چگونه حیات حیوانی زمین از محیط آبی به محیط زمینی منتقل شد؟

انتقال از حیات آبی به حیات زمینی یکی از مهم‌ترین چالش‌های تکاملی بوده است. این فرآیند تصمیم‌گیرنده در تکامل حیات بر روی زمین، نیازمند تجدید اساسی ژنوم بود.

اما چه تغییراتی در ژنوم‌ها رخ داد تا این گذار به محیط زمینی ممکن شود؟ امروز، مطالعه‌ای که در ژورنال Nature منتشر شده است، سازگاری‌های کلیدی ژنومی را در مراحل مختلف انتقال تکاملی به اکوسیستم‌های زمینی بازسازی می‌کند. نتایج نشان می‌دهد که اگرچه هر خط تکاملی مسیر خاص خود را دنبال کرده است، بسیاری از عملکردهای سازگاری به‌صورت مستقل و مکرر تکامل یافته‌اند.

این مطالعه به رهبری مارتا آل‌ورِز‑پریساس (Marta Álvarez‑Presas)، که در حال حاضر در دانشکده زیست‌شناسی و مؤسسه تحقیقات تنوع زیستی (IRBio) دانشگاه بارسلونا فعالیت می‌کند، و جوردی پاپس (Jordi Paps) از دانشگاه بریستول (انگلستان) انجام شده است. نویسندهٔ اول جیا‑لین وی (Jialin Wei) است، دانشجوی دکتری که تحت نظارت آل‌ورِز‑پریساس و پاپس کار می‌کند.

این مقاله برای اولین بار چشم‌اندازی کلی را در مقیاس زمانی استعمار زمینی حیوانات ارائه می‌دهد و نشان می‌دهد که بخش زیادی از سازگاری با زندگی خارج از محیط آبی، فرایندی پیش‌بینی‌پذیر است که در پاسخ به چالش‌های محیطی مشابه به‌وجود می‌آید.

این گذار به محیط زمینی چگونه بود؟

برخلاف گیاهان، مطالعهٔ پایهٔ ژنومی سمپل‌سازی زمینی حیوانات هنوز به‌طور کامل شناسایی نشده است، زیرا بسیاری از گروه‌های کلیدی به‌طور کافی در سطح ژنومیک مورد بررسی قرار نگرفته‌اند. اخیراً، چندین برنامه برای توالی‌یابی این ژنوم‌ها راه‌اندازی شده‌اند و این اطلاعات اکنون برای جامعهٔ علمی در دسترس است تا در مطالعات جدید دربارهٔ ژن‌ها و تکامل به‌کار گرفته شود.

برای بررسی برخی از این جنبه‌های ناشناخته، تیم پژوهش 154 ژنوم از 21 شاخۀ حیوانی را تجزیه و تحلیل کرد تا سازگاری‌های ژنومی مرتبط با یازده رویداد مستقل سمپل‌سازی زمینی را بازسازی کند. این مطالعه از رویکردی یکپارچه استفاده می‌کند و تحلیل مقایسه‌ای ژنومیک، حاشیه‌نویسی عملکردی و بازسازی تکاملی بر پایهٔ مقیاس زمانی را ترکیب می‌نماید.

«در این مطالعه، ما دریافتیم که تمام خطوط زمینی، با وجود تکامل جداگانه، به‌صورت همگرا ژن‌ها را افزوده و از دست داده‌اند تا با چالش‌های محیط زمینی سازگار شوند. نوآوری‌های متداول‌ترین شامل تنظیم اسمزی‌سازی — کنترل آب و نمک‌ها در بدن برای جلوگیری از خشکی یا اشباع آب — محافظت در برابر استرس محیطی، ایمنی، متابولیسم، حسگری و تولیدمثل هستند»، توضیح می‌دهد مارتا آل‌ورِز‑پریساس، از بخش زیست‌شناسی تکاملی، بوم‌شناسی و علوم محیطی.

«از دست رفتن ژن‌ها نیز نقش مهمی در انتقال به زمین داشته‌اند؛ برخی در گروه‌های مختلف به‌طور همزمان رخ داده‌اند»، می‌گوید جیا‑لین وی، نویسندهٔ اول مقاله. «با این حال، تغییرات دیگر به‌صورت منحصر به‌فرد برای هر گروه است و مسیرهای تکاملی را بازتاب می‌دهد»، می‌افزاید جوردی پاپس.

یک فرایند مستقل که در چندین خط تکاملی تکرار می‌شود

سمپل‌سازی زمینی به‌طور مستقل چندین بار در خطوط مختلف پادشاهی حیوانات رخ داده است. با این حال، هر یک از این آزمایش‌های طبیعی برای سازگاری با محیط زمینی، مجبور به غلبه بر چالش‌های فیزیولوژیک و محیطی مشابه بودند.

در این چارچوب از چالش‌های بقا، همگرایی تکاملی نقش مهمی ایفا کرده است. «بسیاری از سازگاری‌های ژنومی به حیات زمینی حیوانات همگرا هستند، که نشانگر پاسخ‌های مولکولی به‌طور کلی پیش‌بینی‌پذیر است. مواجهه با چالش‌های زیست‌محیطی مشابه، مانند خطر خشکی یا شوری کم، حیواناتی که به زمین مستقر شده‌اند، بارها به راه‌حل‌های مولکولی مشابه دست یافته‌اند. این نشان می‌دهد که زندگی در مواجهه با فشارهای تکاملی مشابه، واکنش‌های تکراری دارد»، می‌گوید آل‌ورِز‑پریساس.

این مطالعه نشان می‌دهد که تکامل هم پیش‌بینی‌پذیر است و هم تصادفی. سازگاری‌هایی وجود دارند که بارها و بارها ظاهر می‌شوند زیرا برای حیات خارج از آب ضروری‌اند. «اما هر خط تکاملی مسیر خاص خود را دنبال می‌کند؛ این مسیر تحت تأثیر گذشتهٔ تکاملی، محیط و فشارهای مرتبط شکل می‌گیرد. سمپل‌سازی زمینی این تعادل را نشان می‌دهد: الگوها تکرار می‌شوند اما هرگز به‌طور دقیق یکسان نیستند»، توضیح می‌دهد پژوهشگر.

خطوط تکاملی که به محیط زمینی منتقل شده‌اند، نوسازی ژنی شدیدی نشان می‌دهند، به‌ویژه آنهایی که کاملاً زمینی‌اند؛ آن‌ها ژن‌های جدید بیشتری برای تنظیم آب و حفاظت در محیط بسیار خشک‌تر زمینی به‌دست آورده‌اند.

«به عنوان مثال، مهره‌داران زمینی و حلزون‌های زمینی، مانند حلزون‌ها و لوسیون‌های موجود در باغ‌های ما، در میان آن‌هایی هستند که بیشترین نوآوری‌ها را به خود جذب کرده‌اند؛ مانند گسترش خانواده‌های ژنی مرتبط با انتقال یون یا تغییرات خاص در متابولیسم برای کاهش از دست رفتن آب»، وی اشاره می‌کند.

«ما همچنین به‌دست آوردیم که در چندین گروه زمینی، از دست رفتن همگرا ژن‌های مرتبط با بازسازی مشاهده می‌شود؛ این عملکرد ممکن است در خارج از محیط آبی کمتر ضروری باشد. با این حال، پوشش ژنومی ناقص می‌تواند این ارقام را با افزودن گونه‌های بیشتر در تجزیه‌وتحلیل‌های آینده افزایش دهد.

بازنویسی تاریخچهٔ تکاملی سیاره

یکی از نتایج شگفت‌انگیز این تحقیق، شناسایی سه موج بزرگ سمپل‌سازی زمینی بود — که با تغییرات بزرگ اکولوژیکی جهان همزمان هستند — و همچنین این نکته که بین خطوط تکاملی که بیش از ۵۰۰ میلیون سال پیش از هم جدا شده‌اند، عملکردهای مشابهی وجود دارد.

«این الگوی زمانی به ما چشم‌اندازی بی‌نظیر دربارهٔ نحوهٔ بازنویسی حیات بر روی زمین در طول دوره‌های ژئولوژیک مختلف می‌دهد. علاوه بر این، اگرچه پیش‌بینی می‌شد، گستردگی نوسازی ژنومی که شناسایی کرده‌ایم و تکرار عملکردهای تنظیم اسمزی در تمام گروه‌ها قابل توجه است و تأیید می‌کند که حفظ تعادل آب و یون‌ها یک «مانع کلیدی» برای تسخیر زمین بوده است»، پایان می‌دهد پژوهشگر.

فیلوجنی بر پایهٔ ۱۵۴ تاکسون نمونه‌برداری شده است که تعداد نمونه‌برداری هر تاکسون پس از نام کلاد در پرانتز نشان داده می‌شود. رویدادهای زمینی با متن سبز برجسته شده‌اند. محتوای HG گره‌های زمینی در هر جعبهٔ مربوطه نمایش داده می‌شود (از چپ به راست، از بالا به پایین: HGهای جدید، HGهای هستهٔ جدید، HGهای گسترش‌یافته، HGهای منقبض‌شده و HGهای از دست رفته). محور Y تعداد HGها در هر دسته از هر کلاد را نشان می‌دهد. سیلوئت‌های موجودات (منبع از phylopic.org و نویسندگان، تحت اختصاص عمومی (CC0 1.0 Universal)) ۱۱ رویداد زمینی را نشان می‌دهند. مخفف‌های زمان زمین‌شناسی به شرح زیر است: Neop. (نوپروتروزوئیک، بخش)، Camb. (کمبری)، Ord. (اردویسیان)، Sil. (سیلورین)، Dev. (دوان)، Carb. (کربونيفر)، Perm. (پرمیان)، Tri. (تریاسیک)، Palg. (پالئوژن)، Ng. (نئوجن)، Q. (کوارتنری). Myr: میلیون سال. — Nature

تکامل همگرا ژنوم، شکل‌گیری حیوانات زمینی را تحت‌تأثیر قرار داد، Nature (دسترسی آزاد)

زیست‌شناسی فضایی، تکامل،