الدجاجة وبيضة الحياة

يبحث العلماء عن الحد الأدنى من الخلية الكافية للعمل كخلية حية مستقلة. على أية حال، فإن السؤال الأساسي - كيف خلقت الحياة في المقام الأول - يظل أحد الأسئلة المفتوحة في العلم. الحياة كبرنامج

بواسطة: آفي بيليزوفسكي، غاليليو

إنها بداخلنا، وهي تملأ الأرض من حولنا في كل زاوية ممكنة، من البكتيريا إلى الفيلة، ومن الطحالب إلى أشجار الخشب الأحمر. الحياة. لكن معظم المنخرطين في المجال العلمي المعروف باسم "علوم الحياة" يدرسون هذا الجانب أو ذاك من الحياة ويقبلون الحياة نفسها كأمر مسلم به. في بعض الأحيان يكون الأمر عبارة عن بحث على المستوى الأساسي لهذه الآلية أو تلك التي تعمل داخل الخلية الحية، مثل اليوبيكويتين، الذي يشرف على تفكيك البروتينات غير اللازمة، كما اكتشفها الحائزان على جائزة نوبل في الكيمياء لهذا العام - البروفيسوران أفراهام هيرشكو و أهارون تشاتشانوفر من التخنيون وإيرفينغ روز من الولايات المتحدة. البعض يبحث عن وظيفة هذا الجين أو ذاك، وهناك أيضًا محبي الحيوانات الذين يتابعون سلوكهم.

لكن السؤال الأساسي، كيف خلقت الحياة في المقام الأول، يظل أحد الأسئلة المفتوحة في العلم. نحن نعلم، أو على الأقل لدينا نظريات صمدت في الاختبار حتى الآن، كيف نشأ الكون وماذا كان في ثوانيه الأولى وأيضا كيف تطورت الحياة بعد خلقه، ولكن في المنتصف هناك ثقب أسود ضخم في المعرفة، في انتظار أن تملأ.
الحياة عبارة عن مجموعة من العمليات، من بناء وتقسيم الجزيئات والتغيرات الجينية المستمرة. السمات الأساسية للحياة هي: التكاثر بالوراثة والتطور والتمثيل الغذائي. وتتطلب هذه العمليات موارد خارجية من المواد والطاقة؛ أي أن الحياة تنطوي على استخدام الطاقة والمادة من البيئة وتحويلها إلى تكوين الكائن الحي (الكائن الحي) نفسه. عملية تحويل المادة الخارجية إلى مادة حية هي عملية التمثيل الغذائي.
أربعة عناصر كيميائية بشكل أساسي، من بين حوالي 85 عنصرًا مستقرًا موجودًا في الطبيعة، تخدم الحياة: الهيدروجين والكربون والنيتروجين والأكسجين. وهذه الأربعة مع العناصر الأخرى التي توجد في الجسم بكميات أقل، مثل: الفوسفور والكبريت والحديد، هي مكونات تركيبات كثيرة مختلفة من المواد الحية.
إن الخصائص الخاصة لعنصر الكربون هي ما يجعله فريدًا للحياة، على الأقل كما نعرفه. الخاصية التي تجعلها ذات أهمية خاصة هي قدرتها على تشكيل سلاسل طويلة، تتكون من ملايين الذرات. وترجع هذه القدرة إلى أن ذرة الكربون لها روابط أربع، وقدرتها على تكوين جزيئات معقدة. العنصر الثاني المهم هو الماء (H2O) - وهو جزيء يحتوي على ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين واحدة. الماء ضروري لتفاعلات الحياة الأساسية - جزء كبير من العمليات الكيميائية في أجسام الحيوانات يحدث في محلول مائي.

البروتينات والأحماض النووية
هناك نوعان من الجزيئات مسؤولان عن تطور وتكاثر الحيوانات والنباتات: البروتينات والأحماض النووية. وهذان النوعان من الجزيئات عبارة عن بوليمرات، أي جزيئات مبنية على شكل سلاسل طويلة، تتكون من مونومرات، وهي وحدات صغيرة وبسيطة نسبيًا. يتم تحديد خصائص البوليمرات من خلال الترتيب الخاص للمونومرات.
البروتينات هي المسؤولة عن بنية الخلية الحية ومعظم أعمالها، وتتكون من عدد صغير من المونومرات، تسمى الأحماض الأمينية. فقط حوالي عشرين من هذه الأحماض، في مجموعات مختلفة، هي اللبنات الأساسية للعدد الهائل من البروتينات التي تشكل المادة الحية على وجه الأرض. في كل نواة من كل خلية، سواء في الحيوانات أو النباتات أو البكتيريا، توجد جزيئات طويلة جدًا مبنية على شكل حلزون مزدوج: DNA (الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين=DNA).
بالإضافة إلى ذلك، يوجد أيضًا حمض نووي من نوع RNA (RNA = الحمض النووي الريبي)؛ الاستثناءات من هذه القاعدة هي الفيروسات، التي تحتوي على نوع واحد فقط من الحمض النووي، DNA أو RNA. وتشكل هذه الجزيئات ما يشبه الكتاب، مكتوبًا بأبجدية مكونة من أربعة أحرف، أي أربع وحدات أساسية، مجمعة في سلسلة طويلة. ويحدد عددها وترتيبها ما إذا كان المخلوق سيكون بكتيريا، أو ضفدعًا، أو سمكة، أو قردًا، أو إنسانًا... وبعبارة أخرى، هم البرنامج.

كل ذلك معًا، وكل واحد على حدة
لكن كل هذه الجزيئات معًا، وكل منها على حدة، لا تزال غير حية. كان على شيء ما أن "يبث الحياة فيهم". هناك أيضًا مشكلة أساسية وهي أن الحمض النووي الريبوزي (RNA) ضروري في الخلايا الحية اليوم لتحديد ترتيب الأحماض الأمينية في سلسلة البروتين، ولكن من المستحيل بناء الحمض النووي الريبي (RNA) دون مساعدة إنزيمات البروتين. هذه مثل مشكلة الدجاجة والبيضة
وهنا مؤخرا، في بداية ديسمبر 2004، تم إبلاغنا بتجربة مثيرة للاهتمام في هذا المجال. اتخذ باحثون في جامعة روكفلر بالولايات المتحدة ما يسمونه بالخطوة الأولى من حيث المبدأ نحو خلق نوع من الحياة الاصطناعية. لقد ابتكروا حويصلة اصطناعية تعبر عن الجينات، وتشبه نوعًا خامًا من الخلايا البيولوجية.
جميع مكونات ما يسميه العلماء "المفاعلات الحيوية للحويصلات" تأتي من مجموعة متنوعة من فروع الحياة. تتكون أغشية الخلايا من الدهون الموجودة في بيضة الدجاجة؛ والإنزيمات مأخوذة من بكتيريا الإشريكية القولونية الشائعة، التي تم تجريدها من مادتها الوراثية. ويتضمن "قلب" الآلية مكونات جاهزة للآلة البيولوجية اللازمة لإنتاج البروتينات، والتي توفرها البكتيريا. وعندما أضيفت الجينات إلى الآلة، بدأت مكونات الخلية في إنتاج البروتينات، تماما كما تفعل الخلية الطبيعية. تجدر الإشارة إلى أن هذا النوع من التركيبة شائع جدًا، ويتم تطبيقه في العديد من المختبرات البيولوجية، لكن الابتكار كان في إدراج هذه المكونات في حويصلة دهنية "مستقلة".
الجين الذي يسبب اللون الأخضر الفسفوري مأخوذ من نوع من قناديل البحر. وتوهجت الخلية نتيجة لوجود البروتين، مما يثبت أن الجينات قد تم نسخها بالفعل إلى RNA وترجمتها إلى بروتين. وباستخدام جينة ثانية، من بكتيريا المكورات العنقودية الذهبية، تمكن الباحثون من "إقناع" خلاياهم بإنتاج بروتين يبني المسام في أغشية الخلايا. وقد سمح هذا للعناصر الغذائية من الحساء البيئي بالتغلغل، بحيث يمكن للخلية أن تعمل في بعض الحالات لعدة أيام.
ويقول ألبرت ليبشابر، الذي ترأس المشروع، إن المفاعلات الحيوية ليست كائنات حية - ولكنها تقوم بتفاعلات كيميائية أساسية، والتي يمكن أن تحدث أيضًا في سائل بيولوجي بدون خلايا، لكن الباحثين مع ذلك خطوا خطوة للأمام في مجال جديد، يُعرف باسم البيولوجيا التركيبية، والتي تهدف إلى إعادة تصميم كائن حي كامل أو إنشائه من الصفر.

الحد الأدنى من البكتيريا
وفي مقاربة مختلفة لهذه المشكلة، حاول كريج فينتر، الذي يرأس الشركة التجارية التي فكت شفرة الجينوم البشري في نفس الوقت الذي كان فيه مشروع الحكومة الأمريكية، مؤخراً تكثيف البكتيريا إلى الحد الأدنى من الجينات اللازمة للبقاء على قيد الحياة.
يأمل ليبشابر في بناء مخلوق اصطناعي بسيط، مع غشاء خلية ونظام جيني، يمكنه البقاء كخلية حية (انظر أيضًا: "حرفة الحياة"، غاليليو 53). "بما أن هذه الهياكل أصبحت تذكرنا بالحياة أكثر فأكثر، سيتعين علينا أن نبدأ في إعادة التفكير في طبيعة الحياة. وقال الدكتور ليبشابر في مقابلة مع بي بي سي: "هذا سؤال فلسفي". "بالنسبة لي، الحياة هي مجرد نوع آخر من الآلات - آلة بها برنامج كمبيوتر. لا حاجة لإضافة المزيد. ومع ذلك، لا يتبنى الجميع وجهة النظر هذه".
اختار ليفشابر أن يفتتح مقالته بمثال ليس من مجال علم الأحياء. "في نظريته عن الآلات الآلية، قارن جون فون نيومان الآلات الحاسبة بالكائنات الحية. تمت مناقشة قدرة الإنسان على التكاثر الذاتي وربطها بمبدأ شبيه بآلة تورينج. وفي الوقت نفسه، أثارت العلوم البيولوجية مسألة كيفية هندسة خلية صغيرة قادرة على التكاثر أيضًا. إن بناء خلية أولية سيعطينا أدلة حول كيفية ظهور الأنظمة ذاتية النسخ، ولكنه قد يساعد الباحثين أيضًا في هندسة آلات ذاتية النسخ. وعلى الرغم من اقتراح العديد من النماذج النظرية، إلا أن محاولات تبسيط العملية لم تكن ناجحة.
استنادًا إلى مفهوم الحد الأدنى من الخلية وتعريف واحد محتمل للحياة - فإن الخطوة الحاسمة في بناء خلية اصطناعية هي إنشاء حاوية مغلقة تظهر القدرة على تبادل المواد واستخدام الطاقة الخارجية التي تأتي من خلال العناصر الغذائية، من خلال شبه غشاء منفذ. في الواقع، يمكن اعتبار وضع المكونات النشطة في فقاعة في بيئة ذات طبقتين من الدهون الفسفورية خطوة كبيرة في بناء خلية اصطناعية.
ويضيف ليبشابر: "تم النظر بشكل عام في نهجين متكاملين لبناء خلية اصطناعية. يبدأ النهج "من القاعدة إلى القمة" ببناء خلية صغيرة من المستوى الجزيئي؛ يعد عالم الحمض النووي الريبي (RNA) أحد النماذج الرئيسية لذلك. في نهج "من أعلى إلى أسفل"، يحاول العلماء إنشاء خلية صغيرة عن طريق تقليل جينوم البكتيريا إلى الحد الأدنى من مجموعة الجينات أو البروتينات. في هذه المقالة (بقلم (فنسنت نويروكس وألبرت ليبشابر)، كانت الخطوة الأولى هي تجميع مفاعل حيوي مجهري (أي ليس صغيرًا، ولكن ليس كبيرًا أيضًا) عن طريق تغليف حويصلة فوسفوليبيد بغشاء تقوم بجميع عمليات التمثيل الغذائي خارج البيئة الخلوية. ".

ماذا يعني ذلك في الواقع؟
يجيب البروفيسور دورون لانتز من قسم الوراثة الجزيئية في معهد وايزمان وزميل ليبشابر على سؤالنا الأساسي، ما معنى التجربة، في ضوء أنه منذ أكثر من خمسين عاما (في عام 1953) ظهرت النتائج تم نشر تجربة أجراها الكيميائي الأمريكي ستانلي ميلر (ميلر) بتوجيه من البريطاني هارولد يوري (يوري). وضع ميلر الغازات في أنبوب اختبار كان يعتقد أنه يمثل تكوين الغلاف الجوي البدائي، ومرر تيارًا كهربائيًا من خلالها (تقليد البرق) وفحص النتائج؛ ومن دواعي سروره أنه تم العثور على الأحماض الأمينية في أنبوب الاختبار، وهي المكون الأساسي للبروتينات.
"الأحماض الأمينية في حد ذاتها ليست حياة، ولا تقترب حتى من كونها حياة." يقول لانتز. "إن ادعاء الكثير من الناس اليوم هو أن العلماء لم يطرحوا السؤال الصحيح على الإطلاق. ولم يسألوا كيف خلقت الحياة، بل كيف خلقت لبنات الحياة. ما هو مماثل ل؟ إلى موقف قد تسأل فيه كيف تُصنع الساعة، فيخبرونك عن كيفية صنع المعدن الذي تُصنع منه التروس. المادة في حد ذاتها ليست مثيرة للاهتمام، ولكن الشكل والعلاقات بين الأجزاء."
"إن التجارب التي تخلق الحد الأدنى من الخلية هي أقرب إلى الإجابة على هذا السؤال، ولكن ربما تذهب إلى أبعد من ذلك قليلا. الانتقاد الذي يمكن توجيهه بشأنها هو أنه إذا تم أخذ مواد مثل الحمض النووي والإنزيمات البروتينية من كائن حي، فما الفائدة التي فعلها الحكماء في تنظيمها. لكنهم هنا يحاولون على الأقل تحديد مجموعة من جميع أنواع المواد، التي تمتلك معًا خصائص الخلية الحية. إذا قارنا ذلك، على سبيل المثال، بالطريق من تل أبيب إلى القدس، فإن تجارب ميلر تقودنا تقريبًا إلى تقاطع جينوت، والتجارب على الخلية الصغرى موجودة بالفعل في حدائق ساخاروف، ولا أحد يعرف الطريق من الطريق بين هاتين النقطتين.

فهل وصل العلماء بالفعل إلى هذه القيمة الدنيا؟

"ليس الآن. إن العمل الذي نقوم به - وإن كان في محاكاة حاسوبية - هو في الواقع حل وسط بين وحدات البناء المكدسة والبسيطة للغاية، والأنظمة المعقدة للغاية التي تحتوي على عدد كبير جدًا من المواد الموجودة في الخلايا. نحن نحاول العثور على نوع من المسار الذهبي، والذي قد يعطي أول فكرة عن الجزء المفقود من الطريق."
"في ظل الظروف التي كانت موجودة على الأرض القديمة قبل أقل من أربعة مليارات سنة بقليل، كان من الممكن أن تكون اللبنات الأساسية لجزيئات الحياة قد خلقت الحياة بالفعل. لكن العديد من العلماء يزعمون أن فرص اتحاد الوحدات الصغيرة (المونومرات) معًا وإنتاج جزيء رئيسي طويل (بوليمر) مثل الحمض النووي الريبي (RNA) القادر على التكاثر الذاتي، تكون منخفضة جدًا. ما هي إذن الخطوة الأولى التي أدت في النهاية إلى خلق الخلايا الحية؟" يقول لانتز.
"لقد قررنا البحث عن هياكل جزيئية أبسط، قادرة، في ظل الظروف التي كانت سائدة على سطح الأرض القديمة، على تكرار نفسها. وفقًا لنموذجنا، نشأت الحياة من تنظيم هياكل مكونة من جزيئات صغيرة من الدهون، مثل تلك التي تشكل غشاء الخلية الحية، وكذلك حويصلات ليبشابر. وقد ثبت أن مثل هذه الدهون قد تكونت أيضًا في ظل الظروف التي كانت سائدة على الأرض القديمة. يقدم النموذج المحوسب ظاهرة جديدة تنتمي إلى مجال الأنظمة المعقدة: تظهر مجموعات جزيئات الدهون القدرة على تخزين المعلومات وتكرارها.

كيف يحدث هذا؟

"من الممكن أن نبني عملية شبيهة بالتطور على حقيقة أن المجموعة بأكملها "تمتص" جزيئات الدهون من البيئة وتنمو مع الحفاظ على تركيبتها الأصلية. يحدث هذا بسبب شبكة من المساعدة المتبادلة بين الجزيئات، على غرار المجتمع البشري، حيث ينظم الأشخاص من مختلف المهن أنفسهم في كيان جماعي يتمتع بقوة التكيف والحفاظ على الذات. عندما يتجاوز تجمع الجزيئات حجمًا معينًا، تنقسم الكتلة إلى قسمين (ظاهرة معروفة في عالم الدهون)، وهذه في الأساس أبسط آلية ممكنة للتكاثر الذاتي. وهذا دون تدخل الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي. وفي وقت لاحق، في التطور الدارويني، ستتطور هذه الحيوانات المستنسخة البدائية وتكتمل، وستظهر الأحماض النووية والبروتينات."
ظهرت نظرية لانسيت منذ عام 1998 في العديد من المجلات المرموقة، لكنها ليست النظرية المبتكرة الوحيدة. ظهر مؤخراً كتاب بول ديفيس "المعجزة الخامسة - البحث عن أصل الحياة" بترجمة عبرية (دار معاريف للنشر). تم تخصيص جزء كبير من الكتاب لنظرية جذرية جديدة حول أصل الحياة - نظرية البكتيريا الفائقة. يقول ديفيس: «منذ أيام داروين، لم يكن هناك سوى نظريتين شاملتين حول النشوء الحيوي (المصطلح العلمي لمفهوم أصل الحياة).
وفقاً للأولى، بدأت الحياة عن طريق الارتباط الذاتي الكيميائي في وسط مائي في مكان ما على الأرض - كتب داروين نفسه عن "بركة صغيرة دافئة". والثانية هي نسخة مفادها أن الحياة جاءت إلى الأرض من الفضاء، على شكل ميكروبات حية بالفعل - وهي نظرية تُعرف باسم فرضية البانسبرميا. وفي السيناريو الأخير، يبقى الأصل النهائي للحياة لغزا. ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، تقدم المزيد والمزيد من الأدلة بديلاً ثالثًا، والذي يرى أن الحياة بدأت داخل الأرض.
ليس في الجزء العميق جدًا بالطبع، ولكن على الأرجح تحت قاع البحر، حيث يخلق نشاط الطاقة الحرارية الأرضية ظروفًا تشبه المرجل. إن الحرارة الشديدة والقوة الكيميائية للمنطقة الجوفية، وخاصة بالقرب من الفتحات البركانية، ستقتل على الفور جميع الكائنات الحية المعروفة تقريبًا. ومع ذلك، كانت مثل هذه البيئة مثالية للتكوين الحيوي، وقد اكتشف العلماء ميكروبات غريبة لا تزال تعيش في هذه الأماكن الساخنة اليوم، في درجات حرارة أعلى بكثير من نقطة غليان الماء. إن البكتيريا الفائقة هي في الواقع حفريات حية، وقد بقيت على قيد الحياة منذ فجر الحياة."

إنهم يعرفون التطور - بداية الحياة