Shkencëtarët zbulojnë prova të reja: Jeta në Tokë mund të ketë nisur dy herë

Ku dhe si u shfaq për herë të parë jeta në Tokë? Këto pyetje janë në qendër të kërkimeve në Institutin e Evolucionit Molekular në Universitetin Heinrich Heine të Dyseldorfit (HHU).

Tani, një ekip ndërkombëtar i udhëhequr nga biologë në Dyseldorf ka raportuar gjetje të reja në Science Advances, të cilat hedhin dritë mbi rrjetin e reaksioneve kimike të përdorur nga qelizat më të hershme për të prodhuar përbërësit bazë të jetës, si dhe mbi burimet e energjisë që i vunë në lëvizje këto reaksione. Duke gjurmuar origjinën e enzimave gjatë ndarjes më të hershme midis baktereve dhe arkeave, studiuesit gjetën prova se qelizat e lira mund të jenë shfaqur në mënyrë të pavarur dy herë.

Rreth 4 miliardë vjet më parë, Toka dukej shumë ndryshe nga planeti që njohim sot. Nëse do të ishte e mundur të shihnim se si po merrnin formë qelizat e para, skena mund të kishte përfshirë dy forma të dallueshme të jetës qelizore primitive.

“Do të shihnim dy lloje shumë të ndryshme qelizash që po shfaqeshin, bakteret pioniere dhe arkeat pioniere, duke bërë përpjekjet e tyre të para për jetë jashtë kufizimeve të një burimi hidrotermal,” thotë Natalia Mrnjavac, biologe në Universitetin e Dyseldorfit dhe autore kryesore e publikimit të ri në Science Advances.

Mrnjavac dhe një ekip ndërkombëtar analizuan gjenome, struktura proteinike dhe reaksione kimike për të hetuar disa nga fazat më të hershme të evolucionit mikrobial, përfshirë periudhën përpara se të ekzistonin qeliza plotësisht të lira.

“Këto krahasime po na japin njohuri të paprecedenta mbi fazën e evolucionit kur metabolizmi i katalizuar nga enzimat po lindte nga reaksionet spontane të katalizuara nga metalet në koren e Tokës,” thotë biologu i Dyseldorfit, William Martin, autori i lartë i studimit.

Rikonstruktimi i kimisë së jetës së hershme

Në vend që të përqendroheshin vetëm në pjesë të përzgjedhura të metabolizmit të hershëm, studiuesit shqyrtuan tërësinë e reaksioneve kimike që qelizat përdorin për të prodhuar përbërës kyçë biologjikë (aminoacide, baza të ARN-së dhe vitamina) nga materiale që ishin të disponueshme në Tokën e hershme, përfshirë gazin hidrogjen, amoniakun dhe CO2.

Së bashku, këto 420 reaksione kimike formojnë rrjetin metabolik të njohur si metabolizëm. Vetë reaksionet janë jashtëzakonisht të lashta dhe janë të ruajtura te qeniet e gjalla në një shkallë të krahasueshme me kodin gjenetik.

Ajo që i befasoi studiuesit ishte se enzimat përgjegjëse për kryerjen e këtyre reaksioneve nuk tregojnë të njëjtën shkallë ruajtjeje midis baktereve dhe arkeave.

Martin: “Surpriza është se enzimat që katalizojnë këto reaksione nuk janë të ruajtura përgjatë ndarjes evolucionare që veçon bakteret nga arkeat. Ne zbuluam se paraardhësi i fundit universal i të gjitha qelizave, LUCA, zotëronte enzima vetëm për rreth gjysmën e reaksioneve të metabolizmit. Gjysma tjetër katalizohej nga metalet në mjedisin ku u shfaq LUCA.”

Ky zbulim sugjeron se metabolizmi më i hershëm varej shumë më tepër nga mjedisi përreth sesa metabolizmi i qelizave moderne.

“Metalet që gjenden natyrshëm në burimet hidrotermale mund të zëvendësojnë një numër çuditërisht të madh enzimash në metabolizëm,” thotë Harun Tüysüz, kimist inorganik nga Max-Planck-Institut für Kohlenforschung dhe Instituti IMDEA Materials në Madrid, si dhe bashkautor i studimit.

“Sa më nga afër ta shqyrtojmë, aq më qartë mund të shohim se evolucioni i hershëm biokimik ishte një hibrid i katalizatorëve enzimatikë dhe atyre metalikë,” thotë Joseph Moran nga Universiteti i Otavës, Kanada, një studiues ndërkombëtar kryesor në përdorimin e metaleve për katalizimin e reaksioneve metabolike, duke zëvendësuar enzimat dhe kofaktorët.

Nga katalizatorët metalikë te enzimat

Një nga përparimet kryesore të studimit ishte rikonstruktimi i katër fazave në evolucionin e hershëm të katalizës biologjike.

Procesi duket se ka filluar me reaksione të drejtuara tërësisht nga metalet. Kjo u pasua nga një fazë te LUCA, në të cilën metalet dhe enzimat punonin së bashku. Më pas, bakteret dhe arkeat filluan të ndiqnin rrugë të veçanta evolucionare. Brenda secilës linjë, enzimat e sapoevoluara zëvendësuan gradualisht katalizatorët inorganikë të siguruar nga mjedisi ku ishte zhvilluar fillimisht metabolizmi.

E rëndësishmja është se studiuesit identifikuan shembuj në të cilët bakteret dhe arkeat duket se kanë zhvilluar në mënyrë të pavarur enzima të ndryshme, të afta për të kryer të njëjtën detyrë thelbësore metabolike.

“Ne mund të shohim raste kur paraardhësit e baktereve dhe arkeave evoluan në mënyrë të pavarur enzima strukturalisht të ndryshme për të katalizuar të njëjtin reaksion thelbësor metabolik,” thotë Mrnjavac, “shpikje të tilla paralele mund të kenë hapur rrugën për shfaqjen e pavarur të baktereve dhe arkeave të lira.”

Ky evolucion paralel mund të ketë qenë vendimtar, sepse mund t’u ketë mundësuar dy linjave të bëheshin më pak të varura nga kimia e burimeve hidrotermale dhe përfundimisht të mbijetonin si qeliza të pavarura.

Si mund të jetë furnizuar me energji metabolizmi i hershëm

Një tjetër pyetje kryesore lidhet me energjinë. Qelizat moderne mbështeten shumë te ATP-ja për të furnizuar me energji metabolizmin, por ATP-ja është vetë një molekulë komplekse që prodhohet me ndihmën e enzimave. Ajo nuk do të kishte qenë thjesht e disponueshme në mjediset e lashta hidrotermale.

Prandaj, studiuesit hetuan se çfarë mund të ketë siguruar energji përpara se të ekzistonte metabolizmi i bazuar në ATP.

“Ne kemi identifikuar një burim të ri energjie në origjinën e metabolizmit,” thotë Manon Schlikker nga ekipi i Dyseldorfit.

Një përgjigje e mundshme përfshin paladiumin, një metal që gjendet natyrshëm në burimet hidrotermale dhe që ka qenë i njohur për kimistët si një katalizator efektiv prej rreth një shekulli.

Ekipi zbuloi se fosfiti, një formë e fosforit që gjendet natyrshëm në burimet hidrotermale, mund të reagojë me përbërje organike në prani të paladiumit dhe të prodhojë reaksione të lidhura me fosforilimin metabolik.

“Kur reagojmë fosfitin, një formë fosfori që gjendet natyrshëm në burimet hidrotermale, me përbërje organike, marrim reaksione të fosforilimit metabolik brenda natës në ujë. Fosfiti dhe paladiumi zëvendësojnë ATP-në dhe enzimat; është e mahnitshme dhe e bën shumë më të lehtë për t’u kuptuar evolucionin e hershëm,” thotë Schlikker.

Rezultati ofron një shpjegim të mundshëm se si disa nga reaksionet më të hershme metabolike mund të kenë siguruar energjinë e nevojshme për të vazhduar përpara se të evoluonin sistemet moderne biologjike të energjisë.

Hartëzimi i 420 reaksioneve në origjinën e metabolizmit

Kërkimi është studimi i parë i përqendruar posaçërisht në rrjetin e plotë të reaksioneve të njohur si metabolizëm.

Ky rrjet përmban 420 reaksione shumë të ndërlidhura dhe shumë nga të njëjtat përbërje marrin pjesë në pjesë të shumta të sistemit. Për shkak të këtyre lidhjeve, rikonstruktimi i mënyrës se si rrjeti mund të jetë zhvilluar me kalimin e kohës paraqet një problem të vështirë matematikor.

Prof. Mike Steel, nga Universiteti i Canterbury-t në Zelandën e Re, dhe Prof. Daniel Huson nga Universiteti i Tübingen-it sollën në projekt ekspertizën e tyre në analizimin e rrjeteve komplekse.

Ata zhvilluan një metodë që u mundësoi studiuesve t’i rendisnin reaksionet metabolike nga më të thjeshtat te më komplekset. Sekuenca që rezultoi mund të pasqyrojë, të paktën pjesërisht, rendin në të cilin këto reaksione u shfaqën gjatë fazave më të hershme të evolucionit biologjik.

“Pyetja e parë,” thotë Steel, “është nëse ekziston apo jo një renditje unike për këto reaksione. Pasi arritëm të provonim se ekziston një e tillë, algoritmi për t’i renditur ato u bë i zbatueshëm.”

Një kod gjenetik, por dy origjina të jetës

Të kuptuarit se si filloi jeta trajton një nga pyetjet më themelore të njerëzimit: nga erdhëm, ku u shfaqën sistemet e para të gjalla dhe si arritën qelizat më të hershme të Tokës të mbijetonin.

Sipas studiuesve, implikimi më i gjerë i gjetjeve të tyre është se bakteret dhe arkeat nuk e bënë së bashku kalimin drejt jetës së pavarur qelizore. Përkundrazi, secila linjë duket se e ka arritur veçmas gjendjen e jetës së lirë.

Martin: “Të dhënat e reja lënë vetëm një përfundim. Linjat bakteriale dhe arkeale e bënë në mënyrë të pavarur kalimin drejt gjendjes së lirë. Vetëm qelizat e lira janë të gjalla. Le ta quajmë me emrin e saj: po shohim një origjinë të kodit gjenetik, por dy origjina të jetës.”

Përveç studiuesve nga HHU, ekipi ndërkombëtar përfshinte shkencëtarë nga Universitetet e Canterbury-t (Zelanda e Re), Rostock-ut, Konstanz-it, Otavës (Kanada), Strasburgut dhe Tübingen-it, Instituti Max Planck për Mikrobiologjinë Tokësore në Marburg dhe Max-Planck-Institut für Kohlenforschung në Mülheim/Ruhr, si dhe Institutin IMDEA Materials në Madrid (Spanjë).

Bakteret dhe Arkeat

Biologët e ndajnë gjerësisht jetën qelizore në dy kategori. Eukariotët janë qeliza të avancuara që përmbajnë një bërthamë, ndërsa linjat qelizore më të lashta pa bërthamë njihen si prokariote.

Prokariotet përbëhen nga dy degët fillestare të jetës: Bakteret dhe Arkeat. Shumë prej këtyre organizmave janë të aftë të mbijetojnë në kushte ekstreme, përfshirë temperatura shumë të larta dhe mjedise shumë acide ose alkaline.

Shumë prej tyre jetojnë gjithashtu rreth burimeve hidrotermale në fund të oqeanit, mjedise që disa teori i identifikojnë si vende të mundshme ku mund të jetë shfaqur për herë të parë jeta./ScienceDaily