حتى قبل وجود الحياة على الأرض، كانت الجزيئات تتصرف بطريقة تحاكي الحياة: فقد تكاثرت وتطورت تطوريًا. يحاول الدكتور عمر ماركوفيتش، خريج معهد وايزمان للعلوم، فهم هذه السلوكيات والتنبؤ بها بمساعدة نماذج الكمبيوتر
"كيف بدأت الحياة على الأرض؟ يقول الدكتور عمر ماركوفيتش، خريج معهد وايزمان للعلوم وباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة جرونينجن في هولندا وزميل المعهد الهولندي للعلوم: "إن هذا سؤال كبير للغاية بحيث لا يمكن التحقيق فيه مرة واحدة". دراسة ميكوروت. "الانتقال من اللاحياة إلى الحياة ليس بالأبيض والأسود، بل هو عملية متعددة المراحل." تركز أبحاث الدكتور ماركوفيتش على الأصل الكيميائي للحياة والتطور الكيميائي والتعقيدات في الأنظمة الاصطناعية والبيولوجية. وفيما يلي مقابلة أجريت معه ونشرت على موقع الأخبار العلمية الهولندي NEMO Kennislink.
يمكن استكشاف بداية الحياة بطرق مختلفة. ما هي نقطة البداية لبحثك؟
أولاً، سأشرح أين لا أبدأ - ولماذا. أحد الأساليب الشائعة هو البدء بالحياة كما نعرفها اليوم - على سبيل المثال، بكتيريا بسيطة - ومحاولة تجريدها قدر الإمكان حتى تصل إلى الحد الأدنى. مع هذا الأسلوب، تحصل على بكتيريا "صغيرة جدًا"، لكنها لا تزال معقدة جدًا بحيث لا يمكن أن تتشكل تلقائيًا.
يمكنك أيضًا البدء بالجزيئات التي نعرف أنها كانت موجودة في بداية الأرض، حتى قبل وجود الحياة. مثل هذه الجزيئات هي لبنات بناء مهمة للحياة. ثم يمكنك الاستمرار ومحاولة فهم كيف يمكن لخلية بدائية أن تتشكل من هذه الوحدات البنائية، ربما. لكن الخطر في هذا التوجه هو ضيق الأفق، لأننا نفترض أن الجزيئات الضرورية للحياة اليوم، شكلت أساس الحياة البدائية؛ لا يوجد دليل على أن هذا هو الحال بالفعل. ومن المحتمل جدًا أن هذه الجزيئات أصبحت مهمة للحياة في مرحلة لاحقة، وأن نقطة البداية كانت مختلفة تمامًا. إذا ركزنا على مجموعة معينة من الجزيئات، فإننا نستبعد التفسيرات المحتملة الأخرى.
إذا كان الأمر كذلك، ما هو النهج الذي تؤيده؟
أنا لا أحاول فك رموز العملية برمتها من اللاحياة إلى الحياة. وبدلاً من ذلك، أركز على جانبين من العملية: التكرار والتطور. هناك اتفاق واسع النطاق على أن هذين الأمرين من الخصائص الحاسمة للحياة. أود أن أفهم كيف تتم مثل هذه العمليات على المستوى الجزيئي. كيف تطورت هذه القدرات؟ نحن نعلم أنه حتى قبل وجود الحياة، تكونت العديد من الجزيئات. أنا لا أركز على هذا الجزيء أو ذاك؛ وجهة نظري أكثر تجريدية. ما الذي يجب أن يحدث حتى تتمكن الجزيئات المختلفة معًا من إنتاج أنظمة قادرة على التكرار والتكيف؟ بالنسبة لي، هذا هو التطور الكيميائي: ما هو تطور الجزيئات؟
فهل هذا مشابه للتطور كما نعرفه في النظم البيولوجية؟
نعم أعتقد ذلك. أحاول تطبيق المبادئ المعروفة من علم الأحياء التطوري على الأنظمة الكيميائية. الكيمياء والبيولوجيا ليسا عالمين منفصلين؛ نحن جميعًا نتشارك نفس الواقع، لذلك أعتقد أن نفس القواعد تنطبق. المشكلة هي أننا لا ندرك كيفية عمل هذه القوانين على الجزيئات/الأنظمة الكيميائية.
هل من الممكن حتى التحدث عن الجزيئات بعبارات عامة؟ سلوك الجزيئات يعتمد على خصائصها المحددة. حتى التغيرات الطفيفة بين الجزيئات يمكن أن تؤدي إلى ظواهر كيميائية مختلفة.
تتعلق المبادئ التي أبحث عنها بالعلاقات بين الجزيئات التي تشكل معًا شبكة. وتؤثر العلاقات المتبادلة بينها، وخاصة نطاق هذه العلاقات، على سلوك النظام بأكمله. فإذا قارنا ذلك بالخلية الحية التي يحدث فيها عدد كبير من التفاعلات في نفس الوقت، ولكن بعضها يحدث بسرعة في لحظة معينة، وبالتالي تبطئ أو تحفز ردود أفعال أخرى؛ أي أنه نظام متزامن يعمل وفقًا لذلك. بمعنى آخر، أبحث عن السلوك الناشئ (السلوك الذي لا يمكن التنبؤ به من المكونات الفردية) للشبكة، وأحاول معرفة خصائص النظام المرتبطة بهذا السلوك أو ذاك.
كيف يبدو بحثك عمليا؟
أقوم بشكل أساسي ببناء وتحسين نماذج الكمبيوتر التي تحاكي الأنظمة الكيميائية. أنا محظوظ للتعاون مع المجموعة البحثية للبروفيسور سيبيرن أوتو هنا في جرونينجن، حتى أتمكن من استخدام المعلومات والنتائج الحقيقية من تجاربهم في عملي. وفي بحثهم، قاموا بإنشاء نظام كيميائي يتضاعف من خلال تشكيل حلقات. يمكن لهذه الحلقات أن تتجمع لتشكل شيئًا يشبه القطع الصغيرة، والتي بدورها تظهر سلوكيات مثيرة للاهتمام. نماذجي تبدأ من هذا النظام. ثم أقوم بدمج هذا مع رؤى من التطور البيولوجي لاكتشاف الظروف اللازمة للتسبب في التطور الكيميائي.
هل يمكنك إعطاء مثال على المبدأ البيولوجي التطوري الذي تستخدمه؟
الانتواع هو مثال جيد. يعلمنا التطور البيولوجي أن توفر الغذاء وتنوعه هما من القوى الدافعة المهمة وراء تخصص الأنواع وتمايزها. عندما يكون هناك مصدر واحد للغذاء، فإن الأنواع التي تستهلكه بسرعة وكفاءة أكبر ستصبح مركزية، حيث لا يتبقى مكان للأنواع الأخرى. ومع ذلك، إذا كانت هناك أنواع مختلفة من الغذاء، فسوف تتطور أنواع مختلفة من الأنواع لأنه لم تعد هناك حاجة للتخصص، وستنخفض المنافسة على الغذاء. فكر على سبيل المثال في "الفريسي داروين" مع الأنواع المختلفة من المصادر.
كيف يترجم هذا إلى المستوى الجزيئي؟
تخلط أنواع مختلفة من لبنات البناء القادرة على تكوين حلقات وألياف -حتى عندما تختلط مع بعضها البعض- إلا أن معدل تفاعلها مختلف. النسخة التي تستجيب بشكل أسرع سوف تصبح هي المهيمنة، ولكن ماذا سيحدث عندما تنفد لبنة البناء المفضلة لديها؟ هل سيتكيف أم سيحل ناسخ آخر محله - ناسخ ينمو بمعدل أبطأ، ولكنه أقل انتقائية ويمكنه العمل مع مجموعة متنوعة من وحدات البناء؟ ومن خلال الضبط المستمر للظروف والخصائص، آمل أن أكتشف ما هي العوامل الحاسمة التي ستسمح بتكوين الأنواع الكيميائية المختلفة.
على ماذا بنيت اختياراتك؟ كيف تتأكد من أن نماذجك لا تزال ذات صلة بالكيمياء؟
إنها ليست عشوائية تمامًا؛ تعتمد اختياراتي على معلومات من التجارب الكيميائية التي أجريت في مختبر البروفيسور أوتو. هذه هي نقطة البداية. بعد ذلك، أختار النسخ المكررة التي تختلف قليلاً عن النسخ الموجودة، ولكنها ليست مختلفة جدًا للتفاعل مع بعضها البعض. أحاول اتخاذ قرارات مستنيرة، ولكن في نهاية المطاف، هذه قرارات، لذلك لا تعرف أبدًا ما هي القرارات. نحن نتبادل المعلومات بانتظام وهناك تأثير متبادل بين التجارب المعملية ونماذجي، وهذا يخدمني في تحسين التوقعات، ولا قدر الله.
ما الذي تأمل في النهاية أن تتعلمه من نماذجك؟
هدفي النهائي هو اكتشاف القوانين العالمية للتطور.
إنه طموح للغاية
نعم، لكن ذلك لن يحدث بين عشية وضحاها. من المخطط أن يستمر مشروعي لمدة عامين آخرين، وآمل أن أتعلم الكثير على طول الطريق. على سبيل المثال، كيف يمكنك تصميم نظام يحتوي على عشرة مستنسخات محتملة تؤدي في النهاية إلى إنشاء خمسة أنواع، وكيفية تحسينها؟ إذا تمكنت من التنبؤ بكيفية إجراء التجربة ونتائجها، فسيكون ذلك خطوة كبيرة.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 3
شكرا.
ساحر
ومن الممتع أيضًا أن تقرأ كيف يتطرق الدكتور ماركوفيتش إلى أصعب الأسئلة، ويبسطها ويجعلها في متناول الأشخاص العاديين مثلي، وكل هذا بشكل متواضع وفي سياقه.
إلهام ونتمنى لك التوفيق
أدير! بالنجاح