سرنخی تازه از چگونگی شکل‌گیری سرچشمه حیات

راز بزرگ در مورد سلول‌های اولیه، راه‌حلی دارد که رازی نسبتا جادویی است. نحوه ساخت بلوک‌های مجزای پیوسته حاوی اسیدهای چرب از چگونگی منشاء حیات خواهند گفت. پاسخ این معما پیش پروتوسِل‌ها است. آیا در نهایت دانشمندان می‌توانند به ابتدای حیات برسند. اِد یانگ نویسنده بخش علوم سایت آتلانتیک در نوشتار اخیر خود به بررسی این نشانه‌ها می‌پردازد. در ادامه با آراد مگ همراه باشید.

منشاء حیات و پروتوسِل (Protocell)

هنگامی که کیتلین کورنِل به میکروسکوپ خود نگاه کرد، لکه‌های بزرگ درخشانی را در مقابل پس‌زمینه‌ای سیاه دید. آن‌ها به خورشیدهای مینیاتوری شباهت داشتند که در پس‌زمینه فضا می‌درخشید. و هنگامی که کورنل این نشانه‌ها را به ناظر خود سارا کلر، شیمیدان در دانشگاه واشنگتن نشان داد او گفت: ” ما واقعا هیجان‌زده شدیم، این لحظه واقعا لحظه‌ی شگرفی بود”. او متوجه شد که این نقاط ممکن است به حل معمای دیرینه در مورد منشا حیات کمک کنند.

سلول‌هایی که همه موجودات زنده را علی‌رغم تغییرات بی‌پایان خود می‌سازند و شامل سه عنصر بنیادین هستند. مولکول‌هایی هستند که اطلاعات را رمزگذاری می‌کنند و می‌توانند کپی شوند – DNA و وابسته ساده کننده آن، RNA. مولکول‌هایی هستند که وظایف مهم انجام می‌دهند مانند پروتئین‌ها که به مولکول‌های اسب بخار معروفند. غشایی از اسیدهای چرب ایجاد می‌شود و همه آن‌ها را محفوظ نگه می‌دارد. به زمان خیلی عقب برگردید، قبل از این که حیوانات و گیاهان و حتی باکتری‌ها وجود داشته باشند، و متوجه خواهید شد که پیش ماده تمام حیات – چیزی که دانشمندان آن را پروتوسِل (Protocell) یا نخستین سلول، می‌نامند – به احتمال زیاد دارای همان قطعات سه گانه هستند: RNA و پروتئین‌ها، در غشا. همان طور که فیزیکدان برجسته آمریکایی، فریمن دایسون گفت: ” زندگی با کیسه‌های کوچک زباله شروع شد.”

کیسه‌ها – غشاها – حیاتی بودند. بدون چیزی برای آرام کردن مولکول‌های دیگر، آن‌ها فقط در حرکت هستند، به جهان نفوذ می‌کنند و به هیچ چیزی نمی‌رسند. با تمرکز بر آن‌ها، غشاهای دنیای بی‌جان از مواد شیمیایی نامنظم را به ماده زایا پر از چوب‌های و پرندگان رِداستارت یا پرندگانی از بَرّ قدیم، فیل‌ها و اِشریشیا کُلای، انسان‌ها و بی‌فک ماهی تبدیل کردند. در مرکز آن، حیات در حال ایجاد طبقه‌بندی است. و این خیلی ساده‌تر و سخت‌تر از آن چیزی است که به نظر می‌رسد.

در آغاز، کار آسانی بود. غشاهای سلولی اولیه از اسیدهای چرب ساخته شدند – مولکول‌هایی که شبیه آب نبات‌های چوبی با سرهای گرد و دم‌های بلند هستند. سرها از حضور در آب لذت می‌برند؛ دم‌های بلند چندان مورد توجه قرار نمی‌گیرند. بنابراین هنگامی که در آب قرار داده می‌شود، اسیدهای چرب خود را به محیط‌های توخالی تبدیل می‌کنند و دم‌هایی که از آب متنفرند به سمت داخل و سرهای عاشق آب در سطح قرار می‌گیرند. این حوزه‌ها می‌توانند RNA و پروتئین‌ها را محصور کنند و پروتوسِل‌ها را می‌سازند. پس اسیدهای چرب می‌توانند به طور اتوماتیک محفظه‌های لازم برای ظهور حیات را ایجاد کنند. به نظر می‌رسد خیلی خوب است اگر چنین چیزی درباره منشاء حیات حقیقت داشته باشد.

اسیدهای چرب
A Cell

و این به دو دلیل است. زندگی برای اولین بار در اقیانوس‌های شور به وجود آمد، و نمک به طور فجیعی محیط‌های اسیدهای چرب را بی‌ثبات می‌کند. همچنین، یون‌های ویژه‌ای، از جمله منیزیم و آهن، موجب فروپاشی محیط‌ها می‌شوند، که از آنجا که RNA جزی کلیدی از پروتوسِل‌های اولیه است و نیازمند این یون‌ها است ،برایش مشکل‌ساز خواهد بود. پس چگونه ممکن است که حیات به وجود آید، زمانی که محفظه‌های داخلی آن توسط شرایطی که برای اولین بار ظاهر می‌شود، نابود می‌شوند، همان مواد اولیه‌ای که برای رشد و دوام به آن نیاز است؟

پارادوکس علمی

کیتین کورنل و سارا کلر، پاسخی برای این پارادوکس دارند. آن‌ها نشان داده‌اند که محیط‌ها می‌توانند در مقابل یون‌های منیزیم و نمک مقاومت کنند، تا زمانی که در حضور آمینو اسیدها هستند – مولکول‌های ساده‌ای که سازنده بلوک‌های پروتئین‌ها هستند. ریز درخشنده‌های کوچکی که کرنل زیر میکروسکوپ دیده بود مخلوطی از اسیدهای آمینه و اسیده‌ی چرب بودند که شکل کروی خود را در حضور نمک حفظ می‌کنند.

چیزی کاملا جادویی است و خود من هم چنین فکر می‌کنم. این به این معنی است که دو جز اصلی حیات، غشا پروتوسِل‌ و پروتیین‌های آن، شرایط را برای وجود یکدیگر فراهم می‌کنند. با چسبیدن به اسیدهای چرب، آمینو اسیدها به آن‌ها پایداری می‌دهد. در عوض اسیدهای چرب، اسیدهای آمینه را متمرکز می‌کنند و شاید آن‌ها را به یکی شدن در پروتیین‌ها تشویق می‌کنند. کلر به من می‌گوید: ” از همان ابتدا، این دو در رقصی دو مرحله‌ای که به مدت ۳.۵ میلیارد سال ادامه داشت قرار گرفتند و به غنای زیست‌شناسی از نقطه آغازین شیمی محض کمک کردند. من کاملا موافقم، کاملا جادویی است. شما به آن دو قسمت با هم نیاز دارید.”

نیل دیوِرِج، از دانشگاه سن دیگو می‌گوید: ” القاء آن‌ها چنین است که غشا می‌تواند سنتز [ پروتئین‌ها ] را ارتقاء دهد که واقعا جذاب هستند.”

این کشف تقریبا به طور تصادفی حاصل شد. در ابتدا، کلر برای پرداختن به موضوع دیگری که از سوی همکارش، روی بلک مطرح شد مشغول به تحقیق شده بود. او اشاره می‌کند که هیچ‌کس ایده‌ی خوبی در مورد این ندارد که پروتوسِل‌ سه‌گانه – RNA، پروتئین‌ها و غشاها دقیقا در وهله اول چگونه جمع شده‌اند. به نظر می‌رسید که مردم دست به دست هم داده‌اند و این هم‌گرایی حیاتی را به رویدادی تصادفی نسبت می‌دهند. به جای آن، بلک پیشنهاد کرد که غشاها خودشان کلید هستند. اگر اسیدهای چرب می‌توانند به اجزای تشکیل‌دهنده هر دو پروتیین و RNA بچسبند، آن‌ها می‌توانستند این قطعات چیدمانی را همانطور که خودشان به وجود می‌آورند روی هم جمع کنند.

کورنل این ایده را با کشت یک اسید چرب به همراه سه آمینو اسید مختلف آزمایش کرد که همه آن‌ها گمان می‌رود در زمین اولیه وجود داشته باشند. به اندازه کافی، همان طور که بلک حدس زده بود، مولکول‌ها با یکدیگر تعامل دارند. اما وقتی که زیر میکروسکوپ آن‌ها را نگاه کرد، متوجه شد که چیز خاصی درباره منشاء حیات در حال رخ دادن است.

او می‌گوید: ” به تنهایی، اسیدهای چرب بطور قابل ‌پیش‌بینی در فضاهای خالی به خودی خود روی هم جمع می‌شوند. آن‌ها مثل ستاره دریایی هستند: درونی شفاف با گوشه‌های کدر، که در محیط‌های اطراف شناور هستند.” اگر او یون‌های منیزیم و یا نمک را اضافه می‌کرد، این ستاره دریایی متلاشی‌ می‌شد. اما اگر این کار را بعد از اضافه کردن آمینو اسیدها انجام می‌داد، شکل خود را حفظ می‌کردند. علاوه بر این، آن‌ها به شکل‌هایی تبدیل می‌شوند که کورنل آن‌ها را به پیازهای درخشان تشبیه کرده است. مراکز باز آن‌ها پر از لایه‌هایی است که اسیدهای چرب در داخل محیط‌های آن‌ها پر شده است. این ساختار به یقین تصادفی نیست، این همان چیزی است که سلول‌های واقعی ما به آن شباهت دارند، غشایی که به جای یک لایه، دو لایه چربی دارد.

محیط‌های بیولوژیکی‌ منشاء حیات

بنابراین حضور آمینو اسیدها نه تنها از محیط‌های اسیدهای چرب محافظت می‌کند بلکه آن‌ها را به چیزی واضح‌تر تبدیل می‌کند تا بیولوژیکی‌تر باشند. حالا چرا؟ کلر با خنده می‌گوید: ” ما هیچ نظری نداریم و نمی‌توانیم آن را پیش‌بینی کنیم. ما در مرحله‌ای جذاب و دوست داشتنی از علم هستیم که زمینه را برای تئوری‌های آینده باز خواهد کرد.”

اسیدهای چرب
RNA

کیت آدامالا از دانشگاه مینه سوتا می‌گوید: ” این کاری بسیار عالی است.” او متذکر می‌شود که مطالعات دیگر برهمکنش‌های بین هر دو آمینو اسید، غشای اسیدهای چرب، و RNA را یافته‌اند، اما مطالعه کورنل و کلر به طور موثر هر سه را با هم پیوند می‌دهد. آمینو اسیدها به غشا اجازه می‌دهند در حضور منیزیم وجود داشته باشند، که RNA به عملکرد آن نیاز دارد.

مطالعه ریشه‌های زندگی همیشه بحث برانگیز هستند. دانشمندان اغلب در مورد چیزهایی که در حال حاضر اتفاق می‌افتد با عصبانیت مخالفت می‌کنند، چه برسد به رویدادهایی که بیش از ۳.۵ میلیارد سال پیش رخ داده باشند. برای مثال، برخی از محققان فکر می‌کنند که زندگی در حوض‌های کم عمق آتشفشانی شروع شده ‌است، در حالی که برخی دیگر استدلال می‌کنند که این برون ریزی در منافذ زیر آبی بوجود آمده‌ است. از ایده‌های کِلر می‌توان در هر دو نظریه سود جست. او می‌گوید: “من قایل به ندانم گرایی هستم.  واقعا هیجان‌زده هستم که مطالعات ما سبب شده است تا ایده نخستین سلول‌ها از مکان خود مستقل شناخته شوند.

او در حال حاضر به دنبال چیزی است که بعد از جمع شدن نخستین سلول‌ها اتفاق می‌افتد. مطمئنا، جایی وجود دارد که بلوک‌های سازنده برای ساخت پروتئین‌ها و RNA در آنجا جمع می‌شود.” او می‌گوید: ” اما چگونه این بلوک‌های مجزای به طور پیوسته ساخته می‌شوند تا مولکول‌های بزرگتر را شکل دهند؟ این سوالی بسیار سخت است که باید درباره منشاء حیات به آن پاسخ داده شود.”

شهین غمگسار
مترجم هستم. با واژه‌ها سروکار دارم. و گاهی می نویسم.