Φύκια δισεκατομμυρίων ετών και νεότερα γονίδια υπαινίσσονται την προέλευση των φυτών της γης

Πριν από περίπου 500 εκατομμύρια χρόνια - όταν η Γη ήταν ήδη ώριμα 4 δισεκατομμυρίων ετών - τα πρώτα πράσινα φυτά εμφανίστηκαν σε ξηρά γη. Το πώς ακριβώς συνέβη αυτό εξακολουθεί να είναι ένα από τα μεγάλα μυστήρια της εξέλιξης. Πριν από τότε, η χερσαία γη φιλοξενούσε μόνο μικροβιακή ζωή. Τα πρώτα πράσινα φυτά που βρήκαν το δρόμο τους έξω από το νερό δεν ήταν τα αιωρούμενα δέντρα ή ακόμα και οι μικροί θάμνοι του σημερινού μας κόσμου. Πιθανότατα ήταν μαλακά και βρύα, με ρηχές ρίζες και λίγες από τις προσαρμογές που θα εξελίσσονταν αργότερα για να επιβιώσουν και να ευδοκιμήσουν σε ξηρά γη. Και παρόλο που οι επιστήμονες συμφωνούν ότι αυτά τα φυτά εξελίχθηκαν από κάποια είδη φυκιών, γνωρίζουμε συγκριτικά λίγα για αυτούς τους προγόνους των πράσινων φυκιών.

Αλλά μερικές πρόσφατες εργασίες - δύο βασισμένες στη μοριακή βιολογία και μια σε σπάνια, πολύτιμα απολιθώματα πριν από 1 δισεκατομμύριο χρόνια - βοηθούν να καλυφθούν τα κενά στην κατανόησή μας για αυτά τα αρχαία φύκια και τι τους επέτρεψε να κάνουν τελικά τη μετάβαση στη γη .

Ενώ τα απολιθώματα των χερσαίων φυτών είναι άφθονα, τα αρχαία απολιθώματα φυκιών είναι σπάνια. Για να επιβιώσουν εκτός νερού, τα φυτά ανέπτυξαν γερά αγγειακά συστήματα και ισχυρά κυτταρικά τοιχώματα. Αυτά τα ίδια χαρακτηριστικά συνιστούν εξαιρετική διατήρηση σε απολιθώματα. «Τα περισσότερα φύκια είναι μικρά στριμωγμένα πράγματα. δεν σχηματίζουν σκελετό. Οι πρώτες χερσαίες εγκαταστάσεις έπρεπε να έχουν κάποιο είδος μηχανικής υποστήριξης», δήλωσε ο Shuhai Xiao, καθηγητής γεωβιολογίας στο Πολυτεχνικό Ινστιτούτο της Βιρτζίνια και το Κρατικό Πανεπιστήμιο. "Συνολικά, το υλικό τους είναι πολύ πιο δυνατό από τα φύκια."

Το μικροσκοπικό απολίθωμα που ανακαλύφθηκε πρόσφατα, μικρότερο από έναν κόκκο ρυζιού, φαίνεται να είναι το παλαιότερο γνωστό δείγμα πράσινων φυκών στον κόσμο:γυρίζει πίσω το ρολόι στην επιβεβαιωμένη ύπαρξη αυτών των φυκών κατά 200 εκατομμύρια χρόνια. «Είναι πολύ τρομακτικό. Ένα δισεκατομμύριο χρόνια — αυτό είναι τουλάχιστον πέντε φορές παλαιότερο από τους παλαιότερους δεινόσαυρους», είπε ο Xiao, ο οποίος είναι ανώτερος συγγραφέας στο Nature Ecology &Evolution χαρτί που ανακοίνωσε την ανακάλυψη. «Είναι πριν από κάθε ζώο. Ο κόσμος είναι πολύ, πολύ διαφορετικός από αυτό που γνωρίζουμε σήμερα.»

Ο Qing Tang, ένας μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του Xiao και ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, έχει βάλει ως αποστολή του να αναζητήσει βράχους δισεκατομμυρίων ετών σε όλο τον κόσμο. Ενδιαφέρεται για ένα από τα κρίσιμα βήματα στην εξέλιξη της πολύπλοκης ζωής:πώς τα κύτταρα έγιναν ευκαρυωτικά, με διαφορετικά εσωτερικά διαμερίσματα και όχι ελεύθερα αιωρούμενα περιεχόμενα κυττάρων. «Με ενδιαφέρει το ερώτημα πώς εξελίχθηκαν οι ευκαρυώτες στα πρώτα στάδια στη Γη», είπε ο Tang. «Για να απαντήσουμε σε αυτή την ερώτηση, πρέπει να αναζητήσουμε πολύ παλιούς βράχους». Έσκαψε μερικούς από σχηματισμούς κοντά στην πόλη Dalian στη βόρεια Κίνα, όπου οι γεωλογικοί χάρτες του είχαν πει ότι ήταν πιθανό να βρει τους βράχους με πράσινο χρώμα που περιείχαν απολιθώματα από εκείνη την απομακρυσμένη εποχή. Αλλά μόνο όταν επέστρεψε στο εργαστήριο και τα εξέτασε κάτω από ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, κατάλαβε την αξία αυτού που είχε βρει:«Ήμουν πολύ ενθουσιασμένος όταν είδα το πρώτο κομμάτι αυτού του πράσινου φυκιού», είπε. «Αυτά τα είδη απολιθωμάτων είναι εντελώς νέα για την επιστήμη.

Όσο αρχαία κι αν είναι τα απολιθωμένα φύκια, φαίνεται να έχουν πολλά από τα χαρακτηριστικά που παρατηρήθηκαν επίσης σε πολύ μεταγενέστερα πράσινα φύκια. Δεν είναι μόνο ότι ήταν ξεκάθαρα φωτοσυνθετικά και πολυκύτταρα - χαρακτηριστικά που βοηθούν στον προσδιορισμό των φυκιών, αλλά έχουν θολή εξελικτική προέλευση. «Έχουν φύλλα, έχουν κλαδιά», είπε ο Τανγκ.

Πριν από το εύρημα του Τανγκ, το παλαιότερο γνωστό απολίθωμα πράσινων φυκών ήταν μόλις 800 εκατομμυρίων ετών. Επειδή αυτό το απολίθωμα είναι κατακερματισμένο και ελάχιστα διατηρημένο, δεν συμφώνησαν όλοι οι επιστήμονες ότι ήταν ένα κομμάτι πράσινης άλγης που απαθανατίστηκε σε βράχο. η αβεβαιότητα άφησε την πρώιμη ιστορία των φυκιών υπό αμφισβήτηση. Τα νέα απολιθώματα από το Dalian έχουν ξεπεράσει την δισεκατομμύρια χρόνια ύπαρξή τους με μεγαλύτερη επιτυχία. «Είμαστε [είμαστε] πιο σίγουροι ότι τα ερμηνεύουμε ως φύκια», είπε ο Τανγκ, «και [είναι] πιο πειστικά για άλλους επιστήμονες».

Αλλά υπάρχει ακόμα περιθώριο αμφιβολίας. Ο Charles Delwiche, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Maryland, λέει ότι τα απολιθώματα είναι πιθανότατα πράσινα φύκια, αλλά δεν είναι πλήρως πεπεισμένος. «Το αρχείο απολιθωμάτων είναι δύσκολο να ερμηνευτεί», είπε. "Δεν ξέρουμε τι υπάρχει εκεί έξω που έχει εξαφανιστεί."

Ο Andrew Knoll, καθηγητής φυσικής ιστορίας στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, εξέφρασε παρόμοιες επιφυλάξεις. «Είναι πολύ πιθανό τα απολιθώματα να αντικατοπτρίζουν μια εξαφανισμένη, πρώιμη διακλαδισμένη ομάδα», είπε σε ένα email. «Διάφορες μορφές πολυκυτταρικότητας έχουν εξελιχθεί επανειλημμένα μέσα στους πράσινους, επομένως μια τέτοια ερμηνεία δεν είναι κουραστική».

Οι εξελικτικές καινοτομίες που παρατηρήθηκαν στο απολίθωμα του Τανγκ μπορεί να βοήθησαν να τεθούν τα φύκια σε μια διαδρομή που τελικά τα οδήγησε στην ξηρά πριν από περίπου 470 εκατομμύρια χρόνια. Αλλά η μετάβαση στη ζωή της ξηράς πιθανότατα θα είχε ξεκινήσει εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια νωρίτερα, με τα πράσινα φύκια να προσαρμόζονται για να επιβιώσουν σε υγρό έδαφος ή άμμο που υπόκεινται σε προσωρινή ξήρανση. Οι εξελικτικοί βιολόγοι πιστεύουν γενικά ότι αυτός ο μετασχηματισμός πιθανότατα προέκυψε παράλληλα με την εμφάνιση πιο περίπλοκων πολυκυτταρικών δομών, μερικές από τις οποίες επιδόθηκαν σε αυτές τις προσαρμογές.

Αλλά η εξέλιξη δεν είναι πάντα μια σταθερή πορεία προς τα εμπρός. «Ιστορικά οι άνθρωποι πάντα υπέθεταν ότι η εξέλιξη είναι μια γραμμική διαδικασία – γίνεται όλο και πιο περίπλοκη. Αυτό έχει απομυθοποιηθεί ξανά και ξανά, αλλά εξακολουθεί να διαπερνά τη σκέψη μας», δήλωσε ο Gane Ka-Shu Wong, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Αλμπέρτα.

Σε μια πρόσφατη δημοσίευση στο Cell , Wong, Michael Melkonian από το Πανεπιστήμιο του Duisberg-Essen στη Γερμανία και οι συνάδελφοί τους έδειξαν μέσω γενετικής ανάλυσης ότι οι πλησιέστεροι ζωντανοί συγγενείς των φυτών της ξηράς είναι ένα βρύο είδος γλυκού νερού γνωστό ως Zygnematophyceae. Αν και αυτά τα πράσινα φύκια είναι συνήθως μονοκύτταρα, πρέπει να έχουν κοινό πρόγονο με φυτά της γης:Έχουν πολλά κοινά γονίδια που είναι ζωτικής σημασίας για την επιβίωση στη στεριά, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων που προσδίδουν αντίσταση στην ξήρανση και ορισμένων για τη σύνθεση ενός κυτταρικού τοιχώματος. Αυτά τα κοινά στοιχεία υποδηλώνουν όχι μόνο ότι πολλές από τις προσαρμογές στην ξηρά έγιναν πριν τα φυτά μετακινηθούν στην ξηρά, αλλά επίσης ότι ορισμένα πολύπλοκα προγονικά χαρακτηριστικά χάθηκαν από τα είδη της λίμνης με την πάροδο του χρόνου όταν έπαψαν να είναι χρήσιμα. "Η εξέλιξη μπορεί να είναι δύο βήματα μπροστά, ένα βήμα πίσω", είπε ο Wong.

Σε ένα σχόλιο για την εργασία των Wong και Melkonian στο Current Biology , ο Philip Donoghue και ο Jordi Paps από το Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ επεκτείνουν το επιχείρημα ότι πολλά από τα φυτικά γονίδια που μοιάζουν με προσαρμογές στη ζωή στην ξηρά φαίνεται να έχουν πολύ βαθύτερες ιστορίες και μπορεί να είχαν αρχικά διαφορετικές λειτουργίες στα φύκια. «Αν και τα σχετικά απλά Zygnematophyceae μπορεί να είναι οι άμεσοι συγγενείς των φυτών της γης, προέρχονται μέσω της απλοποίησης από πιο σύνθετους… προγόνους των οποίων τα σχέδια σώματος και τα γονιδιώματα συγκεντρώθηκαν σε βαθύτερους… προγόνους», έγραψαν.

Στην πραγματικότητα, μερικές από αυτές τις γενετικές ιστορίες μπορεί να φτάσουν πέρα ​​από τα φύκια:Το Κύτταρο Έγγραφο έδειξε ότι τα γονίδια για την επιβίωση των πιέσεων της αποξήρανσης μπορεί να προέρχονται αρχικά από βακτήρια του εδάφους και να έχουν δοθεί στα Zygnematophyceae (ή στους προγόνους τους) μέσω οριζόντιας μεταφοράς.

Σε μια ξεχωριστή μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Current Biology Τον περασμένο μήνα, ο Paps, μαζί με τους Alexander Bowles και Ulrike Bechtold από το Πανεπιστήμιο του Essex, συνέκριναν τα γονιδιώματα περισσότερων από 200 ζωντανών φυτών και τα χρησιμοποίησαν για να κατασκευάσουν ένα εξελικτικό δέντρο της βαθιάς καταγωγής τους. Κατά τη χαρτογράφηση του δέντρου, εντόπισαν πότε εμφανίστηκαν διάφορα γονίδια και στη διαδικασία εντόπισαν δύο εκρήξεις εξαιρετικής γονιδιωματικής καινοτομίας.

Το δεύτερο, που φαίνεται να συνέβη όταν τα φύκια άρχιζαν να κάνουν τη μετάβαση στην επίγεια ζωή, παρήγαγε γονίδια για προσαρμοστικά χαρακτηριστικά όπως η προστασία από το υπεριώδες φως και η ικανότητα να σχηματίζουν ένα ριζικό σύστημα και να αλληλεπιδρούν με τα χερσαία μικρόβια. Μια πολύ νωρίτερα έκρηξη σημειώθηκε ενώ τα φύκια ήταν ακόμη πλήρως υποβρύχια και έκαναν τη μετάβαση από την μονοκύτταρα στην πολυκυτταρικότητα.

Η ανακάλυψη αυτής της προηγούμενης έκρηξης δείχνει μερικές από τις δυσκολίες στην ενοποίηση των απολιθωμάτων δισεκατομμυρίων ετών και των γενετικών αποτελεσμάτων σε ένα ενιαίο, απλό χρονοδιάγραμμα της εξέλιξης των πράσινων φυτών. Για τους Tang και Xiao, τα φυσικά χαρακτηριστικά στα απολιθώματα υποδηλώνουν ότι το είδος ήταν ένα χλωρόφυτο, μία από τις δύο κύριες γενεαλογίες των πράσινων φυκών — αλλά όχι αυτή που οι περισσότεροι επιστήμονες πιστεύουν ότι παρήγαγε φυτά της γης. «Είναι σαν να μιλάμε για το εγγονάκι των φυτών της γης», είπε ο Xiao. Επομένως, αυτά τα αρχαία δείγματα φυκών φαίνεται ότι έχουν εξελίξει την πολυκύτταρη, πολύπλοκη δομή τους νωρίτερα και ανεξάρτητα από την έκρηξη γενετικής δημιουργικότητας που ο Paps και οι συνάδελφοί του συνήγαγαν από την ανακατασκευή.

Αυτό δεν προκαλεί έκπληξη, επειδή η πολυκυτταρικότητα έχει εξελιχθεί πολλές φορές σε διαφορετικές γενεές. Στην πραγματικότητα, οι περισσότεροι ειδικοί συμφωνούν ότι πολλά από τα χαρακτηριστικά των πρώιμων πράσινων φυκών θα μπορούσαν να έχουν εξελιχθεί ανεξάρτητα περισσότερες από μία φορές σε ένα φαινόμενο γνωστό ως συγκλίνουσα εξέλιξη. «Υπάρχουν μόνο τόσοι πολλοί τρόποι για να κάνεις κάτι», είπε η Σουζάνα Πόρτερ, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα.

Η ασυμφωνία μπορεί επομένως να υπογραμμίσει το πραγματικό μάθημα που πρέπει να αφαιρέσουμε από αυτές τις ανακαλύψεις:Οποιαδήποτε σίγουρη δήλωση σχετικά με το πότε και πώς ακριβώς εξελίχθηκαν οι πρόγονοι των φυτών της γης μπορεί πάντα να περιλαμβάνει μια υπεραπλούστευση της τεθλασμένης διαδρομής που ακολουθεί συχνά η εξέλιξη. «Δεν υπάρχει λόγος να πιστεύουμε ότι τα φύκια σε όλες αυτές τις χιλιετίες απλώς πήγαιναν σε ευθεία γραμμή», είπε ο Wong. "Απλώς δεν λειτουργεί με αυτόν τον τρόπο."

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις  Wired.com .