گياهان چگونه زمين را تسخير كردند؟
حتما تاكنون لايه‌ي لزج جلبكي روي سنگ را ديده‌ايد، ولي احتمالا زياد به آن توجه نكرده‌ايد. حال دانشمندان دريافته‌اند كه برخي از اين گونه‌هاي ناديده‌گرفته‌شده، سرنخ يكي از بزرگ‌ترين اسرار تكامل هستند: اينكه گياهان چگونه وارد خشكي شدند.
به‌تازگي پژوهشگران توالي ژنوم دو جلبك را منتشر كرده‌اند كه از نزديك‌ترين خويشاوندان زنده‌ي گياهان خشكي به‌شمار مي‌روند. آن‌ها نيز داراي برخي از ژن‌هاي كليدي هستند كه گياهان براي زنده ماندن روي خشكي به آن‌ها نياز دارند. جالب اينكه پژوهشگران مطالعه‌ي جديد دريافتند كه اين اجداد گياهان، با گرفتن ژن‌ها از ديگر گونه‌ها و مخصوصا باكتري‌ها، توانايي زنده ماندن روي خشكي را به دست آورده‌اند.
اكنون، پژوهشگران ديگر درحال برنامه‌ريزي هستند تا از ژنوم‌هاي جديد براي آزمايش‌هاي خود استفاده كنند. جان دوريس، متخصص زيست‌شناسي گياهي در دانشگاه گوتينگن آلمان كه در اين مطالعه مشاركتي نداشته است، مي‌گويد:
اين مقاله نقطه‌ي عطفي در زمينه‌ي تكامل اوليه‌ي گياهان است.
گياهان چنان براي حيات ما اهميت دارند كه تصور زمين قبل از وجود آن‌ها دشوار است. تا حدود نيم ميليارد سال پيش، قاره‌ها عمدتا عريان بوده و به‌جز پوسته‌هايي از باكتري‌ها و شايد قارچ‌ها چيزي روي آن‌ها وجود نداشت. وقتي گياهان روي زمين ريشه زدند، جنگل‌ها، بوته‌زارها و باتلاق‌ها را شكل دادند. آن‌ها فرشي از خاك بنا كردند و با وارد كردن اكسيژن به اتمسفر، آمدن جانوران از دريا به خشكي نيز امكان‌پذير شد. استفان رنسينگ، متخصص زيست‌شناسي گياهي در دانشگاه ماربورگ آلمان مي‌گويد:
آن‌ها سطح سياره را براي هميشه تغيير دادند.
امروزه گياهان بيشتر زيست‌توده‌ي زمين را تشكيل مي‌دهند. گفته مي‌شود كه همه‌ي آن‌ها با هم، حاوي ۵۰۰ ميليارد تن كربن هستند. اين مقدار بيش از چهار برابر مقدار كربني است كه به‌طور كلي در تمام موجودات زنده‌ي ديگر وجود دارد. پس از پراكنده شدن گياهان، آن‌ها فسيل‌هاي فراواني را از خود برجاي گذاشتند اما نخستين فصل از تكامل گياهان به‌خوبي در ركوردهاي فسيلي حفظ نشده است. بنابراين پژوهشگران براي كشف نحوه‌ي تكامل اوليه‌ي گياهان به ارگانيسم‌هاي زنده و مخصوصا توالي DNA آن‌ها متوسل شده‌اند.
دوران اوليه‌ي تكامل گياهان به‌خوبي در ركوردهاي فسيلي نشان داده نشده است، بنابراين پژوهشگران براي كسب دانش درمورد نحوه‌ي رسيدن گياهان به خشكي، به مطالعه‌ي موجودات زنده‌ي مرتبط با گياهان روي مي‌آورند
گياهان نور خورشيد و كربن‌دي‌اكسيد را در اندامك‌هاي سلولي كه كلروپلاست ناميده مي‌شود، به دام مي‌اندازند. اين اندامك‌ها زماني باكتري‌هايي بودند كه در اقيانوس زندگي مي‌كردند. بيش از يك ميليارد سال پيش، آن‌ها به‌وسيله‌ي موجودات آميب‌مانندي (اجداد جلبك‌ها) بلعيده شدند و اين موجودات شروع به مهار انرژي خورشيد كردند. جلبك‌هاي سبز به اشكال جديد و متعددي تكامل پيدا كردند. برخي در اقيانوس ماندند و برخي از آن وارد آب‌هاي شيرين شدند.
دانشمندان نمي‌دانستند كدام جلبك آب شيرين منشا گياهان خشكي‌زي بوده است و آن‌ها چگونه كاري را انجام داده‌اند كه ديگر جلبك‌ها نتوانسته‌اند. براي درك اين موضوع دانشمندان آغاز به تعيين توالي بخش‌هايي از DNA جلبك‌هاي مختلف كرده و شجره‌ي خانوادگي آن‌ها را ترسيم كردند. در آغاز، گروهي از جلبك‌ها كه سنگ‌خزه‌تباران (كاروفيت‌ها) ناميده مي‌شوند، به‌عنوان نزديك‌ترين خويشاوندان زنده‌ي گياهان خشكي ظاهر شدند. اين يافته‌ها به‌انديشه متخصصين منطقي مي‌آمد؛ حداقل به اين دليل كه كاروفيت‌ها ارگانيسم‌هاي تك‌سلولي نبوده بلكه داراي بدن‌هاي پيچيده و شاخه‌داري هستند. رنسينگ مي‌گويد:
آن‌ها مانند گياهان زير آب هستند.
اما وقتي پژوهشگران جلبك‌هاي بيشتري را مورد تجزيه‌و‌تحليل قرار دادند، مشخص شد كه تباري به‌نام زيگنماتوفيسه (Zygnematophyceae) نزديك‌ترين خويشاوند گياهان است. اين موضوع عجيب بود زيرا آن‌ها بسيار ساده‌تر از كاروفيت‌هاي گياه‌مانند بودند. آن‌ها به شكل سلول‌هاي منفرد وجود داشته يا رشته‌هاي ساده و كوچكي را تشكيل مي‌دهند. گين كاشو وانگ، ژنتيك‌دان دانشگاه آلبرتا و يكي از نويسندگان مقاله‌ي جديد مي‌گويد:
پژوهشگران مدت‌ها درمورد اين جلبك‌ها مي‌دانستند اما فكر نمي‌كردند كه آن‌ها نزديك‌ترين خويشاوندان گياهان خشكي باشند زيرا اين فرض مي‌شد كه يك افزايش خطي در ميزان پيچيدگي موجودات وجود دارد.
دكتر وانگ و همكارانش دو گونه از جلبك‌هاي زيگنماتوفيسه را كه در مجموعه جلبك‌هاي آلمان نگه‌داري مي‌شود، انتخاب و مورد مطالعه بيشتر قرار دادند. هر دو گونه مي‌توانند خارج از درياچه‌ها يا نهرها زندگي كنند. يكي از گونه‌ها از روي سنگي در جنگلي در آلمان جمع‌آوري شده بود و ديگري در كشور پرتغال روي خزه‌اي روييده بود. پژوهشگران كل ژنوم دو گونه را تعيين توالي كردند و تعدادي ژن را پيدا كردند كه با گياهان مشترك بود ولي گونه‌هاي جلبك دورتر، فاقد آن‌ها بودند. اين امر تأييد مي‌كند كه زيگنماتوفيسه‌ها نزديك‌ترين خويشاوندان زنده‌ي گياهان خشكي هستند. برخي از اين ژن‌ها طي تكامل اجداد قديمي حاصل شده‌اند. طي ميليون‌ها سال، همان‌طور كه جلبك‌هاي اجدادي طي نسل‌هاي متوالي ژنوم خود را تكثير مي‌كردند، جهش‌هايي در ژنوم آن‌ها رخ داد كه درنهايت موجب ايجاد قابليت‌هاي جديدي در اين موجودات شد.
اما يك مجموعه‌ي كليدي از ژن‌هاي موجود در زيگنماتوفيسه‌ها از مسير متفاوتي حاصل شده است. به‌انديشه متخصصين مي‌رسد كه اين جلبك آن‌ها را از باكتري‌ها دزديده باشد. اين ژن‌ها به گياهان كمك مي‌كنند تا در خشكسالي‌ها و ديگر شرايط استرس‌زا زنده بمانند. حتي امروزه نيز گياهان خشكي‌زي براي ايجاد اسپور (هاگ) و بذرهايي كه بتوانند براي ماه‌ها يا حتي سال‌ها در حالت ركود بمانند، به اين ژن‌ها متكي هستند. پژوهشگران نسخه‌هاي مشابهي از اين ژن‌ها را در جلبك‌هاي ديگر پيدا نكردند اما ژن‌ها در باكتري‌ها، مخصوصا باكتري‌هايي كه در خاك زندگي مي‌كنند، ديده مي‌شوند.
مايكل ملكونيان، متخصص جلبك‌شناسي در دانشگاه كلن آلمان و يكي ديگر از نويسندگان مطالعه‌ي جديد، زيگنماتوفيسه‌ها را مورد مطالعه قرار داده و سرنخ‌هايي درمورد اينكه جلبك‌هاي باستاني چگونه ممكن است ژن‌هاي باكتري‌ها را به دست آورده باشند، كشف كرده است. اين جلبك براي جذب آب پوششي اسفنجي در اطراف خود ايجاد مي‌كند و برخي از باكتري‌ها از كربوهيدرات‌هايي كه اين پوشش را تشكيل داده‌اند، تغذيه مي‌كنند. ملكونيان مي‌گويد:
در عوض، آن‌ها (باكتري‌ها) ويتامين‌هايي را توليد مي‌كنند كه جلبك ممكن است نياز داشته باشد.
ملكونيان حدس مي‌زند كه چنين ارتباط نزديكي ممكن است اين امكان را فراهم آورده باشد كه ژن‌هاي باكتري بتوانند وارد ژنوم جلبك شوند. اين ايده‌اي جذاب بوده اما آزمايش آن پس از نيم ميليارد سال دشوار است. رنسينگ مي‌گويد:
راهي براي اثبات درستي اين ايده وجود ندارد.
دوريس مي‌گويد ژنوم‌هاي جديد ممكن است اين امكان را فراهم كنند كه مطالعه كنيم ژن‌هاي گياه‌مانند دقيقا چه كاري در سلول‌هاي جلبك‌ها انجام مي‌دهند و چگونه تكامل پيدا كرده‌اند تا نقش‌هاي جديدي در گياهان برعهده گيرند. ملكونيان مي‌گويد تمام پژوهش‌هاي جديد كه روي جلبك‌ها انجام شده است نشان مي‌دهد كه گياهان در اثر جهش تكاملي بزرگي روي زمين پديدار نشده‌اند بلكه آن‌ها روي مقدمه‌اي طولاني از سازگاري‌ها در موجودات ساده‌تر ايجاد شده‌اند. او مي‌گويد:
سطح زمين صدها ميليون سال پيش از ظهور اولين گياهان زميني، سبز بود.
هم انديشي ها