שותפות עתיקה: פתיחת התוכנית המיקרוביאלית של האבולוציה של כדור הארץ

מדענים סוקרים את ההשפעה הנרחבת של מיקרואורגניזמים על ההיסטוריה של כדור הארץ, ומתחקים אחר השפעתם באמצעות עדויות איזוטופיות וגנטיות.

המחקר מדגיש את הקשר בין פעילות מיקרוביאלית לתמורות סביבתיות גדולות, כמו רמות חמצן, שהן חיוניות להבנת האבולוציה של כדור הארץ ולהערכת יכולת המגורים מחוץ לכדור הארץ.

נאס"אמדענים נתמכים בחנו את ההיסטוריה הארוכה והקשורה באופן מורכב של חיים מיקרוביאליים וסביבת כדור הארץ. על ידי סקירת מצב הידע הנוכחי על פני תחומים כמו מיקרוביולוגיה, ביולוגיה מולקולרית וגיאולוגיה, המחקר בוחן כיצד מיקרואורגניזמים עוצבו וגם עוצבו על ידי תכונות כימיות של האוקיינוסים, האדמה והאטמוספירה של הפלנטה שלנו. המחקר משלב נתונים על פני תחומי מחקר מרובים ודן כיצד לא ניתן לראות מידע על ההיסטוריה המסובכת של החיים על הפלנטה שלנו מתחום יחיד במנותק.

הבנת מאובנים מיקרוביאליים

החיים הראשונים על פני כדור הארץ היו חיידקים. כיום הרוב המכריע של הביומסה של הפלנטה שלנו עדיין מורכב ממיקרואורגניזמים זעירים חד-תאיים. למרות שהם בשפע, ההיסטוריה של חיידקים יכולה להיות אתגר עבור אסטרוביולוגים לחקור. חיידקים אינם משאירים עצמות, קונכיות או מאובנים גדולים אחרים כמו דינוזאורים, דגים או אורגניזמים גדולים אחרים. בגלל זה, מדענים חייבים להסתכל בראיות שונות כדי להבין את התפתחות החיים של חיידקים לאורך זמן.

על מנת לחקור חיידקים עתיקים על פני כדור הארץ, אסטרוביולוגים מחפשים טביעות אצבע איזוטופיות בסלעים שניתן להשתמש בהן כדי לזהות את חילוף החומרים של קהילות עתיקות. מטבוליזם מתייחס להפיכת מזון לאנרגיה, ומתרחש בכל היצורים החיים. יסודות רבים (חשבו פחמן (C), חנקן (N), גופרית (S), ברזל (Fe)) מעורבים בחילוף החומרים המיקרוביאליים. כאשר חיידקים מעבדים את היסודות הללו, הם גורמים לשינויים איזוטופים שמדענים יכולים לזהות בתיעוד הסלע. מיקרובים גם עוזרים לשלוט על האופן שבו אלמנטים אלה מופקדים ומסתובבים בסביבה, ומשפיעים על הגיאולוגיה והכימיה הן בקנה מידה מקומי והן בקנה מידה עולמי (שקול את תפקידם של חיידקים במחזור הפחמן בכדור הארץ כיום).

תובנות גנטיות וגיאולוגיות

דרך נוספת לחקור חיים מיקרוביאליים עתיקים היא להסתכל אחורה לאורך המידע האבולוציוני הכלול בגנטיקה של החיים כיום. שילוב של מידע גנטי זה מהביולוגיה המולקולרית עם מידע גיאוביולוגי מתעודת הסלע יכול לעזור לאסטרוביולוגים להבין את הקשרים בין האבולוציה המשותפת של כדור הארץ המוקדם לבין החיים המוקדמים.

לדוגמא של עדות גיאולוגית לחילוף חומרים מיקרוביאלי, אנו יכולים לשקול היווצרות של תצורות ברזל פסים (BIFs) על קרקעית הים העתיקה. שכבות צבעוניות אלה של משקעים עשירים בברזל וסיליקון לסירוגין נוצרו לפני 3.8 מיליארד עד 1.8 מיליארד שנים וקשורות לכמה מתצורות הסלע העתיקות ביותר על פני כדור הארץ. הצבעים האדומים שהם מציגים הם מתכולת הברזל הגבוהה שלהם, מה שמראה לנו שהאוקיינוס ​​של כדור הארץ היה עשיר בברזל במהלך 2 מיליארד השנים שבהן הסלעים הללו נוצרו.

במחקר החדש, צוות החוקרים מספק סקירה של הידע הנוכחי, אוסף מידע על חילוף החומרים המוקדמים בהם השתמשו חיים מיקרוביאליים, העיתוי של התפתחות חילוף החומרים הללו, וכיצד תהליכים אלו קשורים לשינויים כימיים ופיזיקליים גדולים על פני כדור הארץ, כמו חימצון האוקיינוסים והאטמוספירה.

השפעות אבולוציה וחמצן

במשך הזמן, שכיחות החמצן על פני כדור הארץ השתנתה באופן דרמטי, באוקיינוס, באטמוספירה וביבשה. שינויים אלה השפיעו הן על התפתחות הביוספרה והן על הסביבה. לדוגמה, כאשר פעילותם של אורגניזמים פוטוסינתטיים העלתה את רמות החמצן באטמוספירה, ויצרה סביבות חדשות לחיים מיקרוביאליים. חומרי הזנה שונים נגישו לחיים כדי לתדלק את הצמיחה. במקביל, חיידקים שלא יכלו לשרוד בנוכחות חמצן נאלצו להסתגל, לגווע או למצוא דרך לשרוד בסביבות שבהן החמצן לא נמשך, כמו בעומק תת-הקרקע של כדור הארץ.

המחקר החדש מסביר את ההבנה שלנו כיצד השתנו רמות החמצן לאורך זמן וקנה מידה מרחבי. המחברים ממפים סוגים שונים של מטבוליזם מיקרוביאלי, כגון פוטוסינתזה, להיסטוריה זו כדי להבין טוב יותר את "קשר סיבה ותוצאה" בין חמצן לאבולוציה של החיים על פני כדור הארץ. המאמר מספק הקשר חשוב לשינויים גדולים במהלך האבולוציה עבור הביוספרה והכוכב.

מחזורים ביוגיאוכימיים והשפעות אבולוציוניות

על ידי בחינה מדוקדקת של ההיסטוריה של סוגים שונים של מטבוליזם מיקרוביאלי על פני כדור הארץ, מאמר הסקירה מראה כיצד מחזורים ביו-גיאוכימיים על הפלנטה שלנו קשורים קשר בל יינתק לאורך זמן על פני קנה מידה מקומי ועולמי כאחד. המחברים גם דנים בפערים משמעותיים בידע שלנו המגבילים פרשנויות. לדוגמה, איננו יודעים כמה גדולה הייתה הביוספרה הצעירה על פני כדור הארץ, מה שמגביל את יכולתנו להעריך את ההשפעות העולמיות של חילוף חומרים שונים במהלך השנים המוקדמות ביותר של כדור הארץ.

באופן דומה, כאשר משתמשים במידע גנטי כדי להסתכל אחורה לאורך עץ החיים, מדענים יכולים להעריך מתי גנים מסוימים הופיעו לראשונה (ועל ידי כך באילו סוגי מטבוליזם ניתן היה להשתמש באותה תקופה בתאים חיים). עם זאת, האבולוציה של סוג חדש של מטבוליזם בנקודה בהיסטוריה אינה אומרת בהכרח שחילוף החומרים הזה היה נפוץ או שהיתה לו השפעה מספיק גדולה בסביבה כדי להשאיר עדויות בתיעוד הסלע.

מסקנה והשלכות על חיים מחוץ לכדור הארץ

לדברי המחברים, "ההיסטוריה של החיים המיקרוביאליים צעדה בצעד עם ההיסטוריה של האוקיינוסים, היבשה והאטמוספירה, וההבנה שלנו נותרה מוגבלת על ידי כמה שאנחנו עדיין לא יודעים על הסביבה של כדור הארץ הקדום."

למחקר יש גם השלכות רחבות יותר בחיפוש אחר חיים מעבר לכדור הארץ. הבנת האבולוציה המשותפת של החיים והסביבה יכולה לעזור למדענים להבין טוב יותר את התנאים הדרושים כדי שכוכב לכת יהיה ראוי למגורים. הקשרים ההדדיים בין החיים והסביבה מספקים גם רמזים חשובים בחיפוש אחר גזים ביולוגיים באטמוספרות של כוכבי לכת המקיפים כוכבים רחוקים.

למידע נוסף על מחקר זה, ראה תובנות חדשות לגבי האורגניזמים הראשונים של כדור הארץ יכולים לשנות את האופן שבו אנו מחפשים חיים מחוץ לכדור הארץ.