شواهدی جدید از ریشه حیات بر روی زمین
در ابتدای پیدایش زندگی بر روی این کره خاکی، زمین فقط میزبان مواد شیمیایی ساده بود. در ادامه راه این مواد شیمیایی به پروتیٔنی تبدیل شدند که لازمۀ ایجاد موجودات تک سلولی بودند. در مراحل بعد این موجودات تک سلولی بودند که تبدیل به گیاهان و حیوانات شدند.
پژوهشهای اخیر از این که چگونه این سوپ نخستین (مواد شیمیایی ساده) به تولید واحدهای تشکیل دهنده اسید آمینه منتهی شد، پرده برمی دارند.
در بین دانشمندان اجماع گسترده‌ای وجود دارد راجع به نحوه تکامل سلولهای اولیه به گیاهان و حیوانات.
نکته‌ای که تا به حال بصورت یک معما باقی مانده بود، نحوه شکل گیری و تبدیل واحدهای تشکیل دهنده اسید آمینه به پروتئین بود که در جای خود سنگ بنای تمام سلولها است.
حال به لطف تلاش دو پژوهشگر و مدرس در دانشگاه کارولینا، به این سوال که چگونه ۴ میلیارد سال پیش تبدیل واحدهای تشکیل دهنده سلولها به زندگی شکل گرفت پاسخی داده شده است.
کشفیات این دو دانشمند که در مجلات معتبر علمی به چاپ رسیده است، سوالاتی جدی را راجع به دنیای مبتنی بر “آر. ان.آ.” (RNA) ایجاد می‌کند. تئوری که بر اساس آن آر.ان.آ. – ملکولهایی که امروزه در برنامه نویسی، تنظیم و بیان ژنها نقشی اساسی بازی می‌کند- خود از این سوپ اولیه متشکل از اسید آمینه و مواد شیمیایی کیهانی تکامل یافتند و در ادامه ابتدا امکان ایجاد اولین پروتئین کوچک به نام پپتید (نوعی پلیمر) و سپس موجودات تک سلولی را فراهم آوردند.
به نظر این دو، آر.ان.آ. مولد این تغییرات نبوده است. در واقع به نظر نمی رسد آر.ان.آ. باعث تسریع شکل گیری پپتید شده باشد و بر عکس این پپتید بود که شکل گیری آر.ان.آ. را سرعت بخشید.
به گفته دکتر کارتر یکی از این دو محقق: “تحقیقات ما نشان می‌دهند که رابطه بین خصوصیات فیزیکی اسید آمینه، کدهای ژنتیک و تغییر ساختار پروتئین، ظاهراً از ابتدای کار بخشی ضروری در این روند بوده است، مدتها قبل از ورود مولکولهای پیچیده و عظیم به صحنه. نیز این که این تعامل تنگاتنگ عاملی کلیدی بود در تکامل ساختاراولیه به موجودات زنده.”
این اکتشافات فصلی جدید به داستان چگونگی تکامل زندگی در میلیارد‌ها سال پیش می افزایند.
نزدیکترین نیای مشترک همه موجودات
جامعه علمی بر سر این نکته اتفاق نظر دارد که ریشه نزدیکترین نیای مشترک هر آنچه که امروزه بر روی کره زمین زندگی می‌کند به ۳.۶ میلیارد سال پیش برمی گردد. آنهم در شکل موجودی تک سلولی، دارای صدها ژ‌ن، قادر به تکثیر دی ان آ (DNA)، ترکیب پروتئین و رونویسی آر.ان.آ.
به عبارتی این موجود دارای همه عواملی بود که موجودات امروزی دارای آن هستند- از جمله چربی. توضیح این که از آن مرحله به بعد زندگی چگونه تکامل یافت، دیگر کار سختی نیست.
اما مدرکی قاطع دراین رابطه که پیش از ۳.۶ میلیارد سال پیش چگونه این نزدیکترین نیای مشترک، از دل باتلاق های جوشان مواد شیمیایی بر روی زمین بوجود آمدند به دست نیامده است؛ مواد شیمیایی که در مراحل بعد به اسید آمینه تبدیل شدند و امروزه سنگ بنای تولید پروتئین در بدن مایند.
به گفته این دو دانشمند ما تا به اینجا راجع به نزدیکترین نیای مشترک اطلاعات بسیاری داریم و در رابطه با مواد شیمیایی که واحدهای تشکیل دهندۀ سلولها به مانند اسید امینه را تولید می کنند در روند کسب آگاهی روزافزونی قرار داریم. اما فاصله‌ای طولانی بین سطح اطلاعات امروزه ما در این دو مورد وجود دارد. در مراحلی ما حتی نمی دانستیم چگونه باید در این رابطه کاوش کرد.
تحقیقات این دانشگاه رصد خانه‌ای برای درک یک اقیانوس اطلاعات
در ابتدا مشخصات فیزیکی بیست اسید آمینه ثبت و سپس ارتباط بین این خصوصیات و کد های ژنتیک پیدا شد. وجود این ارتباط نشان می‌دهد که یک کد دوم و قدیمی‌تر وجود داشته که فعل و انفعال بین آر.ان.آ. و پپتید را ممکن می ساخته است؛ تعاملی که پیش درآمد پروسه انتخابی بود که می‌توان تصور کرد منجر به ایجاد اولین زندگی بروی کره زمین شد.
بنابراین نیازی نبود که آر.ان.آ. خود را از دل سوپ شیمیایی ابداع کند، حتی قبل از آن که سلولی وجود داشته باشد. به احتمال زیاد این فعل و انفعلات بین اسید آمینه و نوکلئوتید )ترکیبی اسیدی( بود که راه را برای تعامل بین آر.ان.آ. و پروتئین فراهم کرد.
پیچیدگی نشات گرفته از سادگی
پروتئین ها برای داشتن عملکردی مناسب باید به روش خاصی تغییر ساختار دهند. در آزمایشهای انجام شده روی بیست اسید آمینه، هم قطبهای اسید امینه (دخیل در توزیع آنها بین آب و روغن) و هم اندازه آنها کمکی بود به توضیح پروسه پیچیده تغییر ساختار پروتئین ها- هنگامی که زنجیره ای از اسیدهای آمینه به نوعی خود را می‌چیند تا به یک ساختار سه بعدی برسد که قادر به انجام وظیفه مشخص زیستی باشد.
آزمایشها نشان دادند که به چه شکل قطبهای مختلف اسید آمینه بطور مداومی در گستره ای از حرارت های مختلف تغییر می‌کند به نحوی که باعث اختلال در رابطه بین کدهای ژننتیک و تغییر ساختار پروتئین نباشد. درک این مورد نکته مهمی بود، چرا که وقتی اولین زندگی بر روی کره زمین شکل می گرفت دمای هوا بسیار بالا بود، احتمالا گرمتر از آنچه که الان وجود دارد یا حتی زمانی که اولین گیاهان و حیوانات به وجود آمدند.
مجموعه‌ای از آزمایشهای بیو-شیمیایی روی اسید آمینه در لابراتوار های دانشگاه کارولینا نشان داد که دو خصوصیت اندازه و قطبهای اسید آمینه موارد لازم و کافی بودند برای توضیح چگونگی رفتار اسید آمینه در پروسه تغییر ساختار پروتئین و چگونگی حفظ این رابطه در حرارت بالای ۴ میلیارد سال پیش کره زمین.
مورد دیگری که به آن پرداخته شد آنزیمی بود به نام تی.آر.ان.آ. که وظیفه ترجمه کدهای ژنتیک را به عهد دارد.
یافته‌های این دو دانشمند بر این دلالت دارند که ارتباط بین تی.آر.ان.آ. و خصوصیات فیزیکی اسیدهای آمینه – اندازه و قطبی بودن آنها- در عصر اولیه زمین ضروری بوده است. بر اساس تحقیقات انجام شده به نظر می‌رسد که ترتیب انتخاب در تقدم اندازه بر قطبی بودن عمل می کرده است.
آنها اعتقاد دارند که مرحله میانی کدبندی ژنتیک می تواند به حل دو پارادوکس کمک کند: چگونه پیچیدگی از سادگی پدید آمد و چگونه حیات، کار بین دو نوع مختلف از پلیمرها را تقسیم کرد (پروتئین و اسید نوکلییک).
این واقعیت که کدبندی ژنتیک در دو مرحله و با موفقیت تکامل یافتند – مرحله اول نسبتا ساده- شاید یکی از دلایلی است که چرا زندگی قادر بود در زمانی که زمین هنوز بسیار جوان بود، پدیدار شود.
یک کد اولیه که اولین ارتباط گیری بین پپتید و آر.ان.آ. را ممکن ساخت، ظاهرا زمینه را برای به بار نشستن یک انتخاب تعیین کننده فراهم کرده باشد.
این سیستم بدوی در ادامه، تحت فرایند انتخاب طبیعی قرار گرفت که در نتیجه فرم جدید و بیولوژیکی از تکامل را رقم زده است.
به نظر می‌رسد همکاری بین آر.ان.آ. و پپتید موردی ضروری بوده است برای ظهور خود به خودی پیچیدگی و این که ما در دنیایی مبتنی بر تعامل بین آر.ان.آ. و پپتید زندگی می‌کنیم و نه فقط مبتنی بر آر.ان.آ.
