نظرية جديدة حول أصول الحياة على الأرض
فتحات التهوية النشطة في قاع المحيط ، مثل فتحة التهوية التي يبلغ ارتفاعها حوالي 30 مترًا والموجودة في الحقل الحراري المائي للمدينة المفقودة في المحيط الأطلسي ، تنتج بسرعة جزيئات عضوية بسيطة ربما لعبت دورًا رئيسيًا في ظهور الحياة على الأرض.
وفقًا لبعض العلماء ، يمكن أن يكون التمثيل الغذائي قد نشأ بشكل عفوي: نظرية مثيرة للجدل يمكن أن تغير تعريف الحياة على كوكبنا.
كانت المجموعة ، التي كان مقرها آنذاك في جامعة كامبريدج ، تدرس تحلل السكر ، وهي عملية يتم من خلالها تكسير السكر من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية ، وإطلاق الطاقة التي يمكن استخدامها بعد ذلك بواسطة الخلايا. عندما استخدموا تقنيات حساسة لتتبع الخطوات العديدة في هذه العملية فوجئوا عندما اكتشفوا أن بعض ردود الفعل بدت وكأنها "تحدث تلقائيًا" ، كما يقول رالسر ، الذي يعمل حاليًا في معهد فرانسيس كريك في لندن . في تجارب التحكم التي لم تكن فيها بعض الجزيئات اللازمة للتفاعلات الكيميائية موجودة ، استمرت أجزاء من عملية تحلل السكر.
أجاب علماء آخرون على رالسر: "لا يمكن أن يكون هذا صحيحًا".
كل خلية حية لديها محرك كيميائي بداخلها. هذا ينطبق تمامًا على الخلايا العصبية في دماغ الإنسان كما هو الحال بالنسبة لأبسط البكتيريا. تعمل هذه المحركات الكيميائية على تعزيز عملية التمثيل الغذائي ، أي جميع العمليات التي تحول مصدر الطاقة مثل الطعام إلى عناصر مفيدة وبالتالي بناء الخلايا. من الواضح أن عمليات التمثيل الغذائي ، بما في ذلك تحلل السكر ، تتطلب نظامًا مجهريًا متطورًا ليعمل. لكن فريق رالسر وجد أن أحد هذه المحركات كان قادرًا على العمل من تلقاء نفسه ، في غياب العديد من الجزيئات المعقدة التي اعتقد العلماء أنها ضرورية.
منذ هذا الاكتشاف الصدفي ، اجتاحت موجة من الحماس لدى الباحثين الذين يدرسون أصول الحياة. بعد كل شيء ، إذا كان من الممكن أن يحدث في أنبوب اختبار ، فربما حدث أيضًا منذ مليارات السنين في فتحة بركانية في أعالي البحار ، في الينابيع الساخنة على الأرض ، أو في أي مكان آخر به الكثير من النشاط الكيميائي والمواد العضوية. . يمكن حتى أن تكون ردود الفعل الأيضية هي التي بدأت سلسلة الأحداث التي أدت إلى ولادة الحياة على كوكبنا.
تعمل بعض الفرق الآن على صنع هذه المحركات الكيميائية من الصفر. بالإضافة إلى تحلل السكر ، أعاد العلماء إنشاء أجزاء من العمليات الخلوية الأساسية الأخرى ، بما في ذلك دورة حمض الستريك العكسية ، أو دورة كريبس العكسية ، والتي يعتقد أنها ظهرت لأول مرة في الخلايا القديمة جدًا.
هذا المجال الجديد الرائع من البحث يدفع العلماء إلى إعادة التفكير في الخطوات التي كان من الممكن أن تؤدي إلى إنشاء أول كائن حي ، وإجبارهم على مواجهة مرة أخرى سؤال طويل الأمد: كيف نحدد الحياة؟
أصول غامضة
أصل الحياة هو أحد أعظم ألغاز العلم . نحن نعلم أن هذه الظاهرة حدثت في وقت مبكر من تاريخ كوكبنا ، لأن أحافير الكائنات الحية الدقيقة تم اكتشافها في الصخور التي يعود تاريخها إلى 3.5 مليار سنة ، أي بعد مليار سنة فقط ، تشكل الأرض. لكن ما يبقى غير واضح هو كيف وأين حدث ذلك.
واحدة من المشاكل الرئيسية هي أن الكائنات الحية معقدة بشكل لا يصدق. حتى أبسط خلية بكتيرية بها مئات الجينات وآلاف الجزيئات المختلفة. تعمل كل هذه العناصر مع بعضها البعض في نوع من الرقص المعقد: فهي تجلب الطعام إلى الخلية وتفريغ النفايات ، وإصلاح التلف ، ونسخ الجينات ، وغير ذلك الكثير.
توضح دراسة نُشرت في عام 2021 ، تقارن الحمض النووي لـ 1089 بكتيريا ، وهي أبسط الكائنات الحية ، مدى هذا التعقيد. قام الباحثون بقيادة المهندس الحيوي Joana C. Xavier ، الذي كان وقتها في جامعة Heinrich Heine في دوسلدورف بألمانيا ، بالبحث عن عائلات البروتينات المشتركة بين جميع أنواع البكتيريا ، والتي من المحتمل أن تكون قديمة جدًا ، والتي يعود تاريخها إلى أكثر من ثلاثة مليارات سنة حتى آخر سلف مشترك لجميع البكتيريا. وجدوا 146 عائلة من هذه البروتينات ، والتي كشفت أن البكتيريا الأولى كانت بالفعل معقدة للغاية ، ونتجت عن فترة طويلة من التطور.
كان من الممكن أن تكون البحيرات الغنية بالكربونات والفوسفور ، مثل بحيرة مونو في كاليفورنيا ، شائعة في بدايات الأرض ، وربما توفر بيئة لتشكيل الحياة.
تحاول جميع الفرضيات المتعلقة بأصل الحياة أن تضع كل هذا التعقيد جانبًا وتتخيل شيئًا أبسط بكثير ، والذي كان من الممكن أن يحدث بشكل عفوي. تكمن الصعوبة في تحديد شكل هذه الحياة الأولية. أي أجزاء من الخلايا الحية التي نعرفها اليوم كانت أول من تشكل؟
تم طرح العديد من الأفكار للإجابة على هذا السؤال ، بما في ذلك فكرة الجزيء القادر على نسخ نفسه ، مثل خيط من الحمض النووي الريبي ، أو حتى تلك الموجودة في "الفقاعة" أو "القطرة". »الدهون التي كان من الممكن أن تلعب دورًا الهيكل الذي يمكن أن تتشكل فيه الخلية. ومع ذلك ، يعتقد المزيد والمزيد من العلماء أنه حتى قبل وجود الجينات أو جدران الخلايا ، كان أول شيء تحتاجه الحياة للوجود هو المحرك.
الأيض الأول
الحياة ، في جوهرها ، نشطة. حتى في الكائنات الحية التي تبدو ثابتة مثل الأشجار ، هناك نشاط مكثف يحدث على المستوى المجهري.
يقارن Xavier ، الذي يعمل حاليًا في University College London ، خلية حية بكوب من الماء به فتحة في القاع وتوضع تحت صنبور مفتوح. إذا كان التدفقان متساويين ، فإن حجم الماء الموجود في الكوب يظل دائمًا كما هو ، "ولكن يحدث التحول بشكل دائم. »
بنفس الطريقة ، تمتص جميع الكائنات الحية العناصر الغذائية التي يستخدمونها لبناء وإصلاح أجسامهم. بالنسبة للبشر ، يتضمن ذلك تناول الطعام ثم استخدام جهازنا الهضمي لتحطيمه وتحويله إلى مواد كيميائية بسيطة ، والتي يمكن أن تستخدمها أجسامنا بعد ذلك.
تحصل الكائنات الحية الأخرى على طاقتها من ضوء الشمس أو المواد الكيميائية مثل الميثان ، لكن المبدأ واحد. تعمل آلاف التفاعلات باستمرار على تحويل مادة إلى أخرى ، وتقديم ما هو مطلوب ، حيث هو مطلوب. كل هذه العمليات تشكل التمثيل الغذائي للكائن الحي. إذا توقف التمثيل الغذائي عن العمل ، يموت الكائن الحي.
تعتبر كيمياء التمثيل الغذائي أساسية جدًا للحياة لدرجة أن العديد من الباحثين يعتقدون أنها كانت مركزية بالنسبة للخلايا الحية الأولى. وفقًا لهم ، بمجرد إطلاق محرك التمثيل الغذائي ، كان من الممكن أن ينتج مواد أخرى ضرورية للحياة ، وشيئًا فشيئًا ، كانت الخلايا ستتجمع بنفسها ، كما يوضح جوزيف موران من جامعة ستراسبورغ.
ومع ذلك ، فإن جميع النظريات التي تعتقد أن التمثيل الغذائي هو ما خلق الحياة لديها مشكلة شائعة: التمثيل الغذائي ، مثل الحياة ، معقد للغاية. في دراسة Xavier لأقدم سلف مشترك للبكتيريا ، قدر العالم أن جينات هذا الكائن القديم يمكن أن تنتج 243 مادة كيميائية من خلال عمليات التمثيل الغذائي ، ولكن أيضًا تحولها إلى بعضها البعض.
حتى المسارات الأيضية الفردية معقدة. هذا على سبيل المثال حالة دورة حمض الستريك ، أو دورة كريبس ، وهي إحدى الطرق التي يمكن للخلايا من خلالها استخلاص الطاقة من العناصر الغذائية. كما يوحي الاسم ، تبدأ الدورة بحمض الستريك ، المادة الكيميائية التي تعطي ثمار الحمضيات طعمها اللاذع. يتحول هذا إلى مادة ثانية ، حمض أكونيت ، ثم إلى سبع مواد أخرى قبل الخطوة الأخيرة التي تعيد تكوين حمض الستريك. خلال هذه العملية ، يتم إنتاج المواد الكيميائية الحيوية وتوزيعها على بقية الخلية.
من الصعب تخيل كيف يمكن أن تبدأ مثل هذه العملية المعقدة من تلقاء نفسها. ولتعقيد الأمور أكثر ، يتم التحكم في كل خطوة بواسطة جزيء يسمى الإنزيم ، والذي يسرع التفاعلات الكيميائية المعنية. تحتاج عملية مثل دورة كريبس إلى الإنزيمات. لكن الإنزيمات عبارة عن جزيئات معقدة لا يمكن صنعها إلا عن طريق التمثيل الغذائي الذي تتحكم فيه الجينات.
لذلك يواجه العلماء نسخة كيميائية حيوية من معضلة الدجاجة أو البيضة. أيهما أتى أولاً: المحرك الكيميائي الذي يصنع الخلية ، أم الآليات الخلوية التي تكوِّن المحرك؟
استعادة محركات الحياة
بعد إجراء أول اكتشاف لهم في أوائل عام 2010 ، قرر Ralser وفريقه دراسة التفاعلات الأيضية التي يمكن أن تعمل بمفردها بدقة أكبر. تم إذابتها في الماء النقي ، كل منها بمفردها ، اثني عشر مادة كيميائية مختلفة تستخدم أثناء تحلل السكر. ثم قاموا بتسخين العينات إلى 70 درجة مئوية لمدة خمس ساعات ، لتقليد الظروف حول بركان تحت الماء. بدأ حدوث سبعة عشر تفاعلًا كيميائيًا ، نشأت من تحلل السكر أو مسار التمثيل الغذائي ذي الصلة ، أثناء التجارب.
ستراتوليتس ما قبل الكمبري في تكوين السية. في عام 2002 ، ادعى ويليام شوبف أن هذه التكوينات عمرها 3.5 مليار سنة ، لذلك ستكون أقدم آثار الحياة على الأرض.
اتصل رالسر بعد ذلك بألكسندرا تورتشين ، عالمة الكيمياء الجيولوجية في جامعة كامبريدج ، التي أعطته قائمة بالمواد الكيميائية التي يعتقد أنها أذابت في المحيط البدائي ، بما في ذلك المعادن مثل الحديد والصوديوم. أضافهم الفريق إلى مزيجهم لمعرفة ما إذا كانت ردود الفعل تعمل بشكل أفضل.
يقول رالسر: "عمل واحد فقط: الحديد". بحلول عام 2014 ، تمكنوا من تشغيل ثمانية وعشرين تفاعلًا ، بما في ذلك دورة التمثيل الغذائي الكاملة . اعتمد الفريق على نتائجهم المبكرة ، حيث أظهروا في عام 2017 أنهم يستطيعون إجراء نسخة مدفوعة بالكبريتات من دورة حمض الستريك ، ويمكنهم تصنيع الجلوكوز من مواد كيميائية أبسط في عملية تسمى استحداث السكر ، على الرغم من أن هذا الأخير يجب أن يتم في الجليد.
تم تناول فكرة دورات التمثيل الغذائي الخالية من الإنزيم في وقت لاحق من قبل موران في جامعة ستراسبورغ ، جنبًا إلى جنب مع تلميذه السابق كاميلا موشوسكا . لقد حققوا تطورات مماثلة مع عمليات التمثيل الغذائي الأخرى مثل مسار أسيتيل CoA ، الذي يحول ثاني أكسيد الكربون إلى أسيتيل CoA ، وهو أحد أهم المواد الكيميائية في عملية التمثيل الغذائي.
ولكن من بين العديد من آليات الحياة ، عاد العلماء مرارًا وتكرارًا إلى دورة حمض الستريك العكسي. تستخدم بعض البكتيريا هذه العملية ، التي تعمل مثل دورة حامض الستريك ، ولكن في الاتجاه المعاكس ، لإنتاج مركبات الكربون المعقدة من ثاني أكسيد الكربون والماء. وتظهر بعض الأدلة أن هذه العملية قديمة للغاية.
مثل Ralser ، استخدم Moran و Muchowska معادن مثل الحديد لإنشاء تفاعلات كيميائية في مختبرهم. في عام 2017 ، تمكنوا من إطلاق ستة من أحد عشر تفاعلاً لدورة حامض الستريك العكسي ، وبعد عامين ، وجدوا تفاعلات إضافية.
يقول موران: "لم نكرر الدورة الكاملة أبدًا". لكنهم يقتربون.
ليس بيولوجيا تماما
على الرغم من حماسهم ، ينقسم العلماء حول إمكانية حدوث دورات خلوية كاملة بالفعل ، إذا لم يكن لديهم الإنزيمات لتسهيل العملية. بالنسبة لرامانارايانان كريشنامورثي ، من معهد سكريبس للأبحاث في لا جولا بكاليفورنيا ، فإن إعادة إنتاج أجزاء معينة فقط من الدورة أمر غير مقنع.
يقول: "الأمر أشبه بكسر وعاء زجاجي ، والقول: القطع جاءت من البرطمان ، حتى أتمكن من إعادة بناء الجرة بالكامل".
حاول كريشنامورثي وزملاؤه أساليب مختلفة. يقول: "نحن منفصلون عن علم الأحياء" ، لأن ما يحدث في الخلايا اليوم ليس دليلًا مثاليًا لما كان يحدث هناك منذ مليارات السنين. "سأدع الكيمياء ترشدني. »
في عام 2018 ، أظهر فريق Krishnamurthy محركًا أيضيًا جديدًا يعمل في دورتين وبدون إنزيمات . يقول كريشنامورثي: "نتجاوز بعضًا من أكثر الجزيئات غير المستقرة ، بعضًا من أصعب الخطوات التي يستطيع علم الأحياء القيام بها ببراعة باستخدام إنزيمات متطورة للغاية". ووفقًا له ، يمكن أن تكون العملية المعنية مقدمة قديمة لدورة كريبس العكسية.
في الآونة الأخيرة ، حاول فريقه إضافة السيانيد ، الذي يُعتقد أنه كان وفيرًا على الأرض. أظهرت الأبحاث السابقة أن السيانيد كان قادرًا على إنتاج العديد من المواد الكيميائية للحياة بسبب تفاعله العالي ، ولكن من غير المؤكد ما إذا كان قد لعب دورًا فعليًا في أصل الحياة ، لأنه سام للكائنات الحية. ومع ذلك ، أظهر فريق كريشنامورثي أن السيانيد يمكن أن يطلق محركات أيضية تشبه وظائف حياتية معينة .
يشك موران في هذا النهج لأن هذه المحركات الترددية لا تصنع بعض المواد الكيميائية الأساسية للحياة. قال: "لا أفهم لماذا يريد أي شخص القيام بذلك".
يبقى أن نرى ما إذا كانت الإصدارات الكاملة لجميع الدورات الأيضية الحالية يمكن أن تعمل بدون إنزيمات ، أو ما إذا كان يجب أن تستقر الحياة الأولى على إصدارات بديلة ومبسطة مثل تلك التي صنعها كريشنامورثي.
ستروماتوليتس الحالية في شارك باي (أستراليا).
محرك مباشر؟
تطرح القدرة على إعادة إنتاج عمليات الحياة بأشكال مبسطة سؤالًا حاسمًا: إلى أي مدى يمكن أن نطلق على الأنظمة الكيميائية اسم "الحياة"؟ إذا كان محرك التمثيل الغذائي يعمل في قارورة زجاجية ، فهل هو حي حقًا؟
سيقول معظم العلماء لا. لكي يبقى شيء ما على قيد الحياة ، "نحتاج إلى نظام معقد بما يكفي حتى يتم التمثيل الغذائي والتكاثر" ، كما يوضح Ralser. لا يستطيع محرك التمثيل الغذائي القيام بذلك من تلقاء نفسه ، ولكنه خطوة إلى شيء يمكنه ذلك.
يقول كريشنامورثي: "لم يحدِّد أحد ماهية الحياة حقًا" ، وهناك الكثير من الحدود. على سبيل المثال ، تنص العديد من تعريفات الحياة على أن الكائن الحي يجب أن يكون قادرًا على التكاثر ، لكن الحيوانات الجنسية لا يمكنها التكاثر بدون شريك: لذلك ، إذا اتبعنا هذه التعريفات بالحرف ، فإن الأرنب وحده n ليس على قيد الحياة.
يقول Muchowska: "كل شيء بين غير الأحياء والأحياء هو تدرج". المحركات الأيضية ليست جامدة تمامًا مثل الصخور ، كما أنها ليست حية تمامًا مثل البكتيريا.
الحياة ، بمعنى ما ، هي نوع من الحوادث الكيميائية ، رقصة دوامة لم تتوقف لأكثر من 3.5 مليار سنة. على الرغم من تعريفنا لها ، تستمر هذه الرقصة ، وتتقن ببطء النظام البيولوجي الذي خلق أشكالًا لا تعد ولا تحصى وعجيبة من الأرض.
المصدر:مواقع ألكترونية