Ανακαλύφθηκαν ένζυμα που αποτέλεσαν το πρώτο βιολογικό ρολόι των έμβιων οργανισμών πριν 2.5 δισ. χρόνια

Βρετανοί επιστήμονες ανακάλυψαν ένζυμα που πιστεύουν ότι αποτέλεσαν το πρωταρχικό βιολογικό ρολόι για όλες σχεδόν τις μορφές ζωής του πλανήτη μας, σύμφωνα με στοιχεία που δημοσιεύονται στο Nature

Το κοινό αρχέγονο βιολογικό ρολόι άρχισε να «χτυπά» πριν από 2,5 δισ. χρόνια.

Μέχρι τώρα ήταν ένα από τα μεγαλύτερα επιστημονικά μυστήρια για το πότε και πώς η ζωή δημιούργησε το δικό της ρολόι και άρχισε να κρατά τον χρόνο. Αλλά τώρα, για πρώτη φορά οι επιστήμονες ανακάλυψαν μία ουσία, συγκεκριμένα ένα ένζυμο, που πιστεύουν ότι υπήρξε το πρωταρχικό βιολογικό (κιρκαδιανό) ρολόι για όλες σχεδόν τις μορφές της ζωής πάνω στον πλανήτη μας. Η σημασία του έμφυτου ρολογιού στους ανθρώπους φαίνεται, για παράδειγμα, όταν αυτό απορυθμίζεται μετά από ένα υπερατλαντικό ταξίδι (το λεγόμενο «τζετ-λαγκ»).

Ως τώρα οι βιολόγοι δεν είχαν καταφέρει να εντοπίσουν ένα ρολόι που να είναι κοινό για τους βιορυθμούς όλων των οργανισμών, καθώς κάθε κατηγορία ζώων, φυτών, μυκήτων και των άλλων οργανισμών φαίνεται να έχει το δικό της ξεχωριστό ρολόι που συμβαδίζει με την αέναη περιστροφή της Γης γύρω από τον Ήλιο και τη διαδοχή φωτός – σκοταδιού, συντονίζοντας ρυθμικά την εσωτερική φυσιολογία του οργανισμού.

Οι ερευνητές (μεταξύ των οποίων ο Χαράλαμπος Κυριακού του πανεπιστημίου του Λέστερ), με επικεφαλής τον βιοχημικό Akhilesh Reddy του πανεπιστημίου Κέμπριτζ, που δημοσίευσαν τη σχετική μελέτη στο περιοδικό «Nature», κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι υπεροξειρεδοξίνες, ένζυμα που υπάρχουν σχεδόν σε όλα τα ζώα, τα φυτά και τους λοιπούς οργανισμούς, ακόμα και στα πιο πρωτόγονα βακτήρια, αποτελούν τον «παππού» των πιο εξελικτικά πρόσφατων βιολογικών ρολογιών. Ο πιο σύγχρονος κιρκαδιανός βιοχημικός μηχανισμός ρυθμίζει σε 24ωρη βάση τη διαδοχή ύπνου – ξύπνιου, αλλά και άλλων αισθημάτων όπως η πείνα, με συνέπεια οι οργανισμοί να ακολουθούν γενικά ένα συγκεκριμένο χρονικό «μοτίβο» κάθε ημέρα.

Σύμφωνα με τη νέα έρευνα, ο πρόγονος κάθε ξεχωριστού πιο σύγχρονου βιολογικού ρολογιού είναι ένα αρχαιότερο και πιο καθολικό ρολόι που έχει τη ρίζα του στη συγκεκριμένη κατηγορία ενζύμων, τις υπεροξειρεδοξίνες. Τα ένζυμα αυτά ακολουθούν ένα κύκλο, καθώς συνεχώς εναλλάσσονται ανάμεσα σε δύο διαφορετικές χημικές καταστάσεις, ανάλογα με το αν έχουν αντιδράσει πρόσφατα ή όχι με υπεροξείδιο του υδρογόνου (ένα τοξικό για τα κύτταρα υποπροϊόν της εισπνοής οξυγόνου). Ο κύκλος αυτός συνεχίζεται ακόμα και αν δεν υπάρχει καθόλου φως στο περιβάλλον του οργανισμού.

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι τα εν λόγω ένζυμα ανέπτυξαν αυτή την κυκλική συμπεριφορά, όταν πριν από περίπου δυόμιση δισεκατομμύρια χρόνια άρχισαν να αναπτύσσονται στη Γη οργανισμοί που ήσαν σε θέση να χειριστούν τις αυξημένες ποσότητες οξυγόνου, οι οποίες σταδιακά κατέκλυσαν τη γήινη ατμόσφαιρα ως συνέπεια της εμφάνισης της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης από τα βακτήρια (ένα γεγονός που έχει αποκληθεί η «Μεγάλη Οξείδωση» της Γης).

Από την εμφάνιση των πρώτων μονοκύτταρων οργανισμών πριν από περίπου 3,7 δισεκατομμύρια χρόνια και έως πριν από 2,5 δισεκατομμύρια χρόνια, δεν υπήρχε παρά ελάχιστο οξυγόνο στην ατμόσφαιρα του πλανήτη μας. Όμως τα πράγματα άλλαξαν εξαιτίας των φωτοσυνθετικών κυανοβακτηρίων, τα οποία, πολύ πριν υπάρξουν φυτά που επρόκειτο να κάνουν κάτι ανάλογο, άρχισαν να απορροφούν διοξείδιο του άνθρακα και να απελευθερώνουν οξυγόνο στην ατμόσφαιρα. Έτσι, η Γη κατακλύστηκε για πρώτη φορά από το οξυγόνο, το οποίο αποτελούσε τοξική ουσία για τους μέχρι τότε οργανισμούς που είχαν συνηθίσει να ζουν σε μία ατμόσφαιρα όπου κυριαρχούσαν άλλα αέρια, όπως το μεθάνιο.

Τελικά επιβίωσαν εκείνοι οι οργανισμοί που ανέπτυξαν ένα τρόπο να ελέγχουν τη ζημιά που τους προκαλούσε η οξείδωση μέσω της αναπνοής. Σε αυτό ακριβώς το πλαίσιο, κατά τους ερευνητές, προέκυψε ο ζωτικός ρόλος των υπεροξειρεδοξινών, οι οποίες προσέφεραν εξελικτικό πλεονέκτημα σε όποιον οργανισμό ανέπτυξε τον αντι-οξειδωτικό μηχανισμό τους. Τα ένζυμα αυτά προστάτευαν τα αρχέγονα κύτταρα, καθώς αυξάνονταν περιοδικά, όταν την ημέρα η φωτοσύνθεση των βακτηρίων ενεργοποιούταν και παράλληλα αυξανόταν το οξυγόνο στην ατμόσφαιρα, το οποίο απορροφούσαν στη συνέχεια οι πρωτόγονοι μικροοργανισμοί.

Καθώς τα επίπεδα του οξυγόνου αυξομειώνονταν σε ημερήσια βάση, ανάλογα με την αυξομείωση της φωτοσύνθεσης από τα βακτήρια που εξαρτιόνταν από το φως του ήλιου (δεν υπάρχει φωτοσύνθεση στο σκοτάδι), τα συγκεκριμένα ένζυμα αποτέλεσαν σταδιακά ένα αρχέγονο μεταβολικό ρολόι. Αυτό, με τη σειρά του, οδήγησε σιγά-σιγά στην ανάπτυξη των πιο εξελιγμένων κιρκαδιανών βιοχημικών ρολογιών που έχουν πια οι διάφοροι οργανισμοί.

Όμως αυτή η θεωρία -ότι τα πιο σύγχρονα ρολόγια βασίζονται στα συγκεκριμένα ένζυμα- μένει να αποδειχτεί. Άλλοι επιστήμονες, για παράδειγμα, αντιτείνουν ότι το αρχέγονο βιολογικό ρολόι αναπτύχθηκε όχι ως αντίδραση στο οξυγόνο, αλλά στην αυξομειούμενη υπεριώδη ακτινοβολία του Ήλιου.