לא ידענו איך הם נראים".

הממצאים מביאים בהירות חדשה לדינמיקה של החיים האיקריוטיים המוקדמים. שפע המאובנים המולקולריים הללו מעיד על כך שהאורגניזמים הפרימיטיביים שגשגו באוקיינוסים במשך מאות מיליוני שנים לפני שהשתלטו אבותיהם של האוקריוטים המודרניים, וזרעו צורות חיים שיום אחד יתפתחו לבעלי החיים, הצמחים, הפטריות והפרוטיסטים שאנו רואים. היום.

"זו השערה אלגנטית שנראה ליישב את הרישומים המאוד שונים הללו", אמר הלברסון, שלא היה מעורב במחקר. "זה עושה הכל הגיוני."

הממצאים היו חדשות מבורכות עבור פליאונטולוגים כמו פיבי כהן, יו"ר למדעי הגיאוגרפיה בוויליאמס קולג' במסצ'וסטס מי הרבה זמן חשב שמשהו חסר ברשומה של סמן ביולוגי. "יש היסטוריה עשירה ודינמית של חיים לפני שבעלי חיים התפתחו, שקשה יותר להבין כי אנחנו לא יכולים לראות את זה", אמר כהן. "אבל זה חשוב ביותר כי זה בעצם מכין את הבמה לעולם שיש לנו היום."

פאזל הפרוטוסטרואידים

כאשר תיעוד המאובנים מזעזע, למדענים יש דרכים אחרות להעריך מתי מינים שונים הסתעפו זה מזה בעץ האבולוציוני. עיקריים בין הכלים הללו הם שעונים מולקולריים: קטעי DNA שעוברים מוטציות בקצב קבוע, המאפשרים למדענים להעריך את חלוף הזמן. על פי שעונים מולקולריים, האב הקדמון המשותף האחרון של האוקריוטים המודרניים, שהיה שייך לאוסף מגוון של אורגניזמים המכונה קבוצת הכתר, הופיע לראשונה לפני לפחות 1.2 מיליארד שנים.

אבל הסיפור האיקריוטי לא מתחיל שם. אוקריוטים מוקדמים אחרים, הידועים כקבוצת הגזעים, חיו מאות מיליוני שנים לפני שהאב הקדמון המשותף הראשון שלנו התפתח. החוקרים יודעים עליהם מעט מעבר לעובדה שהם קיימים. הקומץ הקטן של מאובני אוקריוטים עתיקים שהתגלו הם מעורפלים מכדי שניתן יהיה לזהותם כגבעול או כתר.

בהיעדר מאובני גוף משכנעים, החוקרים מחפשים מאובנים מולקולריים. מאובנים מולקולריים, המשמרים בנפרד ממאובני גוף, יכולים להיות מאתגרים עבור מדענים לקבוע. ראשית עליהם לזהות אילו מולקולות היו יכולות להיות מיוצרות רק על ידי האורגניזמים שהם רוצים לחקור. ואז הם צריכים להתמודד עם העובדה שלא כל המולקולות האלה מתאבנות היטב.

חומר אורגני מתפרק בקצבים שונים, וחלקים מסוימים של האוקריוטים נשמרים בסלע טוב יותר מאחרים. רקמות מתמוססות תחילה. ה-DNA עשוי להישאר לאורך זמן, אך לא זמן רב מדי: ה-DNA העתיק ביותר שנמצא אי פעם הוא בן כ-2 מיליון שנה. לעומת זאת, מולקולות שומן יכולות לשרוד מיליארדי שנים.

אאוקריוטים יוצרים כמויות עצומות של מולקולות שומן הידועות בשם סטרולים, סוג של סטרואידים המהווים מרכיב קריטי של ממברנות התא. מכיוון שנוכחות של קרום תא מעידה על אוקריוטים, ומולקולות שומן נוטות להתמיד בסלע, סטרולים הפכו למאובן המולקולרי של הקבוצה.

איקריוטים מודרניים פועלים על שלוש משפחות סטרולים עיקריות: כולסטרול בבעלי חיים, פיטוסטרולים בצמחים וארגוסטרול בפטריות וכמה פרוטיסטים. הסינתזה שלהם מתחילה עם מולקולה ליניארית, שהתא מעצב לארבע טבעות כך שהצורה המתקבלת מתאימה בצורה מושלמת לממברנה, אמר ברוק. לתהליך הזה יש שלבים רבים: נדרשים עוד שמונה שלבים אנזימטיים לתאי בעלי חיים כדי לייצר כולסטרול, בעוד שתאי צמחים דורשים עוד 11 שלבים אנזימטיים כדי ליצור פיטוסטרול.

בדרכו לבניית הסטרול המתקדם שלו, תא יוצר סדרה של מולקולות פשוטות יותר בכל שלב בתהליך. כאשר מחוברים לממברנה מלאכותית, אפילו הסטרולים הביניים הללו מספקים את החדירות והקשיחות שתא צריך כדי לתפקד כפי שהוא צריך. הביוכימאי קונרד בלוך, שזכה בפרס נובל ב-1964 בין השאר על גילוי השלבים התאיים לייצור כולסטרול, "היה תמה על כך," אמר ברוק. למה שתא ישקיע מאמץ נוסף לייצר סטרול מסובך יותר כאשר מולקולה פשוטה יותר תעשה את העבודה?

ב-1994, בלוך כתב ספר שבו חזה שכל אחד מסטרולי הביניים הללו היה פעם התוצר הסופי ששימש בקרום של תא איקריוטי קדמון. כל שלב נוסף אולי דרש יותר מהאנרגיה של התא, אבל המולקולה שהתקבלה הייתה שיפור קל ביחס לקודמתה - מספיק שדרוג כדי להתחרות על המבשר ולהשתלט על ההיסטוריה האבולוציונית.

אם זה היה נכון, זה היה מסביר מדוע איש לא הצליח למצוא מאובנים מולקולריים של סטרולים לפני ההתפשטות המהירה של האיקריוטים המודרניים לפני כ-800 מיליון שנה. חוקרים חיפשו כולסטרולים ומבנים מודרניים אחרים בתקליט הסלע. הם לא הבינו שהמסלולים הביוכימיים העתיקים היו קצרים יותר ושאורגניזמים מקבוצת גזע לא מייצרים סטרולים מודרניים: הם יצרו פרוטוסטרולים.

טחינת קפה מולקולרית

ב-2005, כחמש שנים לאחר מותו של בלוך, דיווחו ברוקס ועמיתיו טבע הרמזים הראשונים לכך שפעם היו קיימות מולקולות ביניים כאלה. במשקעים עתיקים הם מצאו סטרואידים בעלי מבנה יוצא דופן שהם לא הכירו. אבל בזמנו, ברוק לא חשב שאאוקריוט יכול היה ליצור אותם. "אז, הייתי די משוכנע שהם חיידקיים", אמר. "אף אחד לא חשב על האפשרות של אוקריוטים מקבוצת גזע בכלל."

הוא המשיך לדגום סלעים עתיקים ולחפש את המולקולות המוזרות הללו. כעשור לאחר העבודה, הוא ונטרסהיים הבינו שרבים מהמבנים המולקולריים בדגימות הסלע נראים "פרימיטיביים" ולא כמו אלה שחיידקים מייצרים בדרך כלל, אמר ברוק. האם הם יכולים להיות סטרולים ביניים של בלוך?

הם היו צריכים עוד הוכחות. בעשור שלאחר מכן, ברוק ונטרסהיים יצרו קשר עם חברות נפט וכרייה כדי לבקש דגימות של כל משקעים עתיקים שגילו בטעות במהלך משלחות קידוח.

"רוב האנשים היו מוצאים שתי דוגמאות ומפרסמים", אמר אנדרו קנול, פרופסור להיסטוריה של הטבע באוניברסיטת הרווארד שלא היה מעורב במחקר. (הוא היה יועץ הפוסט-דוקטורט של ברוק לפני שנים.) "יוכן בילה את חלקו הגדול של העשור בהסתכלות על סלעים ברחבי הפרוטרוזואיקון מכל רחבי העולם."

בינתיים, החוקרים יצרו תבנית חיפוש לזיהוי מולקולות במשקעים. הם המירו מולקולות ביניים של ימינו שנוצרו במהלך סינתזת סטרולים למקבילות סטרואידים גיאולוגיות סבירות. (כולסטרול, למשל, מתאבן ככולסטן.) "אם אתה לא יודע איך נראית המולקולה, לא תראה אותה", אמר ברוק.

במעבדה, הם חילצו מולקולות מאובנים מדגימות המשקעים באמצעות תהליך שהוא "קצת כמו הכנת קפה", אמר נטרסהיים. לאחר ריסוק סלעים, הם הוסיפו ממיסים אורגניים כדי לחלץ את המולקולות שבתוכם - בדיוק כפי שמשתמשים במים חמים להפקת קפה מפולים קלויים וטחונים.

כדי לנתח את הדגימות שלהם ולהשוות אותם מול ההתייחסויות שלהם, הם השתמשו בספקטרומטריית מסה, הקובעת את משקלן של המולקולות, וכרומטוגרפיה, שחושפת את ההרכב האטומי שלהן.

התהליך מפרך. "אתה מנתח מאות סלעים ולא מוצא כלום", אמר ברוק. כאשר אתה מוצא משהו, זה לעתים קרובות זיהום מהתקופה האחרונה. אבל ככל שהם ניתחו יותר דגימות, כך הם מצאו יותר מאובנים.

כמה דגימות היו מלאות עד אפס מקום בפרוטוסטרואידים. הם מצאו את המולקולות בסלעים מלפני 800 מיליון עד 1.6 מיליארד שנים. נראה היה שלא רק שאאוקריוטים עתיקים היו נוכחים במשך כ-800 מיליון שנים לפני שהאיקריוטים המודרניים המריאו, אלא שהם היו בשפע.

החוקרים אפילו יכלו לזהות את התהליך האבולוציוני של האוקריוטים כשהסטרואידים שלהם הפכו מורכבים יותר. בסלעים בני 1.3 מיליארד שנה, למשל, הם מצאו מולקולת ביניים שהייתה מתקדמת יותר מהפרוטוסטרואידים בני 1.6 מיליארד שנה, אך לא מתקדמת כמו הסטרואידים המודרניים.

"זו הייתה דרך חכמה מאוד להתמודד עם התיעוד החסר של מאובנים מולקולריים", אמר דוד גולד, גיאוביולוג מאוניברסיטת קליפורניה, דייויס שלא היה מעורב במחקר. הגילוי שלהם מילא מיד פער של 800 מיליון שנה בסיפור כיצד נוצרו החיים המודרניים.

עולם אבוד

הממצאים המולקולריים, יחד עם נתונים גנטיים ומאובנים, חושפים את התמונה הברורה ביותר עד כה של דינמיקה איקריוטית מוקדמת מלפני כמיליארד שנים במהלך העידן המסתורי באמצע הפרוטרוזואיקון, אמרו מומחים. בהתבסס על העדויות של ברוק ונטרסהיים, איקריוטים מקבוצת גזע וכתרים חיו ככל הנראה יחד במשך מאות מיליוני שנים וכנראה התחרו זה בזה בתקופה שגיאולוגים מכנים את המיליארד המשעמם בשל האבולוציה הביולוגית האיטית שלו.

היעדר הסטרואידים המודרניים יותר בתקופה זו מעיד על כך שקבוצת הכתר לא תפסה מיד. במקום זאת, האורגניזמים הקשורים לקרום התחילו בקטנה כאשר הם מצאו נישות במערכת האקולוגית העתיקה, אמר גולד. "לוקח הרבה זמן עד שה[אוקריוטים] הופכים דומיננטיים מבחינה אקולוגית", אמר.

בהתחלה, ייתכן שלקבוצת הגזע היה יתרון. רמות החמצן באטמוספרה היו נמוכות משמעותית מהיום. מכיוון שבניית פרוטוסטרולים דורשת פחות חמצן ואנרגיה ממה שסטרולים מודרניים דורשים, סביר להניח שאאוקריוטים מקבוצת גזע היו מוצלחים יותר ושופעים יותר.

השפעתם ירדה כאשר העולם הגיע למעבר קריטי המכונה התקופה הטונית. לפני בין 1 מיליארד ל-720 מיליון שנים, חמצן, חומרים מזינים וחומרי גלם תאיים אחרים גדלו באוקיינוסים. מאובנים של אוקריוטים מודרניים, כמו אצות ופטריות, מתחילים להופיע בתיעוד הסלע, וסטרואידים מודרניים מתחילים לעלות על מספר הפרוטוסטרואידים בסמנים ביולוגיים מאובנים - עדויות המצביעות על כך שאאוקריוטים מקבוצת כתרים החלו לשגשג, לגדול במספרם ולהתגוון.

מדוע סטרולים יהפכו מסובכים יותר עם הזמן? המחברים הציעו שהסטרולים המורכבים יותר העניקו יתרון אבולוציוני כלשהו לבעליהם - אולי קשור לדינמיקה בקרום התא של היצורים. תהיה הסיבה אשר תהיה, השינוי בסטרול היה משמעותי מבחינה אבולוציונית. סביר להניח שההרכב של סטרולים מודרניים נתן דחיפה לאאוקריוטים מקבוצת הכתר על קבוצת הגזע. בסופו של דבר, "העולם האבוד הזה של האיקריוטים העתיקים הוחלף באאוקריוטים המודרניים", אמר ברוק.

קמט חיידקי

סיפור הסטרול האבולוציוני של החוקרים משכנע, אבל הוא לא איתן.

"לא אתפלא" אם הפרשנות שלהם נכונה, אמר גולד. עם זאת, קיימת אפשרות נוספת. למרות שמדענים נוטים לקשר סטרולים לאאוקריוטים, כמה חיידקים יכולים גם ליצור אותם. האם המאובנים המולקולריים במחקר יכולים להיות שהושארו על ידי חיידקים במקום זאת?

גורדון לאב, גיאוכימאי מאוניברסיטת קליפורניה, ריברסייד, חושב שהתרחיש החיידקי הגיוני יותר. "הפרוטוסטרואידים האלה מופיעים בסלעים מכל הגילאים", אמר. "הם לא פשוט נעלמים, מה שאומר שמשהו אחר מלבד איקריוטים מגזעים מסוגל ליצור אותם." הוא טען שחיידקים, ששלטו בים באותה תקופה, יכלו לייצר בקלות פרוטוסטרואידים.

המחברים לא יכולים לשלול אפשרות זו. למעשה, הם חושדים שחלק ממולקולות המאובנים שלהם נוצרו על ידי חיידקים. אבל האפשרות שהאוסף העצום שלהם של פרוטוסטרואידים מאובנים, שנמתח במשך מאות מיליוני שנים, נוצר כולו על ידי חיידקים נראית לא סבירה, אמר ברוק.

"אם אתה מסתכל על האקולוגיה של החיידקים האלה היום, ועל השפע שלהם, פשוט אין סיבה להאמין שהם יכולים להיות כל כך שופעים שהם יכלו לייצר את כל המולקולות האלה", אמר. בעולם המודרני, חיידקים מייצרים פרוטוסטרולים רק בסביבות נישה כמו מעיינות הידרותרמיים או מחלחלים של מתאן.

כהן, הפליאונטולוג של מכללת וויליאמס, מסכים עם ברוק. הפרשנות לפיה מולקולות אלו נוצרו על ידי אוקריוטים "תואמת כל קו ראיות אחר", היא אמרה - החל מתעוד המאובנים ועד לניתוחי שעון מולקולרי. "אני לא כל כך מודאגת" מהאפשרות הזו, אמרה.

כל פירוש מציג יותר שאלות מאשר תשובות. "שני הסיפורים יהיו מוזרים לחלוטין", אמר ברוק. הם "השקפות שונות של העולם שלנו", הוא הוסיף, וזה יהיה נחמד לדעת איזו מהן נכונה.

בהיעדר מכונת זמן, החוקרים מחפשים ראיות נוספות כדי לשפר את הוודאות שלהם כך או כך. אבל יש רק כל כך הרבה דרכים לשחזר או לתפוס חיים עתיקים - ואפילו הניחושים הטובים ביותר של מדענים לעולם לא יוכלו למלא לחלוטין את הפער. "רוב החיים לא השאירו עקבות על כדור הארץ", אמר נטרסהיים. "השיא שאנו רואים מוגבל. ... במשך רוב ההיסטוריה של כדור הארץ, החיים עשויים היו להיראות אחרת לגמרי."

Quanta עורכת סדרה של סקרים כדי לשרת טוב יותר את הקהל שלנו. קח את שלנו סקר קוראי ביולוגיה ותוכלו לזכות בחינם Quanta סחורה.