חתימות סמנים ביולוגיים שהתגלו לאחרונה מצביעות על מגוון שלם של אורגניזמים, שלא היו מוכרים עד כה, ששלטו בחיים המורכבים על פני כדור הארץ לפני יותר ממיליארד שנים. הם נבדלו מחיים איקריוטיים מורכבים ומוכרים, כמו בעלי חיים, צמחים ואצות במבנה התא שלהם ובחילוף החומרים שהותאם לעולם שבו היה הרבה פחות חמצן באטמוספרה מאשר היום. כעת, התגלית עשויה לעזור למדענים לפתור תעלומה ארוכת שנים לגבי התפתחות החיים החד-תאיים, במה שהכין את השטח לחלק גדול מהחיים של היום על כדור הארץ.
צוות בינלאומי של חוקרים, כולל הגיאוכימאי ד"ר כריסטיאן האלמן ממרכז המחקר הגרמני למדעי כדור הארץ בפוטסדאם, דיווח על פריצת דרך בתחום הגיאוביולוגיה האבולוציונית במחקר שפורסם בכתב העת Nature. צוות החוקרים גילה שפע עקבות של צורות חיים קדומות בסלעי משקע בני 1.6 מיליארד שנה שנוצרו בקרקעית האוקיינוס ליד מה שהוא כיום הטריטוריה הצפונית באוסטרליה.
"האיקריוטים - יצורים בעלי גרעין תא ואברונים, המהווים על-ממלכה במיון עולם הטבע - התפתחו מהאב הקדמון המשותף האיקריוטי האחרון (LECA) שחי בתקופה שלפני 1.8-1.2 מיליארד שנים", אמר הפלאונטולוג ד"ר בנג'מין נטרשהיים מאוניברסיטת ברמן, שנמנה על מחברי המחקר. שתי העל-ממלכות האחרות - חיידקים וארכאונים - כוללות את היצורים הפרוקריוטיים. השוני בין היצורים הוא שתא איקריוטי מתאפיין בכך שקיימים בו גרעין ואברונים מתמחים, המופרדים מהציטופלזמה על ידי ממברנה ביולוגית, אך לעומתו תא פרוקריוטי הוא חסר גרעין ואברונים.
"גולת הכותרת של המחקר היא לא רק הרחבה של התיעוד המולקולרי הנוכחי של יצורים איקריוטים. בהתחשב בכך שהאב הקדמון המשותף האחרון של כל האיקריוטים המודרניים, כולל בני האדם, היה מסוגל לייצר סטרולים (ליפידים הבנויים מארבע טבעות קשיחות של פחמן ומכילים קבוצת הידרוקסיל אחת לפחות) מודרניים 'רגילים', רוב הסיכויים שהאיקריוטים האחראים על החתימות הנדירות הללו היו שייכים לגזע העץ הפילוגנטי", אמר ד"ר האלמן.
"גזע" זה מייצג את שושלת האבות המשותפת שהייתה קודמת לכל ענפי האיקריוטים שעדיין חיים. נציגיה נכחדו מזמן, אך פרטי טבעם עשויים לשפוך אור נוסף על התנאים סביב התפתחותם של חיים מורכבים. הגילוי של מולקולות חדשות אלה לא רק מיישב את התיעוד הגיאולוגי של מאובנים מסורתיים עם זה של מולקולות ליפידים מאובנים, אלא גם מניב הצצה נדירה וחסרת תקדים לעולם אבוד של חיים עתיקים. "כמעט כל האיקריוטים עושים ביוסינתזה של סטרואידים, כמו כולסטרול שמיוצר על ידי בני אדם ורוב בעלי החיים האחרים. בשל השפעות בריאותיות שליליות פוטנציאליות של רמות כולסטרול גבוהות בבני אדם, לכולסטרול אין את המוניטין הטוב ביותר מבחינה רפואית. עם זאת, מולקולות שומנים אלו הן חלק אינטגרלי של ממברנות תאים אוקריוטיות, שם הן מסייעות במגוון פונקציות פיזיולוגיות. בחיפוש אחר סטרואידים מאובנים בסלעים עתיקים, נוכל להתחקות אחר התפתחותם של חיים מורכבים יותר ויותר", הסביר ד"ר נטרשהיים.
פרופ' קונרד אמיל בלוך, ביוכימאי אמריקני-גרמני-יהודי שזכה בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה לשנת 1964 על מחקרו בנושא מנגנון ויסות הכולסטרול ומטבוליזם של חומצות שומן, כבר העלה השערות לגבי סמן ביולוגי כזה לפני כמעט 30 שנה. פרופ' בלוך הציע שחומרי ביניים קצרי מועד בביו-סינתזה המודרנית של סטרואידים אולי לא תמיד היו כאלה. הוא האמין שהביוסינתזה של שומנים התפתחה במקביל לשינויים בתנאי הסביבה לאורך ההיסטוריה של כדור הארץ.
בניגוד לפרופ' בלוך, שלא האמין כי ניתן למצוא אי פעם את חומרי הביניים העתיקים הללו, ד"ר נטרשהיים החל לחפש פרוטו-סטרואידים בסלעים עתיקים מהתקופה שבה אותם חומרי ביניים יכולים היו למעשה להיות התוצר הסופי. בנקודה זו, נשאלת השאלה כיצד ניתן היה למצוא מולקולות כאלה בסלעים עתיקים? "השתמשנו בשילוב של טכניקות כדי להמיר תחילה סטרואידים מודרניים שונים למקבילות המאובנות שלהם, אחרת לא היינו יודעים אפילו מה לחפש. אנחנו מאמינים שהם היו הטורפים הראשונים על פני כדור הארץ, מכיוון שניזונו מחיידקים", אמר פרופ' ג'וכן ברוקס, מהאוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה, שנמנה גם הוא על מחברי המחקר.
מקום הימצאן של הדגימות העתיקות ביותר עם הסמן הביולוגי היה בתצורת בארני קריק (Barney Creek Formation) שבאוסטרליה - משם התרחב החיפוש גם לאזורים אחרים שהניבו עקבות זהות, כמו למשל במערב אפריקה, סקנדינביה וסין - והן בנות 1.64 מיליארד שנים, כשתיעוד הסלע של 800 מיליון השנים הבאות הניב רק מולקולות מאובנים של איקריוטים ראשוניים לפני שהחתימות המולקולריות של איקריוטים מודרניים הופיעו לראשונה החל מראשית תור הנאופרוטרוזואיקון.
"הטרנספורמציה בתקופה הטונית התגלתה כאחת מנקודות המפנה האקולוגיות העמוקות ביותר בהיסטוריה של כדור הארץ", אמר ד"ר נטרשהיים. "בהחלט ייתכן כי איקריוטים קדמוניים ומודרניים (כמו אצות אדומיות) חיו אלו לצד אלו במשך מאות מיליוני שנים", הוסיף ד"ר האלמן.
אולם במהלך תקופה זו, האטמוספרה של כדור הארץ הועשרה יותר ויותר בחמצן - תוצר מטבולי של אצות כחוליות ושל האצות האיקריוטיות הראשונות שהיו רעילות לאורגניזמים רבים אחרים. מאוחר יותר, הופיעו קרחונים בתקופה שבה חל "כדור הארץ הקפוא" (Snowball Earth), כשכוכב הלכת שלנו כוסה במלואו - או כמעט במלואו - במעטה קרח, כך שקהילות הפרוטו-סטרולים גוועו ברובם.
ייתכן שהאב הקדמון המשותף האחרון של כל האיקריוטים החיים חי לפני 1.8 עד 1.2 מיליארד שנים. צאצאיו יכלו כנראה לשרוד טוב יותר חום וקור כמו גם קרינת UV ובכך תפסו את מקומם של קרוביהם הקדמוניים. "כדור הארץ היה עולם מיקרוביאלי במשך חלק ניכר מההיסטוריה שלו והותיר מעט עקבות. יחד עם זאת, המחקר ממשיך בניסיון להתחקות אחר שורשי הקיום שלנו - ממצאי המחקר מקרבים אותנו כעת צעד אחד נוסף להבנה כיצד חיו והתפתחו אבותינו הקדומים ביותר", סיכם ד"ר נטרשהיים.
