מחקר שהתחקה אחרי מקורותיהם של חלבונים שקשורים לפוטוסינתזה או לשימוש בחמצן מגלה: יצורים השתמשו בו חצי מיליארד שנה לפני "החמצון הגדול"

האטמוספרה של כדור הארץ מכילה כיום כ-21 אחוז חמצן מולקולרי, כלומר מולקולות שמורכבות משני אטומי חמצן (O2). אך במשך רוב שנות קיומו של כדור הארץ המצב היה שונה מאוד. רק לפני כ-2.4 מיליארד שנה הופיעה בהדרגה באטמוספרה כמות משמעותית של חמצן, בתהליך שמכונה החמצון הגדול.

שיעור החמצן באטמוספרה הלך וגבר בזכות תהליכי פוטוסינתזה חמצנית – תהליך שבו צמחים ויצורים חיים אחרים משתמשים באנרגית השמש כדי להמיר פחמן דו-חמצני ומים לסוכרים שבהם אגורה אנרגיה כימית זמינה, ופולטים בתוך כך חמצן. הראיות לקיומו של החמצון הגדול מגיעות בעיקר מחקר הגיאוכימיה של כדור הארץ, כלומר ניתוח ההרכב הכימי של שכבות סלע עתיקות.

אך בעוד המידע הגיאוכימי מעיד שהחמצן החל להצטבר באטמוספרה לפני כ-2.4 מיליארד שנה, ממצאים ממקורות אחרים העלו לאחרונה שיצורים שביצעו פוטוסינתזה חיו עוד קודם לכן. מה שנראה לכאורה כסתירה מחייב אותנו לשאול עד כמה היה החמצן זמין ליצורים שחיו על כדור הארץ לפני שהחמצון הגדול הפך אותו לנפוץ במיוחד, ומתי ניצול החמצן נהיה דומיננטי כל כך בקרב יצורים חיים בעולמנו.

במאמר שהתפרסם לאחרונה בכתב העת Nature Ecology & Evolution ניסו חוקרים ממכון ויצמן למדע לבחון את הסוגיה דווקא מהזווית הביולוגית. בדומה לעבודות שורשים שעושים בבית הספר, הם התחקו אחרי אילן היוחסין המשפחתי של אנזימים – חלבונים שאחראים על זירוז תגובות כימיות בגוף – כדי ללמוד על התנאים שבהם הם התפתחו.

על ידי ניתוח הרצפים הגנטיים של אנזימים שממלאים תפקידים דומים בתוך התאים של יצורים שונים, והתחקות אחר האבות הקדמונים שלהם שאצלם האנזימים האלה התפתחו לראשונה, אפשר לנסות לתארך מתי התחילו היצורים על עולמנו לבצע פעולה כימית מסוימת. בדרך הזאת, מעקב אחרי מקורם של אנזימים שמייצרים חמצן או משתמשים בו יכול להסביר מתי החלו יצורים החיים בכדור הארץ להשתמש בחמצן מולקולרי.

אילוסטרציה של צמח מבצע פוטוסינתזה, שבה הוא קולט פחמן דו חמצני ופולט חמצן | Jeanette Engqvist, Science Photo Library
שיעור החמצן באטמוספרה הלך וגבר בזכות תהליכי פוטוסינתזה חמצנית. אילוסטרציה של צמח מבצע פוטוסינתזה, שבה הוא קולט פחמן דו חמצני ופולט חמצן | Jeanette Engqvist, Science Photo Library

אילנות יוחסין

החוקרים החלו את הבדיקה עם רשימה של 134 משפחות חלבונים המכילות אנזימים שמייצרים חמצן או משתמשים בו, אצל חיידקים וארכאונים – סוג נוסף של יצור חד תאי פשוט. בהמשך צמצמו את רשימת המשפחות כך שייוותרו בה רק אלה שאפשר לקשר בבירור לייצור חמצן או לשימוש בו, ושאפשר להתחקות באופן אמין אחרי אילן היוחסין של היצורים שהכילו אותן.

תארוך אמין על סמך אילנות יוחסין הוא תהליך מורכב, משום שגֵנים יכולים להיעלם עם הזמן. כמו כן קיימים תהליכים של העברה גנטית אופקית, כלומר מעבר של חומר גנטי מיצור אחד ליצור אחר שאינו הצאצא שלו, ועשוי להיות ממין אחר. החוקרים מצאו כי 24 מתוך 36 משפחות חלבונים שאפשר היה לתארך בצורה אמינה היו קיימות עוד לפני החמצון הגדול.

בנוסף השוו החוקרים את קצב ההתפתחות של אנזימי החמצן לקצב שבו התפתחו אנזימים ממשפחות אחרות, ומצאו כי אנזימים העושים שימוש בחמצן התפתחו בקצב מהיר יותר משמעותית סמוך לתקופה שבה אירע הפיצול בין חיידקים ימיים לחיידקים שחיו על היבשה. הממצא עשוי להעיד על שינוי סביבתי גדול שהתרחש בתקופה ההיא.

לפי הממצאים, לפני כשלושה מיליארד שנה התרחש פרץ של הופעת אנזימי חמצן. התקופה הזאת מתאימה להשערה של חלק מהחוקרים בקשר למועד תחילת הפוטוסינתזה החמצנית בכדור הארץ. תקופת החמצון הגדול, כך אנחנו יודעים מממצאים גיאוכימיים, התרחשה כחצי מיליארד שנה לאחר מכן, כאשר רמה גבוהה של חמצן הצטברה באטמוספרה.                                                                                                                                                                                                                                                                       

ביחד עם יצרני החמצן, שמבצעים פוטוסינתזה, החלו ככל הנראה גם להופיע יצורים צרכני חמצן. מכיוון שחמצן נוטה להגיב כימית בקלות, ליצורים שנחשפו אליו נדרשו דרכים להגן על עצמם מפני השלכותיו – למשל היווצרות רדיקלים חופשיים. יצורים שלא הצליחו בכך - נכחדו. בנוסף, מכיוון שחמצן נוטה להגיב כימית בקלות הוא ככל הנראה הגיב עם חומרים ועם יצורים חיים שנמצאו בסביבתו מיד כשנוצר לכן לקח זמן רב עד שהגיע לרמה הגבוהה באטמוספירה בה הוא נמצא היום.

הסכנה הביאה איתה גם הזדמנות – בזכות התגובתיות הגבוהה שלו, אפשר להשתמש בחמצן לביצוע פעולות שדורשות אנרגיה רבה, כגון פירוק חומצות שומן וחומצות אמינו מסוימות, שקשה יחסית לפרק עקב הקשרים החזקים בין אטומי הפחמן המרכיבים אותן. כך תרם החמצן להופעת תהליכים ביולוגיים חדשים ולהתפתחות צורות החיים המורכבות שאנו רואים כיום על כדור הארץ.

עבודת השורשים על עץ המשפחה של האנזימים הראתה אם כן כי באופן מפתיע אנזימים העושים שימוש בחמצן היו קיימים כבר כחצי מיליארד שנה לפני החמצון הגדול. מכאן נובע שחמצן מולקולרי היה זמין כנראה ליצורים בעולמנו גם בתקופה שהנוכחות שלו באטמוספרה הייתה נמוכה הרבה יותר.