Από το Άσγκραντ στη Γη: Η σκανδιναβική μυθολογία βοήθησε επιστήμονες να λύσουν το μυστήριο της προέλευσης της ζωής

Οι επιστήμονες βρίσκονται ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση της προέλευσης της σύνθετης ζωής στη Γη, αφού έριξαν νέο φως σε ένα μυστήριο που αφορά τους μικροβιακούς προγόνους μας.

Το κλειδί, υποψιάζονται, μπορεί να βρίσκεται στον τρόπο με τον οποίο απλά μικρόβια που ζούσαν πριν από δισεκατομμύρια χρόνια προσαρμόστηκαν στην παρουσία του οξυγόνου.

Οι άνθρωποι, όπως όλα τα φυτά, οι μύκητες και τα ζώα στη Γη, είναι ευκαρυώτες — οργανισμοί των οποίων τα κύτταρα διαθέτουν έναν σαφώς καθορισμένο πυρήνα που περιέχει το DNA, καθώς και άλλες δομές όπως τα μιτοχόνδρια, οργανίδια που παρέχουν ενέργεια στα κύτταρα μετατρέποντας τα θρεπτικά συστατικά σε ενέργεια.

Μεταξύ 2,4 και 2,1 δισεκατομμυρίων ετών πριν, τα επίπεδα οξυγόνου στην ατμόσφαιρα της Γης αυξήθηκαν δραματικά. Το γεγονός αυτό είναι γνωστό ως Μεγάλο Οξειδωτικό Γεγονός. Λίγες εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια μετά από αυτό το γεγονός εμφανίστηκαν τα πρώτα αναγνωρίσιμα ίχνη ευκαρυωτών, διατηρημένα ως μικροαπολιθώματα, γεγονός που υποδηλώνει ότι το οξυγόνο αποτελεί εδώ και πολύ καιρό βασικό συστατικό για την εξέλιξη της σύνθετης ζωής.

Η «θεϊκή» προέλευση των ευκαρυωτών

Πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι οι ευκαρυώτες εξελίχθηκαν από τον συνδυασμό δύο τύπων μικροβίων. Ωστόσο, υπάρχει μια παράξενη ανατροπή: ένα από αυτά τα μικρόβια, γνωστό ως Asgard archaea, έχει βρεθεί μόνο σε περιβάλλοντα χωρίς οξυγόνο, όπως οι υδροθερμικές αναβλύσεις στον πυθμένα των ωκεανών — παρόλο που φαίνεται να μοιράζεται πολύπλοκες ομοιότητες με τους ευκαρυώτες.

Οι ερευνητές αναρωτήθηκαν πώς τα Asgard θα μπορούσαν καν να συναντήσουν άλλα μικρόβια που χρειάζονταν οξυγόνο για να επιβιώσουν ώστε να δημιουργήσουν τους ευκαρυώτες, αφού φαίνεται να ζούσαν σε τόσο διαφορετικά περιβάλλοντα. Όμως μια νέα μελέτη των γονιδιωμάτων των Asgard που δημοσιεύτηκε στις 18 Φεβρουαρίου, αποκάλυψε άγνωστες μέχρι τώρα γενεαλογικές γραμμές αυτών των μικροβίων σε ρηχά παράκτια ιζήματα, μερικά από τα οποία φαίνεται ότι μπορούν να ανεχθούν ή και να χρησιμοποιούν οξυγόνο. 

«Το γεγονός ότι μερικά από τα Asgard —που είναι πρόγονοί μας— μπορούσαν να χρησιμοποιούν οξυγόνο ταιριάζει πολύ καλά με αυτή την υπόθεση», δήλωσε ο Μπρετ Μπέικερ, αναπληρωτής καθηγητής θαλάσσιας επιστήμης και βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν των ΗΠΑ. «Το οξυγόνο εμφανίστηκε στο περιβάλλον και τα Asgard προσαρμόστηκαν σε αυτό. Βρήκαν ενεργειακό πλεονέκτημα στη χρήση του οξυγόνου και στη συνέχεια εξελίχθηκαν σε ευκαρυώτες». Η κατανόηση του ρόλου των Asgard στην ανάπτυξη της σύνθετης ζωής θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση ενός μεγαλύτερου μυστηρίου: πώς ακριβώς τα μικρόβια εξελίχθηκαν σε ευκαρυώτες — και γιατί υπάρχουμε εμείς, είπε ο Μπέικερ.

Ένα μικρόβιο με μυθολογικές ρίζες

Τα Asgard archaea, που πήραν το όνομά τους από το Άσγκαρντ, την ουράνια κατοικία των θεών της σκανδιναβικής μυθολογίας όπως ο Όντιν και ο Θορ, αποτελούν μια υπερσυνομοταξία, δηλαδή μια ομάδα οργανισμών που εξελίχθηκαν από έναν κοινό πρόγονο.

Μία μόνο συνομοταξίας αυτής της ομάδας ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 2015 κοντά σε ένα υποθαλάσσιο ηφαίστειο στον Βόρειο Ατλαντικό Ωκεανό, γνωστό ως Κάστρο του Λόκι (Loki’s Castle), επειδή θυμίζει το κερασφόρο κράνος που φορά ο χαρακτήρας της Marvel, ο οποίος επίσης είναι θεός της σκανδιναβικής μυθολογίας. Το μικρόβιο ονομάστηκε Lokiarchaeota. Άλλες συνομοταξίες μικροβίων της ομάδας Asgard έχουν επίσης ονομαστεί από θεούς της σκανδιναβικής μυθολογίας.

Σε σύγκριση με μικρόβια άλλων υπερσυνομοταξιών, τα Asgard φαίνεται να είναι στενά συγγενικά με τους ευκαρυώτες και να περιέχουν γονίδια που μέχρι πρόσφατα είχαν παρατηρηθεί μόνο σε σύνθετες μορφές ζωής. «Θεωρήθηκαν κάτι σαν τον χαμένο κρίκο στην εξέλιξη της ζωής — από τη μονοκύτταρη μικροβιακή ζωή προς τη σύνθετη ζωή όπως τα φυτά και τα ζώα», δήλωσε ο Μπέικερ στο CNN.

Εξετάζοντας δείγματα από ένα ευρύ φάσμα περιβαλλόντων, οι ερευνητές ανακαλύπτουν ολοένα περισσότερους τύπους μικροβίων Asgard, όπως τα Heimdallarchaeia, που πήραν το όνομά τους από τον Χέιμνταλ, τον φύλακα του Άσγκαρντ. Το 2023, ο Μπέικερ και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι οι ευκαρυώτες φαίνεται να σχετίζονται περισσότερο με την ομάδα Heimdall των μικροβίων Asgard, τα οποία διαθέτουν μεταβολικές οδούς υψηλής ενέργειας. Τα ευρήματα αυτά υποστήριξαν την ιδέα ότι τα ζώα και άλλες μορφές ζωής αντλούν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς τους από την αναπνοή οξυγόνου και ενίσχυσαν τη θεωρία ότι η αύξηση του οξυγόνου στη Γη συνδέεται με την εμφάνιση της σύνθετης ζωής.

Το επόμενο βήμα ήταν να κατανοηθεί ποιες διαδικασίες παραγωγής ενέργειας θα μπορούσαν να συμβαίνουν σε διαφορετικούς τύπους μικροβίων Asgard με βάση τα γονίδιά τους. Για να το διερευνήσουν αυτό, ο Μπέικερ και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν μεγάλης κλίμακας αλληλούχηση DNA από δείγματα που συλλέχθηκαν τόσο από βαθιές υδροθερμικές αναβλύσεις όσο και από ρηχές παράκτιες περιοχές. Η ομάδα κατάφερε να συγκεντρώσει εκατοντάδες άγνωστα μέχρι τώρα γονιδιώματα και να δημιουργήσει ένα εξελικτικό δέντρο ζωής για τα μικρόβια Asgard συγκρίνοντας γενετικές ομοιότητες και διαφορές.

Κατά τη δημιουργία αυτού του εξελικτικού δέντρου αποκαλύφθηκαν άγνωστες μέχρι τότε ομάδες πρωτεϊνών. Αυτό επέτρεψε στους ερευνητές να συγκρίνουν τις πρωτεΐνες αυτές με εκείνες που χρησιμοποιούν οι ευκαρυώτες για την παραγωγή ενέργειας και τον μεταβολισμό του οξυγόνου. Ένα μοντέλο τεχνητής νοημοσύνης βοήθησε την ομάδα να εντοπίσει πώς οι πρωτεΐνες μπορούν να αναδιπλώνονται σε διαφορετικές μορφές — κάτι που σχετίζεται άμεσα με τη λειτουργία τους. Αρκετές πρωτεΐνες που παράγονται από μικρόβια Heimdall μοιάζουν με ευκαρυωτικές πρωτεΐνες που επεξεργάζονται το οξυγόνο για να παράγουν ενέργεια με μεγάλη αποδοτικότητα. Αυτό υποδηλώνει ότι τουλάχιστον μερικά αρχαία Asgard ίσως ήταν ανεκτικά στο οξυγόνο.

Η ανακάλυψη ενός αρχαίου προγόνου

Αρχικά οι επιστήμονες πίστευαν ότι ο αρχαίος μικροβιακός πρόγονος της σύνθετης ζωής ήταν ένα απλό κύτταρο που ζούσε σε περιβάλλοντα χωρίς οξυγόνο.

Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, το κύτταρο προσαρμόστηκε να χρησιμοποιεί οξυγόνο αφού ενώθηκε με ένα βακτήριο, κάτι που τελικά οδήγησε στην εμφάνιση των μιτοχονδρίων στα κύτταρά μας. «Οι ευκαρυώτες σχεδόν πάντα βασίζονται στα μιτοχόνδρια για να καίνε υδρογονάνθρακες με οξυγόνο για να κάνουν όλα αυτά τα εκπληκτικά πράγματα», έγραψε σε email ο Μπαζ Μπαουμ, κυτταρικός βιολόγος και επικεφαλής ομάδας στο Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας του Συμβουλίου Ιατρικής Έρευνας στο Κέιμπριτζ της Αγγλίας. Ο Μπαουμ δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη.

Ωστόσο, τα νέα ευρήματα υποδηλώνουν ότι τα Asgard ίσως είχαν ήδη προσαρμοστεί να επεξεργάζονται οξυγόνο πριν συνδυαστούν με βακτήρια. Αυτή η ανοχή στο οξυγόνο θα τα τοποθετούσε σε περιβάλλοντα με οξυγόνο και ίσως διευκόλυνε τη συγχώνευσή τους με βακτήρια. «Η μετάβαση στη σύνθετη ζωή δεν χρειάστηκε να εφεύρει τον μεταβολισμό του οξυγόνου από την αρχή — τα βασικά δομικά στοιχεία υπήρχαν ήδη», έγραψε ο Μπουράκ Αβτσί, επίκουρος καθηγητής μικροβιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Άαρχους στη Δανία, ο οποίος επίσης δεν συμμετείχε στην έρευνα.

Βέβαια, όπως σημείωσε, οι επιστήμονες μελετούν σύγχρονους εκπροσώπους ενός γεγονότος που συνέβη πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. «Υπάρχει ένα τεράστιο εξελικτικό χρονικό χάσμα, και οι πραγματικές συναντήσεις που οδήγησαν στο πρώτο ευκαρυωτικό κύτταρο μπορεί να περιλάμβαναν διαφορετικές μεταβολικές στρατηγικές». Οι συγγραφείς της μελέτης υπογράμμισαν επίσης ότι χρειάζονται περισσότερα στοιχεία για να επιβεβαιωθούν βιολογικά οι γενετικές προβλέψεις της έρευνας, ιδιαίτερα όταν πρόκειται να καθοριστούν οι ακριβείς δυνατότητες των αρχαίων Asgard πριν από σχεδόν 2 δισεκατομμύρια χρόνια. Τα σύγχρονα Asgard πιθανότατα έχουν αλλάξει και προσαρμοστεί για να χρησιμοποιούν οξυγόνο, σημείωσε ο Μπαουμ.

Πιο κοντά από ποτέ στην αποκρυπτογράφηση της προέλευσής μας

Η μελέτη προσθέτει στοιχεία σε ένα αυξανόμενο σύνολο ερευνών που δείχνουν ότι τα ευκαρυωτικά κύτταρα προήλθαν από παράκτια περιβάλλοντα που περιείχαν οξυγόνο, δήλωσε ο Ντάνιελ Μπρέιντι Μιλς, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Ινστιτούτο Μοριακής Εξέλιξης του Πανεπιστημίου του Ντίσελντορφ στη Γερμανία. Ο Μιλς ελπίζει ότι η μελέτη θα εμπνεύσει και άλλους επιστήμονες να καλλιεργήσουν δικά τους δείγματα στο εργαστήριο ώστε να ελέγξουν αν τα μικρόβια Asgard μπορούν πράγματι να χρησιμοποιούν οξυγόνο.

Ο Μπέικερ είναι αισιόδοξος ότι μέσα στα επόμενα 5 έως 10 χρόνια οι επιστήμονες θα φτάσουν σε ένα σημαντικό ορόσημο: να παρατηρήσουν την εξέλιξη μικροβίων Asgard που καλλιεργούνται στο εργαστήριο καθώς μετατρέπονται σε ευκαρυωτικά κύτταρα — μια διαδικασία γνωστή ως ευκαρυογένεση. «Δεν υπάρχει λόγος να πιστεύουμε ότι αυτό συνέβη μόνο μία φορά πριν από 2 δισεκατομμύρια χρόνια», είπε ο Μπέικερ. Μελλοντικές μελέτες θα πρέπει επίσης να μετρήσουν την ποσότητα οξυγόνου στα περιβάλλοντα όπου υπάρχουν Asgard και να εντοπίσουν μικρόβια που μπορούν να αναπτυχθούν με πολύ μικρές ποσότητες οξυγόνου, είπε ο Μπαουμ.

Τα Asgard είναι οι πλησιέστεροι ζωντανοί συγγενείς της ανθρωπότητας από εκείνο το αρχαίο εξελικτικό γεγονός, πράγμα που σημαίνει ότι κρύβουν σημαντικά στοιχεία για την προέλευσή μας. Για αυτό είναι κρίσιμο να προσδιοριστεί πότε άρχισαν να χρησιμοποιούν οξυγόνο. «Αν κοιτάξετε γύρω σας, ο πλανήτης μας κυριαρχείται από ευκαρυώτες», είπε ο Μπέικερ. «Η κατανόηση του πώς σχηματίστηκαν αποτελεί μια τεράστια μετάβαση στην εξέλιξη της ζωής στη Γη. Το γεγονός ότι βρήκαμε χρήση οξυγόνου στους κοντινούς προγόνους μας, στα Asgard, ταιριάζει πολύ καλά σε αυτό το παζλ».

Διαβάστε ακόμη

Τα μάτια του Μαξίμου που κοιτούν δεξιά και στο Κέντρο, ο χαμός στον ΕΟΔΥ με ξύλο και παραιτήσεις και η «μαύρη τρύπα» των μετρήσεων της Nielsen

ΕΟΔΥ: Γιατί οδηγήθηκε σε έξοδο το Επιστημονικό Συμβούλιο - Το χρονικό μιας προαναγγελθείσας παραίτησης

Τα μηνύματα της σημερινής επίσκεψης Μητσοτάκη - Μακρόν στην Κύπρο

Ποιος είναι ο Μοτζτάμπα Χαμενεΐ: Τι σηματοδοτεί για το Ιράν η εκλογή του και πώς θα αντιδράσουν ΗΠΑ και Ισραήλ