يقترح باحثون إسرائيليون نموذجًا جديدًا لتكوين الحياة

الجسر بين السكون والحياة

6.6.2000
بواسطة: ماريت سيلفين
كيف نشأت الحياة هو أحد أصعب الأسئلة في العلوم. لقد تناولها العلماء منذ مئات السنين، ولكن حتى الآن لم يتوصلوا إلى إجابة مرضية. منذ خمسينيات القرن الماضي، كانت هناك أبحاث نشطة حول هذا السؤال المهم، يشارك فيها باحثون من مختلف مجالات العلوم، ولكن على الرغم من الإنجازات الواسعة في مجال البيولوجيا الجزيئية، إلا أنه لا يوجد حتى الآن نص مقنع يشرح العمليات التي أدت إلى ظهور تشكيل الحياة.

تزعم وجهة النظر التقليدية أن الكائنات الحية تتميز بالقدرة على إعادة إنتاج نفسها ونقل المعلومات المخزنة فيها إلى ذريتها. جميع الكائنات الحية - البكتيريا والنباتات والحيوانات، وكذلك كل خلية في جميع الكائنات متعددة الخلايا - لديها القدرة على التكاثر الذاتي. يشمل النسخ جميع مكونات الخلية، التي تتلقى التعليمات من المعلومات المخزنة في الأحماض النووية - الحمض النووي والحمض النووي. أثناء النسخ، يتم عمل نسخة طبق الأصل من تسلسل وحدات البناء، ولكن بين الحين والآخر تحدث أخطاء: هذه هي الطفرات. وتكون النسخ الجديدة التي تحمل الطفرات في بعض الأحيان أكثر نجاحا وتتمكن من البقاء على قيد الحياة عندما تتغير الظروف البيئية، وبالتالي يتم الحصول على عملية الانتقاء الطبيعي.

ويرتبط تضاعف الأنظمة الجزيئية، كما ذكرنا، بالقدرة على نسخ المعلومات ونقلها من جيل إلى جيل. لذلك، يميل العديد من العلماء حتى الآن إلى افتراض أن الحياة بدأت مع التكوين التلقائي لجزيئات طويلة السلسلة مثل DNA أو R-NA أو البروتينات. وأظهرت التجارب المصممة لتقليد الظروف التي كانت موجودة على الأرض القديمة منذ حوالي أربعة مليارات سنة أن الوحدات الأساسية لهذه الجزيئات يمكن بالفعل أن تكون قد تشكلت تلقائيًا في ذلك الوقت. لكن العديد من العلماء يزعمون أن فرص اجتماع كل هذه العناصر معًا وإنتاج جزيء رئيسي أولي قادر على التكاثر الذاتي منخفضة للغاية، ومن ثم فإن الافتراض بأن الصدفة الناجحة بين وحدات البناء الصحيحة أدت إلى ظهور حمض نووي فعال تم رفضه باعتباره غير محتمل.

إذن، ما هي الخطوة الأولى التي أدت في النهاية إلى خلق الخلايا الحية؟ إن محاولات إيجاد طريقة للخروج من هذا المأزق قادت البروفيسور دورون لانتز من قسم علم الوراثة الجزيئية في معهد وايزمان وطلابه البحثيين، دانييل سيجيرا ودافنا بن إيلي، إلى البحث عن هياكل جزيئية أبسط قادرة، في ظل الظروف التي سادت على سطح الأرض القديمة، لتكرار نفسها وتشكيل الأساس لتكوين الحياة. وطوّر الباحثون الثلاثة نموذجًا يصف طريقة جديدة لفهم بداية الحياة. وفقا لهذا النموذج، نشأت الحياة من تنظيم الهياكل المكونة من جزيئات الدهون (مادة دهنية هي المكون الرئيسي لغشاء الخلية). وقد نُشرت أعمالهم البحثية الشهر الماضي في مجلة "Academy of Sciences Proceedings of the National".

"لقد افترضت أنه يجب البحث عن آلية كيميائية تقود مجموعة عشوائية من المواد الكيميائية إلى كيانات قادرة على التكاثر الذاتي. يقول لانتز: "وهكذا بدأنا بالبحث عن جزيئات بسيطة، وإن كانت أكثر بدائية، يمكنها إنشاء هياكل تتمتع بهذه القدرة". الدهون هي المكون الرئيسي للأغشية المحيطة بالخلية والنواة. بنية الدهون بسيطة نسبيًا، وقد ثبت أنها موجودة في المذنبات، ومن الممكن أن تكون قد تشكلت في ظل الظروف التي سادت على الأرض المبكرة.

ونظرًا لتركيبتها الخاصة، يمكن للدهون أن تشكل قطرات صغيرة تلقائيًا، وهي عبارة عن مجموعات تحتوي على آلاف الجزيئات. وهذه هي الطريقة التي يتم بها تنظيمها أيضًا في أغشية الخلايا الحية. "لم يأخذ العلماء الدهون على محمل الجد، لأنها في خلايا اليوم تلعب فقط أدوارًا مساعدة في خلق الفصل بين أجزاء الخلية. لكننا أظهرنا أنه في ظل ظروف معينة، يمكن لمجموعات الدهون أن تحتوي على معلومات وتخضع أيضًا لعمليات شبيهة بالنسخ المتماثل"، كما يقول لانتز. قام لانتز وطلابه ببناء نموذج حاسوبي يتغذى على الظروف التي كانت سائدة على سطح الأرض القديمة، والقوانين الإحصائية والعلاقات المتبادلة بين الجزيئات، ومنه يحصلون على عملية جديدة ومثيرة للاهتمام.

في الخطوة الأولى من العملية، تتصل جزيئات الدهون ببعضها البعض. لاحقًا، يقدم النموذج المحوسب ظاهرة جديدة تنتمي إلى مجال الأنظمة المعقدة: تظهر مجموعات جزيئات الدهون القدرة على تخزين المعلومات وتكرارها. كيف يحدث هذا؟ لانتز: "كان افتراضنا أنه في ظل الظروف التي كانت سائدة على سطح الأرض القديمة، تم إنشاء الآلاف وحتى الملايين من الأنواع المختلفة من الجزيئات الشبيهة بالدهون. اتضح أنه بالنسبة للقطرات التي يقل حجمها عن حجم معين، يوجد عدد فلكي من إمكانيات الاتصال بين جزيئات الدهون الفردية والهياكل فوق الجزيئية، وبالتالي يتم الحصول على مجموعات دهنية مختلفة تلقائيًا. يمكن أن تعتمد عملية شبيهة بالتطور على هذا التنوع."

من بين التنوع الكبير للمجموعات الدهنية، يُظهر بعضها خصائص خاصة. وفي هذه العناقيد، تتشكل شبكة من التأثيرات المتبادلة بين الجزيئات، مما يؤدي إلى نمو المجموعة بأكملها مع الحفاظ على تركيبتها الأصلية. وعندما يزيد تجمع الجزيئات عن حجم معين، تنقسم الكتلة إلى قسمين (ظاهرة معروفة في عالم الدهون) متشابهة في التركيب. يطلق لينتز على هذه الظاهرة اسم "نسخ الجينوم المركب". ووفقا للباحثين، فإن هذه هي أبسط آلية للتكاثر الذاتي، وهي التي يمكن أن تكون قد بدأت عمليات الانتقاء الطبيعي.

أظهر لانتز وطلابه، من خلال عمليات المحاكاة على أجهزة الكمبيوتر العملاقة، أن الارتباط بين كل هذه الخصائص يخلق ظاهرة تشبه الحياة. على شاشة الكمبيوتر، ترى كيف يتم إنشاء مجموعات الدهون ذات التركيبة الفريدة، والنمو، والانقسام، والتكرار، وتراكم "الطفرات" والمشاركة في عمليات الاختيار والتطور المعقدة.

كيف يمكن أن يؤدي هذا "العالم الدهني" في النهاية إلى تكوين جزيئات الحمض النووي المعقدة، كما نعرفها اليوم؟ "نعتقد أنه في هذه العمليات، بناءً على قدرة النظام على الخضوع للانتقاء الطبيعي، يتم إنشاء مواد أكثر تعقيدًا بمرور الوقت والتي تشبه أكثر فأكثر ما نراه اليوم في الكائنات الحية. يقول لانتز: "نحن نحاول محاكاة هذا التطور باستخدام الكمبيوتر". "وفقًا لنهجنا، فإن الأحماض النووية هي نتيجة لعملية تطورية وليست بدايتها. تعتمد نقطة البداية في نموذجنا على كيمياء بسيطة، ولكن النتيجة هي سلوك معقد يشبه الحياة. ولذلك، نأمل أن يكون هذا النموذج هو الجسر الذي كان يبحث عنه الكثيرون بين العالم الساكن والعالم الحي."
{ظهر في صحيفة هآرتس بتاريخ 6/6/2000}