حیات باید در ابتدا با یک مولكول سادهی خود تکثیرشونده، آغاز شده باشد. این مولكول كه میتوان آن را جد اعظم همهی گونههای زیستی زمین نامید، سالها هدف اصلی دانشمندان بوده است كه برای یافتن پاسخ آن تلاش زیادی كردهاند. پژوهشهای زیادی برای یافتن فرآیندی كه باعث ایجاد این مولكول شده و مشخصات حیاتی آن در سالهای متمادی صورت گرفته است. چهار میلیارد سال پیش، سطح داغ و ناآرام سیارهی زمین كه بهتازگی در مداری به دور یک ستاره متوسط شكل گرفته بود، شروع به سرد شدن كرد.
دانشمندان قبل از پاسخ به پرسش معروف مرغ و تخممرغ، باید به این پاسخ بدهند که در ابتدا DNA ایجاد شد یا پروتئین؟
سطح خشن آن ابتدا با شهابسنگهای فراوانی بمباران شد و در ادامه توسط گدازههای ناشی از فورانهای آتشفشانی متعددی نهربندی شد و در نتیجه اتمسفری پر از گازهای سمی سیاره زمین را احاطه كرد. هنوز دلیل قانعكنندهای ارائه نشده است كه چگونه این همه آب بر سطح زمین جاری شد، تبخیر شد، ابر شكل گرفت و توفانهای مهیب و رعد و برقهای بزرگ تمام زمین را جارو كردند. بهنظر میرسد صدها میلیون سال پیش آب بر سطح زمین جاری شد و گودالهای این سیاره را پر كرد، كمكم اقیانوسها و رودخانهها شكل گرفتند و در ادامه، یک اتفاق شگفتانگیز و باورنکردنی رخ داد و برای اولین بار در سیارهی زمین یک سلول یا دستهای از مولكولها كه قادر بودند خود را تكثیر كنند، تشكیل شدند؛ رویداد بزرگی كه سرآغاز داستانی هیجانانگیز به نام حیات بود.
زمانی كه اولین مولكول خود همانندساز تشكیل شد، انتخاب طبیعی قدرت خود را در تغییر سرنوشت یک سیاره به رخ كشید. انتخاب طبیعی یعنی توانایی و برتری یک نسل از سلولها، موجودات، گیاهان یا حیوانات برای ادامهی بقا در مقابل سایر گونههای زیستی و سایر همنوعانشان. اینگونه بود كه نسلبهنسل تغییراتی در ساختار و چیدمان مولكولهای خود تکثیرشونده ایجاد شد و آنهایی كه بهتر بودند بقا یافتند و نسلهای بعدی را شكل دادند. دیری نگذشت كه اولین سلولهای ساده تشكیل شدند. میلیاردها سال بعد، برخی نوادگان آن سلولهای ابتدایی، تكامل پیدا کردند و به ارگانیسمهای هوشمندی تبدیل شدند.
سوال اصلی این است كه در آغاز، ابتداییترین سلول تشكیلدهندهی حیات امروزی چه مولكولی بوده است؟ حدود ۵۰ سال پیش، بشر برای اولینبار دریافت كه اولین سلول خودهمانندساز تاریخ حیات سیارهی زمین، RNAها بودند كه هم خانوادهی DNAها هستند. البته تا به امروز، هیچ اطلاع دقیقی دربارهی نحوهی شكلگیری RNA در زمین وجود ندارد. این ایده همواره مشكلی بزرگ داشته است؛ اینکه اگر RNA نمیتوانست بهصورت خودبهخود تشكیل شود، چگونه میتوانست خودهمانندسازی داشته باشد؟ آیا ابتدا برخی دیگر از گونههای تقسیمشوندگان ایجاد شدند؟ ماهیت آنها چه بوده است؟
وقتی زیستشناسان اولین بار برای چگونگی شكلگیری حیات اولیه، به دنبال پیدا کردن پاسخی افتادند، یافتن جواب تقریبا ناممكن به نظر میرسید. پژوهشهای فراوان باعث شد بشر نگاه جدیدی به حیات و شرایط تشكیل آن داشته باشد. امروزه میدانیم كه در تمام ارگانیسمهای زنده، كارهای پیچیده بهعهدهی پروتئینهاست. پروتئینها از لحاظ ساختاری این قابلیت را دارند كه پیچوتاب بخورند و به شكلهای متنوعی درآیند. بنابراین قادرند عملكردهای متفاوتی داشته باشند كه برای مثال میتوان به نقش حیاتی آنزیمها اشاره كرد. به وسیلهی این نقش مهم، پروتئینها میتوانند طیف وسیعی از واكنشهای شیمیایی را تسهیل كنند و به آنها سرعت بخشند.
مقالههای مرتبط:
نكتهی مهم این است كه اطلاعات اصلی كه برای تولید پروتئینها استفاده میشود، در مولكولهای DNA ذخیره شدهاند و بدون DNA نمیتوان پروتئینهای جدیدی ساخت و در عین حال بدون پروتئینها نمیتوان DNAجدید ایجاد كرد. ظاهرا دوباره پرسش معروف مرغ و تخممرغ در حال شكلگیری است. حال دانشمندان باید به این پرسش پاسخ میدادند كه كدام یک از این دو در ابتدا ایجاد شدند، پروتئین یا DNA؟ محققان علم بیوشیمی درصدد سنتز RNAهایی برآمدهاند تا با انتخاب تصادفی بعضی از آنها نسبت به شرایطی كه این اجداد احتمالی حیات در آن سازگارند، آگاهی یابند. به دنبال كشفی كه سال ۱۹۶۰ صورت گرفت، معلوم شد RNA میتواند عملكردی مشابه یک پروتئین را در فرآیند ایجاد حیات به عهده گیرد، با این تفاوت كه ساختار RNAها به هیچوجه به پیچیدگی ساختارهای پروتئینی نیست.
در همان زمان این پرسش مطرح شد كه اگر RNA میتواند واكنشهایی مثل ذخیرهی اطلاعات را درون خود برنامهریزی و تسریع كند، آیا امكان دارد كه به تكثیر خود نیز قادر باشد؟ و اگر اینطور باشد، پس RNA ها قادرند فرآیند همانندسازی را مستقل انجام دهند و دیگر نیازی به پروتئینها نخواهد بود. این ایده بسیار جذاب بود و امیدهای زیادی را در دل دانشمندان روشن كرد كه به یافتن پاسخ پرسش بزرگ بشریت بسیار نزدیک شدند. اما این موضوع فقط یک ایده بود و در آن زمان، تنها بر پایهی گمانهزنیها استوار بود. هنوز هیچکدام از پژوهشها نشان نداده بودند كه RNAها میتوانند عملكردی مستقل و مشابه پروتئینها داشته باشند و واكنشهایی را همانند آنزیمهای پروتئینی كاتالیز كنند.
پروتئینها از لحاظ ساختاری این قابلیت را دارند كه پیچوتاب بخورند و به شكلهای متنوعی مانند آنزیمها، درآیند
این شک و شبهه تا زمانی یک آنزیم RNA در سال ۱۹۸۲ کشف شد، ادامه داشت. در آن سال پژوهشگری بهنام توماس كچ (Thomas Kech)، از دانشگاه كلرادو، موجود تکسلولی عجیبی با جنسیتی هفتگانه كشف كرد. بعد از آن محققان توانستند آنزیمهای RNAی بیشتری در جانداران مختلف كشف كنند و همچنین تعدادی را در آزمایشگاهها خلق نمایند. RNA در ذخیرهی اطلاعات بهخوبی DNA عمل نمیكند و ثبات كمتری دارد، عملكرد آن مثل پروتئینها گسترده نیست، اما به عنوان یک ابزار مولكولی فعالیتها و قابلیتهای زیادی دارد. این موضوع این نظریه را تایید میکند که حیات اولیه از مولكولهای RNAای كه قادر به همانندسازی و تشكیل مولكولهای بیشتری از خود بودهاند، تشكیل شده است. این كشف آنقدر الهامبخش بود كه والتر گیلبرت، عنوان جهان RNAای بر سیارهی زمین نهاد.
حتی ممكن است این مولكولهای همانندساز، ادغام جنسی شوند. آنزیم RNAای كه كشف شد تنها تكهی كوچكی از یک RNA بزرگتر بود كه میتوانست خود را از آن جدا سازد و بهطور مستقل فعالیت كند. اما معكوس چنین واكنشی نیز وجود دارد كه طی آن RNA جدیدی به زنجیرهی آنزیمی اضافه شود یعنی RNAهای خودهمانندساز قادرند با مولكولهای RNAی دیگر ادغام جنسی شوند. این قابلیت RNAها نقش بزرگی در جهت تكامل آنها داشته است؛ چون باعث میشود همانندسازهایی از دودمانهای مختلف با یكدیگر تركیب شوند و خانوادهی مشتركی تشكیل دهند و طبیعتا این امر باعث تنوع بیشتر این مولكولها شده است. سال ۲۰۰۰ بسیاری از زیستشناسان به نظری جامع در این مورد رسیدند.
آنها روی ساختار فاكتورهای سازندهی پروتئینها در سلولها كار میكردند كه دریافتند پیشساز اصلی این فاكتورها یک آنزیم RNA است. با توجه به اینكه پروتئینها توسط RNA سنتز میشوند، پس بدون شک، میتوان نتیجهگیری كرد كه حیات باید در ابتدا توسط RNAها تشكیل شده باشد. مولکول RNA از چهار باز آلی متفاوت ساخته شده است: آدنین (A)، گوانین (G)، سیتوزین (C) و اوراسیل (U). هفت سال پیش گروهی از پژوهشگران به سرپرستی شیمیدان انگلیسی به نام جان سادرلند (John Sutherland)، مجموعهای از مراحل را نشان دادند که طی آنها برخی از واکنشهای شیمیایی منجر به ایجاد ترکیبهای شیمیایی سیتوزین و اوراسیل شدند.
اما دانشمندان تاکنون نتوانستهاند پیدایش دیگر اجزای بنیادی و سازندهی پورین RNA، یعنی آدنین و گوانین را از همین طریق توضیح دهند. در سال ۱۹۷۲، یک شیمیدان انگلیسی به نام لزلی اورگل و همکارانش روشی را برای تشکیل پورین توضیح دادند. اما بهگفتهی توماس کارل، شیمیدان از دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان، فرایندی که آنها برای تشکیل پورین نشان دادند، به نظر ممکن نمیرسد. چرا که در نتیجهی آن فرآیند، میزان خیلی کمی از پورین تولید میشود که برای پیدایش حیات کافی نیست. او میگوید که بیش از ۴۰ سال است کارشناسان در جستجوی فرآیندها و ترکیبات شیمیایی سازندهی پورینها، هستند.
مقالههای مرتبط:
کارل و همکارانش چند سال پیش هنگام مطالعهی نحوهی آسیب دیدن DNA سرنخ جدیدی پیدا کردند. مولکول DNA شباهت زیادی به RNA دارد، به جز اینکه جای اوراسیل را تیمین (thyamine) گرفته است. آنها میخواستند ببینند که مولکولی به نام فورمامیدوپیریمیدین (FaPy) چگونه با DNA واکنش میدهد و طی این پژوهش پی بردند که این مولکول میتواند با واکنش شیمیایی منجر به تشکیل پورین شود. بنابراین، آنها تصمیم گرفتند بررسی کنند که آیا شرایط زمین در دورههای اولیه برای به وجود آمدن مولکول FaPy و در نتیجه تشکیل پورینها مناسب بوده است یا خیر. اولین مرحله آسان بود و فقط به هیدروژن، سیانید و آب نیاز داشت. هیدروژن سیانید مولکول سادهای است که تنها از سه اتم هیدروژن، نیتروژن و کربن تشکیل شده است.
تقریبا همهی دانشمندان مرتبط همعقیده هستند که در سالهای اولیهی پس از پیدایش زمین، مولکول هیدروژن سیانید به وفور وجود داشته است. این ماده در آب سریع واکنش میدهد و یکی از کلاسهای مولکولی به نام آمینوپیریمیدین (aminopyrimidine) را تشکیل میدهد. این مولکولها شامل چند گروه شیمیایی به نام آمین هستند. در حالت عادی، این آمینها طی واکنشهای شیمیایی، طیف گستردهای از ترکیبات شیمیایی را تشکیل میدهند. اما کارل میگوید اکثر آن ترکیبات، پورین نیستند. کارل باید راهی پیدا میکرد که به غیر از یک آمین مهم، جلوی واکنش شیمیایی همهی آمینها را بگیرد.
RNA بهدلیل داشتن هیدروکسیل در کربن شمارهی 2، پایدار نیست و در ذخیرهی اطلاعات بهخوبی DNA عمل نمیكند
وقتی تیم کارل، مقداری از نوع خاصی از اسید را وارد یک محلول شیمیایی کردند، واکنش شیمیایی باعث شد که یک پروتون اضافه از اسید جدا شود و به آمینوپیریمیدین بچسبد. این پروتون اضافه، واکنشپذیری همهی گروههای آمین بهجز یکی از آنها را خنثی کرد. در کمال خوشحالی کارل، تنها آمینی که واکنشپذیر باقی مانده بود دقیقا همانی بود که میتوانست منجر به تشکیل پورین شود؛ این همهی ماجرا نیست. نتایج آزمایشگاهی بعدی نشان دادند که آمین واکنشپذیر روی مولکول آمینوپیریمیدین سریع با فرمیک اسید یا فرمامید پیوند میزند. سال گذشته، فضاپیمای روزتا (Rosetta) هر دو ترکیب شیمیایی را روی یک دنبالهدار پیدا کرد. بنابراین، دانشمندان فکر میکنند که احتمالا در ابتدای پیدایش زمین، این دنبالهدارها روی زمین باریدند.
وقتی که پیوندهای شیمیایی برقرار شدند، محصولات آن واکنشهای شیمیایی با شکر واکنش دادند و مقادیر زیادی پورین ایجاد شد. اما استیون بنر (Steven Benner)، یک شیمیدان و متخصص پیدایش حیات میگوید که به این زودیها نمیتوانیم قاطعانه این توضیحات را برای پیدایش حیات بپذیریم. بنر قبول دارد که توضیحات ارایه شده برای نحوهی تشکیل پورین یک قدم بزرگ رو به جلو است؛ اما حتی اگر درست باشند، شرایط شیمیایی که پورینها را به وجود آوردند با شرایط شیمیایی که سادرلند و گروهش توصیف کردهاند، همخوانی ندارد. بنابراین مشخص نیست که دقیقا آدنین، گوانین، سیتوزین و اوراسیل چگونه به هم پیوند خوردند.
حتی اگر همهی ترکیبات سازندهی RNA در یک زمان و یک مکان کنار هم بودند، هنوز مشخص نیست که چه چیزی باعث شد این ترکیبات به هم متصل شوند و RNAها را تشکیل دهند. دانشمندانی که خاستگاه زندگی را مطالعه میکنند، بر این باورند که اولین مولکول خودهمانندساز در دنیای RNA زندگی میکرد. فرضیه دنیای RNA میگوید که قبل از اینکه DNA مادهی ژنتیک سلولها شود این وظیفه بر عهدهی مولکولهایی بوده که اولا میتوانستند مانند خودشان را بسازند و دوما خاصیت آنزیمی هم داشتهاند. این شیوهی زندگی بسیار سادهتر از زندگی کنونی است؛ چون هماکنون دو وظیفه یادشده از هم جدا شده اند؛ DNA همانندسازی میکند در حالی که پروتئین هم خاصیت آنزیمی دارد. پژوهشگران در کالیفرنیا ترکیبی از RNA و آنزیمی به نام ریبوزیم در آب درست کردند.
آنها به این نتیجه رسیدند که ریبوزیم به قسمتهایی از مولکول RNA متصل میشود و به آن اجازه میدهد به مونومرها متصل شود تا بتواند RNAهای جدید بسازد. ریبوزیم از معدود آنزیمهای از جنس RNA است. این اولین باری است که مادهی ژنتیک با چیزی به غیر از آنزیم پروتئینی همانندسازی شده است و علاوه بر آن نشان داده شده است که مادهی ژنتیک میتواند با RNA به تنهایی همانندسازی شود. این یافته بخشی دیگر از «فرضیهی دنیای RNA» را اثبات میکند.
مقالههای مرتبط:
فقط ریبوزیمهایی که توان اتصال به مولکولهای RNA را داشتند میتوانستند سالم بمانند. در واقع آنچه اتفاق افتاده است همان پروسهی انتخاب طبیعی است. دلیل اینکه مادهی بهدست آمده در آزمایش، یک موجود کاملا زنده نیست، این است که ریبوزیم قادر به خودهمانندسازی نیست و نمیتواند هیچ RNAای را که از خودش بزرگتر است، بسازد. ولی به هرحال آزمایش نشان داد که RNA به تنهایی قادر به ایجاد زندگی اولیه است حتی اگر این پلیمراز بهتر ساخته شود میتواند خودش را نیز همانندسازی کند. در واقع تنها قسمت گمشدهی پازل، مولکولی است که بتواند به RNA متصل شود. ریبوزیمها برای دهههای متوالی در بیوشیمی مورد استفاده قرار میگرفتند ولی در این آزمایش، این دو پژوهشگر با استفاده از آن، میلیونها گونه را سنتز کردند و همراه با مولکولهای RNA درون لولهی آزمایشی قرار دادند.
در حالی که هم RNA (ریبونوکلئیک اسید) و DNA (دئوکسی ریبونوکلئیک اسید) از نظر ساختار کاملا مشترک و مشابه هستند و شاید RNA همانند یک طرف نردبان DNA به نظر میرسد، اما نکتهی مهم این است که RNA شکنندهتر و دارای قابلیت انعطاف کمتری نسبت به DNA است و به احتمال زیاد به همین دلیل است که DNA در نهایت قادر به شکل دادن ژنهای ما شده است. اما بسیاری معتقدند که RNA، با وجود ضعفهای ساختاری آن، در وهلهی اول از این روند پیچیده به وجود آمده است. تا جایی که بسیاری از دانشمندان پیشنهاد دادهاند که آن را باید اولین مولکول خودهمانندساز بر روی زمین به شمار آوریم.
فرضیه دنیای RNA میگوید که قبل از DNA مولکولهایی وجود داشتند که هم قابلیت همانندسازی و هم خاصیت آنزیمی، داشتهاند
بر پایهی فرضیهی جهان مبتنی بر RNA گفته میشود که RNA خود را از میان مخلوطهای حبابی کهن روی زمین به تعبیری «سرهمبندی» یا مونتاژ کرده و در ادامه نیز در تبدیل اسیدهای آمینه به پروتئینها و آنزیمها نقش داشته است. در نهایت، همان آنزیمها به RNA کمک کردهاند تا مولکول DNA از آن ساخته شود و این مولکول نیز منجر به پیدایش حیات پیچیده روی زمین شده است. از سویی بسیاری از محققان باور دارند که در آن میان مواردی هم بوده است که در آن نوکلئوتیدهای RNA (زنجیرههای RNA) نیز احتمالا با رشتههای تشکیل دهندهی DNA مخلوط شده و منجر به تشکیل رشتههای مخلوطی کیمرا (chimera) شدهاند.
کیمرا در زیستشناسی به اندامی گفته میشود که از دو یا چند یاختهی غیر متشابه تشکیل شده است. آن رشتههای کیمرا به احتمال زیاد یک گام مهم در انتقال از RNA به DNA بودهاند. شواهد ارایه شده به نوعی از این ایده که RNA و DNA در واقع به صورت همزمان و بهطور بالقوه از مواد تشکیلدهندهی مشابه در سوپ اولیهی زمین به وجود آمدهاند، پشتیبانی میکند. این در واقع نتیجهای است که محققان در Angewandte Chemie به آن رسیدهاند.
آنها نخستین گروهی نیستند که چنین ایدهای را ارائه میکنند. اما یافتههای آنها شواهدی جدید را برای حمایت از فرضیهی جایگزین در زمینهی ریشههای حیات فراهم میکند. اگر یافتههای آنها به صورت قطعی تایید شوند، لزوما به این معنی نخواهد بود که RNA باعث رشد و گسترش DNA نشده است.با این حال همچنان جهش از این مولکولهای غیر زنده به موجودات زندهای که دارای مولکول DNA هستند و تولید مثل میکنند، فوقالعاده پیچیده است و هنوز از آن چیز زیادی نمیدانیم.
در هر صورت یکی از ویژگیهای اصلی و ضروری موجودات زنده، توانایی همانندسازی یا همان تولید مثل است. چه این همانندسازی مثل باکتریها با تقسیم سلولی انجام شود و چه مثل پستانداران بزرگ با تولید مثل جنسی و بچهزایی. هیچ کس نمیداند این فرآیند چگونه شروع شد و چه مراحلی را طی کرد. هنوز کسی نتوانسته در آزمایشگاه از عناصر غیر زنده، موجود زنده بهوجود بیاورد. در دههی ۱۹۶۰ میلادی، بعضی از دانشمندان فکر کردند که شاید اولین مولکول همانندساز، یعنی مولکولی که میتواند مثل خودش را بسازد. پروتئین نقشی اساسی در بهوجود آمدن موجودات زنده دارد. پروتئینها میتوانند به اشکال مختلف و خیلی پیچیده در بیایند و تقریبا هر کاری را انجام دهند؛ مثلا به عنوان آنزیم عمل کنند.
مقالههای مرتبط:
آنزیمها موادی هستند که به عنوان کاتالیزور، گسترهی بزرگی از واکنشهای شیمیایی عمل میکنند. با این حال اطلاعات لازم برای ساخته شدن پروتئینها در مولکولهای DNA وجود دارد. بدون DNA پروتئینهای جدید بهوجود نمیآیند و بدون پروتئین هم DNA جدید بهوجود نمیآید. بنابراین کدام اول پیدا شد، پروتئین یا DNA؟ در دههی ۱۹۶۰، کشف اینکه مولکولهای RNA میتوانند تا حدودی مثل پروتئینها عمل کنند، یک پاسخ جالب را به ذهن دانشمندان آورد. اگر RNA میتوانست واکنشها را کاتالیز و همزمان اطلاعات را ذخیره کند، بعضی از مولکولهای RNA باید میتوانستند مولکولهای RNAی بیشتری بسازند؛ بنابراین RNAهای همانندساز نیازی به پروتیینها نداشتند.
آنها میتوانستند خودشان همه کار انجام دهند. مشخص شد که RNA یک مولکول همه فن حریف است. این یک دستاورد بزرگ برای این ایده که زندگی ابتدا از مولکولهای RNA تشکیل شده، بود. با این حال این ایده هم یک مشکل بزرگ دارد. نمیدانیم مولکولهای RNA چگونه بهوجود آمدند. آیا قبل از آن مولکولهایی سادهتر با توانایی همانندسازی وجود داشتند؟ بعضی از دانشمندان فکر کنند RNA اولین همانندساز نبوده است.
مقالههای مرتبط:
شاید قبل از دنیای RNA، دنیایی به نام TNA ،PNA یا ANA وجود داشته است. اینها همه مولکولهایی شبیه به RNA هستند که به نظر میرسد اجزای آنها احتمال بیشتری برای بهوجود آمدن خودبهخودی داشته باشد. مشکل اینجا است که اگر زندگی به یکی از این شکلها بهوجود آمده، شواهدی برای آن وجود ندارد. با تمام این اوصاف، سوالات زیادی باقی میماند. از جمله اینکه اولین مولکولهای همانندساز دقیقا کجا ظاهر شدند؟ حیات اولیه چه شکلی بود؟ انتقال به DNA و پروتئینها به چه صورت بود و کدهای ژنتیکی چگونه ایجاد شدند؟ دانشمندان در آینده به تمام این سوالات پاسخ خواهند داد و باید تا آن زمان صبر کنیم.
اخبار - زومیت - زومیت...
ما را در سایت اخبار - زومیت - زومیت دنبال می کنید
برچسب : نویسنده : محمد رضا جوادیان zoomit بازدید : 337 تاريخ : پنجشنبه 14 دی 1396 ساعت: 5:38