تحقیقات شگفت آور نشان می دهد که فتوسنتز می تواند به اندازه زندگی خود قدیمی باشد

سیانوباکتریها روی سطح آب.
محققان دریافتند که باکتریهای اولیه دارای ابزاری برای انجام یک مرحله حیاتی در فتوسنتز بودند و باعث تغییر نحوه تکامل حیات در زمین می شوند.
این یافته همچنین انتظاراتی را برای چگونگی تکامل زندگی در سایر سیارات به چالش می کشد. تصور می شود که تکامل فتوسنتز که اکسیژن تولید می کند ، عامل اصلی در ظهور زندگی پیچیده است. تصور می شد که تکامل این کار چندین میلیارد سال طول می کشد ، اما اگر در واقع اولین زندگی بتواند این کار را انجام دهد ، دیگر سیارات ممکن است زندگی پیچیده را خیلی زودتر از آنچه تصور می شد ، تکامل داده اند.

“اکنون ، ما می دانیم که Photosystem II الگوهایی از تکامل را نشان می دهد که معمولاً فقط به قدیمی ترین آنزیم شناخته شده نسبت داده می شوند ، که برای تکامل حیات بسیار مهم بودند.” – دکتر Tanai Cardona

تیم تحقیقاتی ، به سرپرستی دانشمندان کالج امپریال لندن ، سیر تکاملی پروتئین های کلیدی مورد نیاز برای فتوسنتز را تا احتمالاً منشأ حیات باکتریایی در زمین دنبال می کند. نتایج آنها در BBA – Bioenergetics منتشر و قابل دسترسی است.
محقق اصلی دکتر Tanai Cardona ، از گروه علوم زندگی در Imperial ، گفت: “ما قبلاً نشان داده بودیم که سیستم بیولوژیکی برای تولید اکسیژن ، معروف به Photosystem II ، بسیار قدیمی است ، اما تاکنون توانسته ام آن را در جدول زمانی تاریخ زندگی قرار دهم.
“اکنون ، ما می دانیم که Photosystem II الگوهایی از تکامل را نشان می دهد که معمولاً فقط به قدیمی ترین آنزیم شناخته شده نسبت داده می شوند ، که برای تکامل حیات بسیار مهم بودند.”
تولید زودهنگام اکسیژن h4>
فتوسنتز ، که نور خورشید را به انرژی تبدیل می کند ، می تواند به دو شکل وجود داشته باشد: یکی که اکسیژن تولید می کند و دیگری که تولید نمی کند. فرض بر این است که فرم تولید اکسیژن بعداً تکامل یافته است ، به ویژه با ظهور سیانوباکتریوم یا جلبک های سبز آبی ، حدود 2.5 میلیارد سال پیش.
در حالی که برخی تحقیقات نشان داده اند که ممکن است جیب های فتوسنتز تولید کننده اکسیژن (اکسیژن دار) پیش از این وجود داشته باشد ، هنوز هم نوآوری در نظر گرفته شده است که حداقل دو میلیارد سال طول کشید تا بر روی زمین تکامل یابد.
تحقیقات جدید نشان می دهد آنزیم های قادر به انجام فرآیند اصلی در فتوسنتز اکسیژن – تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن – در واقع در برخی از باکتری های اولیه وجود داشته است. قدیمی ترین شواهد مربوط به زندگی روی زمین بیش از 3.4 میلیارد سال قدمت دارد و برخی مطالعات نشان می دهد که اولین زندگی می تواند قدیمی تر از 4.0 میلیارد سال باشد.
کلنی های سیانوباکتری در زیر میکروسکوپ.
مانند تکامل چشم ، اولین نسخه از فتوسنتز اکسیژن ممکن است بسیار ساده و ناکارآمد باشد. از آنجا که اولین چشم ها فقط نور را احساس می کنند ، اولین فتوسنتز ممکن است بسیار ناکارآمد و کند باشد.
در زمین ، بیش از یک میلیارد سال طول کشید تا باکتریها فرآیند منتهی به تکامل سیانوباکتریها را کامل کنند ، و دو میلیارد سال بیشتر برای حیوانات و گیاهان برای تسخیر زمین. با این حال ، تولید اکسیژن بسیار زود در محیط های دیگر ، مانند سایر سیارات وجود دارد ، انتقال به زندگی پیچیده می تواند زمان بسیار کمتری داشته باشد.
اندازه گیری ساعتهای مولکولی h4>
این تیم با ردیابی “ساعت مولکولی” پروتئین های اصلی فتوسنتز مسئول تقسیم آب ، کشف خود را انجام دادند. این روش با بررسی زمان بین لحظات تکاملی شناخته شده ، مانند ظهور گروه های مختلف سیانوباکتریوم یا گیاهان خشکی ، که امروزه نسخه ای از این پروتئین ها را حمل می کنند ، میزان تکامل پروتئین ها را تخمین می زند. سپس نرخ محاسبه شده تکامل به گذشته باز می گردد تا ببیند پروتئین ها در چه زمانی تکامل یافته اند.

“ما می توانیم سیستم های فتویی بسازیم که بتوانند واکنش های شیمیایی جدید و سبز و پایدار پیچیده ای را که کاملاً از نور تأمین می شوند ، انجام دهند.” – دکتر Tanai Cardona

آنها میزان تکامل این پروتئینهای فتوسنتز را با سایر پروتئینهای کلیدی در تکامل زندگی مقایسه کردند ، از جمله آنهایی که مولکولهای ذخیره انرژی را در بدن تشکیل می دهند و آنهایی که ترجمه می کنند DNA به RNA ، که تصور می شود از قبل از جد همه زندگی سلولی روی زمین منشا گرفته باشد. آنها همچنین این میزان را با حوادثی که اخیراً اتفاق افتاده است مقایسه کردند ، زمانی که زندگی از قبل متنوع بود و سیانوباکتری ظاهر شده بود.
پروتئین های فتوسنتز الگوهای تکاملی تقریباً قدیمی را با قدیمی ترین آنزیم ها نشان می دهند که با گذشت زمان کشیده می شوند و حاکی از تکامل آنها به روشی مشابه است.
نویسنده اول مطالعه توماس اولیور ، از گروه علوم زندگی در Imperial ، گفت: “ما از روشی به نام بازسازی توالی اجداد برای پیش بینی توالی پروتئین پروتئین های فتوسنتز اجدادی استفاده کردیم.
“این توالی ها به ما اطلاعاتی در مورد نحوه کار اجدادی Photosystem II می دهد و ما توانستیم نشان دهیم که بسیاری از اجزای اصلی مورد نیاز برای تکامل اکسیژن در Photosystem II را می توان در اولین مراحل تکامل آنزیم جستجو کرد. . ”
کارگردانی تکامل h4>
دانستن چگونگی تکامل این پروتئین های اصلی فتوسنتز نه تنها برای جستجوی حیات در سیارات دیگر مهم است ، بلکه می تواند به محققان در یافتن راهکارهایی برای استفاده از فتوسنتز به روش های جدید از طریق زیست شناسی مصنوعی کمک کند.
دکتر کاردونا ، که چنین پروژه ای را به عنوان بخشی از بورس تحصیلی رهبران آینده UKRI خود هدایت می کند ، گفت: “اکنون ما درک خوبی از چگونگی تکامل پروتئین های فتوسنتز ، سازگار شدن با یک جهان در حال تغییر داریم ، می توانیم از” تکامل هدایت شده “برای یادگیری نحوه تغییر استفاده کنیم آنها را برای تولید انواع جدید شیمی.
“ما می توانیم سیستمهای فتویی بسازیم که بتواند واکنشهای شیمیایی جدید و سبز پایدار و کاملاً جدیدی را ایجاد کند.”
مرجع: “تکامل مقایسه ای مولکولی فتوسنتز اکسیژنی با زمان حل شده” توسط توماس اولیور ، پاتریشیا سانچز-باراکالدو ، آنتونی د. لارکوم ، ویلیام روترفورد و تانای کاردونا ، 19 فوریه 2021 ، BBA – زیست زیستی . DOI: 10.1016 / j.bbabio.2021.148400