مصدر أبسط للحياة

إن تكوين أنظمة من التفاعلات الكيميائية المستهلكة للطاقة بين الجزيئات الصغيرة كخطوة أولى لتكوين الحياة هو أمر أكثر احتمالا من الفكرة التقليدية التي بموجبها ظهرت فجأة جزيئات كبيرة، مثل الحمض النووي الريبي (RNA) قادرة على تكرار نفسها.

حول نفس الموضوع

الثورة - وليس التطور

بدأت الحياة بقطرة من الدهون

لقد عرفوا بداية الحياة

لقد عرفوا كيفية خلق الحياة في المختبر

بقلم روبرت شابيرو

إن فرص الظهور المفاجئ لجزيء كبير ذاتي التضاعف، مثل الحمض النووي الريبوزي (RNA)، منخفضة للغاية. ومن المرجح أن الحياة بدأت كنظام من التفاعلات الكيميائية بين الجزيئات الصغيرة، التي كانت القوة الدافعة لها هي الطاقة.
الاكتشافات غير العادية تلهم الإعلانات غير العادية. قال جيمس واتسون إنه فور اكتشافه هو وفرانسيس كريك لبنية الحمض النووي، "طار كريك إلى حانة إيجل ليخبر الجميع على مرمى البصر أننا اكتشفنا سر الحياة". إن الهيكل الذي اكتشفوه، وهو هيكل حلزوني مزدوج أنيق، يستحق تقريبًا هذا الحماس. أتاحت العلاقات بين مكونات الملف تخزين المعلومات بلغة تلعب فيها أربع مواد كيميائية، تسمى القواعد، دور الحروف الأبجدية.

علاوة على ذلك، يتم تجميع المعلومات في سلسلتين طويلتين، تحدد كل منهما محتوى الأخرى. يقترح هذا الترتيب آلية النسخ: يمكن أن ينفصل شريطا الحلزون المزدوج للحمض النووي، ويتم تنظيم كتل بناء جديدة من الحمض النووي تحمل القواعد، تسمى النيوكليوتيدات، على طول الخيوط المنفصلة وتتصل ببعضها البعض. بدلاً من ملف مزدوج واحد، تم الآن إنشاء ملفين، كل واحد منهما نسخة طبق الأصل من الملف الأصلي.

أدت بنية واتسون وكريك إلى طوفان هائل من الاكتشافات حول الطريقة التي تعمل بها الخلايا الحية اليوم. أثارت هذه الأفكار أيضًا تكهنات حول أصل الحياة. كتب الحائز على جائزة نوبل إتش جي مولر أن المادة التي تتكون منها الجينات هي "مادة حية، الممثل المعاصر للحياة الأولى". لقد تصور كارل ساجان هذه الكائنات الحية الأولى على أنها "جينات بدائية، وحيوانات مستقلة وعارية موجودة في محلول مختلط من المواد العضوية". (في هذا السياق، يشير مصطلح "عضوي" إلى المركبات التي تحتوي على ذرات الكربون المرتبطة ببعضها البعض، سواء كانت هذه المركبات موجودة في الكائنات الحية أم لا). وقد اقترح العلماء العديد من التعريفات المختلفة للحياة. ويتفق تعليق مولر مع ما يسمى بتعريف ناسا: الحياة عبارة عن نظام كيميائي له وجود مستقل قادر على الخضوع للتطور الدارويني.

قام ريتشارد دوكينز بتفصيل شخصية أقدم كائن حي في كتابه "الجين الأناني": "في لحظة معينة، تم إنشاء جزيء بالصدفة بطريقة خاصة. سوف نسميها "المكررة". ربما لم يكن الجزيء الأكبر أو الأكثر تعقيدًا، لكنه كان يتمتع بخاصية غير عادية: يمكنه عمل نسخ من نفسه." عندما كتب دوكينز هذه الكلمات، قبل ثلاثين عاماً، كان جزيء الحمض النووي هو المرشح الأكثر احتمالاً لهذا الدور. ثم تحول الباحثون إلى جزيئات أخرى باعتبارها أول ناسخ. لكنني وباحثون آخرون نعتقد أن هذا النموذج، المسمى "نموذج النسخ المتماثل الأول"، هو نموذج معيب بشكل أساسي لتفسير أصل الحياة. نحن نفضل فكرة بديلة تبدو أكثر قبولا بكثير.

حكم الـ RNA
وسرعان ما بدأت تظهر مضاعفات فيما يتعلق بنظرية الحمض النووي أولاً. لا يمكن أن يحدث تضاعف الحمض النووي دون مساعدة العديد من البروتينات، وهي أعضاء في عائلة مكونة من جزيئات كبيرة تختلف كيميائيًا عن الحمض النووي. يتم بناء كلا النوعين من الجزيئات، الحمض النووي والبروتينات، من وحدات فرعية متصلة ببعضها البعض وتشكل سلسلة طويلة، ولكن الحمض النووي مبني من النيوكليوتيدات، بينما يتم بناء البروتينات من الأحماض الأمينية. البروتينات هي عمال الصيانة للخلية الحية. تعمل الإنزيمات، وهي المجموعة الفرعية الأكثر شهرة من البروتينات، كمسرعات، فهي تعمل على تسريع العمليات الكيميائية التي بدون الإنزيمات كانت ستحدث ببطء شديد لدعم الحياة. يتم بناء البروتينات التي تستخدمها الخلايا الحية اليوم وفقًا لتعليمات مشفرة في الحمض النووي.

الجملة الأخيرة تستحضر اللغز القديم: من جاء أولاً، البيضة أم الدجاجة؟ يقوم الحمض النووي بتخزين الوصفة الطبية لبناء البروتينات. لكن هذه المعلومات لا يمكن استرجاعها أو نسخها دون مساعدة البروتينات. إذا كان الأمر كذلك، أي جزيء كبير ظهر أولاً - البروتين (الدجاجة) أم الحمض النووي (البيضة)؟

ظهر حل محتمل عندما تم تحويل الانتباه نحو بطل جديد - RNA. وتتكون الجزيئات الموجودة في هذه المجموعة المتنوعة أيضًا، مثل جزيئات الحمض النووي، من وحدات بناء النيوكليوتيدات، ولكن الحمض النووي الريبوزي (RNA) له أدوار عديدة في خلايانا. تقوم بعض جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) بتمرير المعلومات من الحمض النووي إلى الريبوسومات، وهي الهياكل تحت الخلوية التي تصنع البروتينات (وهي مبنية بشكل أساسي من نوع آخر من الحمض النووي الريبي). يمكن لجزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA)، في وظائفها المختلفة، أن تتخذ شكل حلزون مزدوج مشابه للحمض النووي (DNA)، أو شكل خيط مفرد مطوي، مشابه للبروتين.

في أوائل الثمانينات، اكتشف العلماء الريبوزيمات، وهي مواد تشبه الإنزيمات مصنوعة من الحمض النووي الريبوزي (RNA). يبدو أنه تم العثور على حل بسيط للغز الدجاجة والبيضة: بدأت الحياة مع ظهور أول جزيء RNA يمكنه نسخ نفسه. في عام 80، كتب والتر جيلبرت الحائز على جائزة نوبل في مقالة رائدة في مجلة الطبيعة: "من الممكن أن نتخيل عالمًا حيًا يحتوي فقط على جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) التي تعمل كمحفزات لتخليقها الخاص... لذلك، فإن المرحلة الأولى من التطور تحدث من خلال جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) التي تقوم بعمليات التحفيز الكيميائي اللازمة لتجميع نفسها من حساء من النيوكليوتيدات." وفقًا لهذا الرأي، فإن أول جزيء RNA ذاتي التكاثر، والذي تم إنشاؤه من مادة غير حية، قام بجميع الأدوار المختلفة التي تؤديها جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA)، والحمض النووي (DNA)، وجزيئات البروتين اليوم.

تدعم العديد من العلامات الأخرى فكرة أن الحمض النووي الريبي (RNA) ظهر أثناء تطور الحياة قبل البروتينات والحمض النووي (DNA). على سبيل المثال، هناك العديد من الجزيئات الصغيرة، التي تسمى العوامل المساعدة، والتي تلعب دورًا في التفاعلات الكيميائية التي تحفزها الإنزيمات. غالبًا ما تحتوي هذه الجزيئات على نيوكليوتيدات RNA المرتبطة بها والتي ليس لها وظيفة واضحة. في الماضي، كان يُعتقد أن مثل هذه الهياكل هي عبارة عن "حفريات جزيئية"، وهي بقايا الزمن الذي كان فيه الحمض النووي الريبي (RNA) يحكم بمفرده، دون حمض نووي أو بروتينات، في عالم الكيمياء الحيوية.

ومع ذلك، فإن هذه القرائن وغيرها تدعم فقط الاستنتاج القائل بأن الحمض النووي الريبي (RNA) يسبق الحمض النووي والبروتينات. ولا يقدمون أي معلومات تتعلق بأصل الحياة قبل عالم الحمض النووي الريبوزي، في فترة ربما تضمنت مراحل إضافية وكائنات حية أخرى حكمت القبة. ومما يزيد من الارتباك حقيقة أن العديد من الباحثين يستخدمون مصطلح "عالم الحمض النووي الريبوزي" (RNA World) في الإشارة إلى كلتا الفكرتين. سأستخدم مصطلح "RNA-first" هنا لوصف الادعاء بأن الحمض النووي الريبي كان مشاركًا في تكوين الحياة، وسوف أميزه عن الادعاء بأن الحمض النووي الريبي (RNA) يسبق الحمض النووي والبروتينات فقط.

وعاء الحساء فارغ
أمام فرضية RNA أولا يقف سؤال يطرح تحديا كبيرا: كيف ظهر أول جزيء RNA الذي تضاعف نفسه؟ تمنعنا عقبات كبيرة من قبول وصف جيلبرت الذي بموجبه تم إنشاء الحمض النووي الريبي (RNA) من حساء ثابت من النيوكليوتيدات.

النيوكليوتيدات، اللبنات الأساسية للحمض النووي الريبوزي (RNA)، هي مواد عضوية معقدة. يحتوي جزيء كل منها على 3 وحدات فرعية: السكر والفوسفات (أيون الفوسفات) وواحدة من أربع قواعد تحتوي على النيتروجين. وبالتالي، تحتوي كل نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي (RNA) على تسع أو عشر ذرات كربون، والعديد من ذرات النيتروجين والأكسجين ومجموعة الفوسفات، وكلها متصلة ببعضها البعض بنمط دقيق ثلاثي الأبعاد. هناك العديد من الطرق البديلة لربط هذه الذرات والتي تنتج آلاف النيوكليوتيدات الإضافية المحتملة والتي تكون أيضًا قادرة على الاتصال بسهولة بالنيوكليوتيدات الطبيعية. لكن هذه النيوكليوتيدات البديلة غير موجودة في جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) في الخلايا. إن عدد النيوكليوتيدات المحتملة يتضاءل أمام مئات الآلاف، وربما حتى الملايين من الجزيئات العضوية المستقرة المتشابهة في الحجم ولكنها ليست نيوكليوتيدات.

إن فكرة تكوين النيوكليوتيدات المناسبة، على الرغم من ذلك، مستوحاة من التجربة الشهيرة التي نشرها ستانلي ميلر في عام 1953. مرر شرارة كهربائية عبر خليط من الغازات البسيطة، ثم اعتقد أنه يمثل الغلاف الجوي للأرض المبكرة، ورأى أن الأحماض الأمينية قد تشكلت. كما تم التعرف على الأحماض الأمينية في نيزك مورشيسون الذي سقط في أستراليا عام 1969. لا بد أن الطبيعة كانت سخية في توفير هذه العناصر الأساسية. واستنتج بعض الكتاب من هذه النتائج أن جميع العناصر الأساسية للحياة يمكن أن تتشكل بسهولة في تجارب مشابهة لتجربة ميلر وأن هذه المواد ستكون موجودة في النيازك. ولكن هذه ليست الطريقة التي تسير بها الأمور.

الأحماض الأمينية، مثل تلك التي تم إنشاؤها في تجارب مشابهة لتجربة ميلر، هي جزيئات أبسط بكثير من النيوكليوتيدات. وتتميز بمجموعتين كيميائيتين، مجموعة أمين (نيتروجين وذرتين هيدروجين) وحمض كربوكسيلي (كربون وأكسيدين وهيدروجين)، وكلاهما مرتبطان بنفس ذرة الكربون. من بين الأحماض الأمينية العشرين التي تشكل البروتينات الطبيعية، يحتوي أبسط حمض أميني على ذرتين كربون فقط. سبعة عشر حمضًا أمينيًا من السلسلة بأكملها تحتوي على 20 ذرات كربون أو أقل. تحتوي الأحماض الأمينية وغيرها من المواد المهمة التي تم إنتاجها في تجربة ميلر على 6 أو 2 ذرات كربون فقط. في المقابل، لم يتم الإبلاغ عن أي نيوكليوتيدات من أي نوع تم إنشاؤها في تجارب الانهيار الكهربائي أو اكتشافها في النيازك. من الواضح أن الطبيعة الساكنة تميل إلى تكوين جزيئات صغيرة إلى حد ما تحتوي على عدد قليل من ذرات الكربون، وبالتالي فهي لا تفضل إنشاء النيوكليوتيدات الضرورية للحياة من نوعنا.

ولإنقاذ مفهوم الحمض النووي الريبي أولا من هذا الخلل القاتل، طور أنصاره مجالا علميا جديدا يسمى التخليق البريبايوتيك. وحاولوا إظهار أنه من الممكن إنتاج الحمض النووي الريبي (RNA) ومكوناته في المختبر من خلال سلسلة من التفاعلات التي يتم التحكم فيها بعناية، باستخدام الظروف والمواد الأولية ذات الصلة، حسب رأيهم.

ليس هذا هو المكان المناسب للتوسع في عيوب تخليق البريبايوتك. وتثير المشاكل التي يثيرها هذا النهج هذا التشبيه: تخيل في ذهنك لاعب جولف، يفترض، بعد الانتهاء من إدخال الكرة في الحفر الثمانية عشر للملعب، أن الكرة سوف تكون قادرة على اللعب بنفسها، دون اللاعب نفسه، و أكمل الدورة بنفسه. بعد كل شيء، أظهر الممثل أن هناك احتمال أن يحدث هذا الحدث. والآن كل ما تبقى هو افتراض أن مجموعة من القوى الطبيعية (الزلازل والرياح والأعاصير والفيضانات، على سبيل المثال) يمكن أن تسبب نفس النتيجة، بشرط أن يكون الوقت طويلا بما فيه الكفاية. ليس من الضروري كسر أي قانون فيزيائي لكي يتشكل الحمض النووي الريبوزي (RNA) تلقائيًا، لكن فرص ذلك معدومة.

اقترح بعض الكيميائيين أن جزيءًا متضاعفًا أبسط، يشبه الحمض النووي الريبوزي (RNA)، ظهر أولاً وسيطر على الحياة في "عالم ما قبل الحمض النووي الريبي". ووفقا لهم، يمكن لهذا الناسخ أن يحفز التفاعلات الكيميائية المشابهة للحمض النووي الريبي (RNA). ولكن حتى الآن لم يتم العثور على أي آثار لهذا المكرر القديم المفترض في عمليات البيولوجيا الحديثة. من المحتمل أن الحمض النووي الريبي (RNA) قد شغل جميع وظائف هذا الناسخ والمحفز في وقت ما بعد ظهوره.

وحتى لو كانت الطبيعة قد وفرت حساءًا بدائيًا من وحدات البناء المناسبة، سواء كانت نيوكليوتيدات أو بدائل أبسط، فإن احتمالية أن ترتبط وحدات البناء هذه تلقائيًا ببعضها البعض وتنتج جزيءًا متضاعفًا أقل بكثير حتى من احتمال إنشاء العناصر المناسبة. الحساء نفسه. لنفترض أنه بطريقة ما يتم تشكيل خليط مناسب من وحدات البناء في ظل ظروف تسمح بربطها في سلاسل. ستكون وحدات البناء هذه مصحوبة بالعديد من الوحدات المعيبة التي ستدخل السلسلة المتنامية وتدمر إمكانية استخدامها كنسخة متماثلة. ويكفي أن يكون لأبسط وحدة معيبة "ذراع" واحد فقط، وأنها ستتصل فقط ببنة بناء واحدة مجاورة، بدلا من اثنتين، حتى لا تنمو السلسلة.

ومن الناحية النظرية، فإن الطبيعة اللامبالاة من شأنها أن تربط الوحدات بشكل عشوائي وتنتج عددًا كبيرًا من السلاسل القصيرة التي توقف نموها، بدلاً من السلسلة الأطول، ذات العمود الفقري الموحد اللازم لدعم وظائف النسخ والتحفيز. إن احتمال نجاح هذه العملية الأخيرة ضئيل للغاية ولا يكاد يذكر، لدرجة أن حدوثها، ولو مرة واحدة في الكون المرئي، يمكن اعتباره مصادفة محظوظة للغاية.

الجزيئات الصغيرة تخلق الحياة
ودعا كريستيان دي دوبي الحائز على جائزة نوبل إلى "رفض كل الحالات التي يكون احتمالها ضئيلا وغير قابل للقياس بحيث يمكن تسميتها بالمعجزات، وهي ظواهر تتجاوز نطاق البحث العلمي". يجب أن نتخلى عن فكرة أن الحمض النووي والحمض النووي الريبوزي (RNA) والبروتينات وغيرها من الجزيئات المعقدة الكبيرة شاركت في خلق الحياة. لكن الطبيعة الساكنة تزودنا بمجموعة متنوعة من خليط من الجزيئات الصغيرة التي يجب أن نعمل بها.

ولحسن الحظ، كانت هناك مجموعة بديلة من النظريات التي تتناول هذه المواد منذ عدة عقود. تستخدم هذه النظريات التعريف الديناميكي الحراري بدلاً من التعريف الجيني للحياة. تم تقديم التعريف من قبل كارل ساجان في الموسوعة البريطانية: سيتم اعتبار منطقة المجال حية إذا زاد النظام فيها (تناقص الإنتروبيا) من خلال سلسلة من العمليات الدائرية المدفوعة بتدفق الطاقة الواردة. هذا النهج، الذي يعتمد على جزيئات صغيرة، متجذر في أفكار عالم الكيمياء الحيوية السوفييتي ألكسندر أوبارين. وتختلف الأفكار المختلفة التي تفسر أصل الحياة وفق هذا النهج فقط في تفاصيلها الدقيقة. سأقدم هنا خمسة متطلبات مقبولة (وأضيف بعض الأفكار الخاصة بي).

1. لا بد من وجود حد يفصل بين الحي وبين الجماد. تتميز الحياة بدرجة عالية من التنظيم، إلا أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يتطلب أن يتحرك الكون في الاتجاه الذي يزداد فيه الفوضى أو الإنتروبيا. ومع ذلك، هناك ثغرة في هذا القانون، وهي تسمح بتناقص الإنتروبيا في منطقة محدودة، بشرط وجود زيادة أكبر في الإنتروبيا خارج تلك المنطقة. عندما تنمو الخلايا الحية وتتكاثر، فإنها تحول الطاقة الكيميائية أو الإشعاعية إلى طاقة حرارية. تزيد الحرارة المنبعثة من إنتروبيا البيئة وتعوض انخفاضها داخل الأنظمة الحية. تحافظ الحدود على تقسيم العالم إلى جيوب صغيرة من الحياة داخل بيئة ساكنة يجب عليهم إعالة أنفسهم فيها.

اليوم، هناك أغشية مزدوجة متطورة (أغشية)، مصنوعة من مواد مصنفة على أنها دهنية، تفصل بين الخلايا الحية وبيئتها. على الأرجح، في بداية الحياة، خدمت بعض السمات الطبيعية نفس الغرض. ويدعم عمل ديفيد دبليو ديمر من جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز هذه الفكرة. لقد رأى هياكل تشبه الغشاء في النيازك. واقترحت أفكار أخرى حدودًا طبيعية لا تستخدمها الحياة اليوم، مثل أغشية كبريتيد الحديد، والأسطح الصخرية (حيث تفصل القوى الكهروستاتيكية جزيئات معينة عن محيطها)، والبرك الصغيرة، والمعلقات في الهواء (الهباء الجوي).

2. هناك حاجة إلى مصدر للطاقة لدفع عملية التنظيم. لكي نعيش، نستهلك الكربوهيدرات والدهون التي نتفاعل مع الأكسجين الذي نتنفسه. الكائنات الحية الدقيقة أكثر تنوعًا ويمكنها استخدام المعادن بدلاً من الطعام أو الأكسجين. وفي جميع الحالات تسمى هذه العمليات تفاعلات الأكسدة والاختزال. في التفاعلات، تنتقل الإلكترونات من مادة غنية بالإلكترونات (المخفضة) إلى مادة فقيرة بالإلكترونات (المؤكسدة). يمكن للنباتات التقاط ضوء الشمس مباشرة والاستفادة منه في وظائف الحياة. وتستخدم الخلايا في ظروف خاصة أشكالا أخرى من الطاقة - على سبيل المثال، اختلاف درجة الحموضة على جانبي الغشاء. ومن الممكن أن أشكال أخرى من الطاقة، مثل النشاط الإشعاعي أو التغيرات المفاجئة في درجات الحرارة يمكن أن تستخدم من قبل الحياة في أماكن أخرى من الكون.

3. يجب أن تربط آلية الاقتران إطلاق الطاقة بعملية التنظيم التي تخلق الحياة وتحافظ عليها. إطلاق الطاقة لا يؤدي بالضرورة إلى نتيجة مفيدة. تنطلق الطاقة عند احتراق الوقود في غرفة الاحتراق في السيارة، لكن السيارة لن تتحرك إلا إذا تم استخدام الطاقة في تدوير العجلات. للقيام بذلك، مطلوب اتصال ميكانيكي، أو اقتران. كل يوم، يقوم كل واحد منا بتكسير كيلوغرامات من النيوكليوتيدات التي تسمى ATP في خلايا الجسم. تُستخدم الطاقة المنطلقة في هذا التفاعل لدفع العمليات الضرورية للكيمياء الحيوية لدينا، وهي العمليات التي بدونها لتحدث ببطء شديد أو لن تحدث على الإطلاق. يتم تحقيق الاقتران من خلال وسيط مشترك لكلا التفاعلين ويتم تحفيز العملية بواسطة إنزيم. ومن فرضيات منهج الجزيئات الصغيرة أن التفاعلات المترافقة تحدث في الطبيعة وأن هناك محفزات بدائية كافية لبداية الحياة.

4. يجب إنشاء شبكة من العمليات الكيميائية التي تسمح بالتكيف والتطور. لقد وصلنا الآن إلى لب الموضوع. تخيل، على سبيل المثال، تفاعل الأكسدة والاختزال المفضل بقوة والذي يؤدي إلى تحول مادة عضوية، A، إلى مادة عضوية أخرى، B، داخل المنطقة التي يحدها القسم. وأنا أسمي هذه العملية الرئيسية "الاستجابة الوقائية"، لأنها بمثابة القوة الدافعة لعملية التنظيم بأكملها. إذا عاد B ببساطة وأصبح A، أو غادر المنطقة المحددة، فلن يكون هذا مسارًا يؤدي إلى مستوى أعلى من التنظيم. على العكس من ذلك، إذا كان هناك مسار كيميائي متعدد الخطوات يحول B مرة أخرى إلى A، على سبيل المثال من B إلى C، إلى D، وأخيرًا إلى A، فإن الخطوات في هذا المسار الدائري (أو الدورة) ستكون مفضلة، لأنها تجدد مخزون A والسماح بإطلاق مستمر ومفيد للطاقة من خلال تفاعل المعدن [انظر الإطار في الصفحة 27].

كما ستحدث تفاعلات متفرعة، مثل تفاعل ثنائي الاتجاه يحول المادة D الموجودة في الدائرة إلى المادة E التي ليست جزءا منها، والعكس صحيح. بما أن الدورة الكيميائية تستمر في العمل، فإن التفاعل في الاتجاه الذي تتحول فيه المادة E إلى المادة D سيكون مفضلاً لأنه يدخل المادة في الدورة ويزيد من إطلاق الطاقة المصاحبة للتفاعل الدافع.

وستكون الدورة الكيميائية أيضًا قادرة على التكيف مع الظروف المتغيرة. عندما كنت طفلاً، كنت منبهرًا بالطريقة التي تتدفق بها المياه من الصنبور المتسرب إلى أسفل التل إلى أقرب فتحة للصرف الصحي. إذا سدت الأوراق المتساقطة أو القمامة المهملة طريقهم، فسوف تتراكم المياه حتى يتم العثور على طريقة أخرى للتغلب على العائق. وبالمثل، إذا كان التغير في درجة الحموضة في البيئة يمنع أي خطوة في المسار من B إلى A، فإن إحدى المواد سوف تتراكم حتى يتم العثور على مسار كيميائي آخر. المزيد من التغييرات من هذا النوع ستحول الدائرة الأصلية إلى شبكة من العمليات. هذا التحقيق في "المشهد الكيميائي"، عن طريق التجربة والخطأ، قد يؤدي أيضًا إلى ظهور مركبات يمكنها تسريع الخطوات المهمة في الدورة وبالتالي زيادة الكفاءة التي تستخدم بها شبكة العمليات مصدر الطاقة.

5. يجب أن تنمو شبكة التفاعل وتتضاعف. ومن أجل البقاء والنمو، يجب على الشبكة أن تمتص المواد بمعدل أسرع من المعدل الذي تفقده به. إن انتشار المواد المشاركة في التفاعلات الشبكية، مما يؤدي إلى خروجها إلى العالم الخارجي خارج منطقة المجال، هي عملية مفضلة انتروبيا، وبالتالي فإنها ستحدث بمعدل معين. يمكن لبعض التفاعلات الجانبية أن تنتج غازات يتم إطلاقها أو مواد غير قابلة للذوبان تشبه القطران والتي تستقر خارج المحلول. وإذا تجاوز معدل هذه العمليات المعدل الذي تمتص به الشبكة المواد من البيئة، فسيتم القضاء على الشبكة. سيؤدي تحلل الوقود الخارجي أيضًا إلى نتيجة مماثلة. يمكن للمرء أن يتخيل أن بدايات الأرض المبكرة كانت لها العديد من هذه البدايات، والتي تضمنت تفاعلات دافعة بديلة ومصادر طاقة خارجية بديلة. وأخيراً، ترسخت الاستجابة الوقائية الدائمة بشكل خاص واستمرت.

وفي نهاية المطاف، يجب أيضًا تطوير طريقة للتكاثر. إذا وجدت شبكة العمليات لدينا موطنًا في الغشاء الدهني، فيمكن للقوى الفيزيائية أن تمزقه بعد أن ينمو بدرجة كافية. (وصف فريمان دايسون من معهد الأبحاث المتقدمة في برينستون، نيوجيرسي مثل هذا النظام بأنه "عالم أكياس القمامة" على النقيض من "الصورة الجميلة والمنظم" لعالم الحمض النووي الريبي.) قد يفيض نظام المجال الذي يعمل داخل الصخور. ويتدفق إلى المسام القريبة. إن الانقسام إلى وحدات منفصلة، ​​مهما كانت الآلية، يحمي النظام من الانقراض التام بسبب حدث محلي مدمر. وبمجرد إنشاء هذه الوحدات المستقلة، يمكنها أن تتطور بطرق مختلفة وتتنافس مع بعضها البعض على المواد الخام. ومن خلال القيام بذلك، قمنا بالانتقال من الحياة التي نشأت من مادة جامدة من خلال عمل مصدر للطاقة، إلى حياة تتكيف مع البيئة من خلال التطور الدارويني.

التحول النموذجي
الأنظمة من النوع الذي وصفته غالبا ما تصنف تحت عنوان "الأيض أولا" (أو "الأيض أولا")، وهو عنوان يوحي بأنها لا تتضمن آلية للوراثة. بمعنى آخر، لا تحتوي على جزيء أو بنية تمكن بوضوح من تكرار المعلومات المخزنة فيها (وراثتها) ونقلها إلى أحفادها. ومع ذلك، تحتوي مجموعة الكائنات الصغيرة على نفس المعلومات الموجودة في القائمة التي تصف تلك الكائنات. على سبيل المثال، زوجتي تعطيني قائمة مشتريات البقالة. تحتوي مجموعة أصناف البقالة التي أرجعها إليك على نفس المعلومات التي تحتوي عليها القائمة. أعطى دورون لانتز من معهد وايزمان للعلوم في إسرائيل اسم "الجينوم التركيبي" للوراثة المخزنة في جزيئات صغيرة، بدلا من وضعها في قائمة مثل DNA أو RNA.

إن اقتراب الجزيئات الصغيرة من مصدر الحياة يتطلب عدة متطلبات من الطبيعة (منطقة محدودة، مصدر طاقة خارجي، تفاعل وقائي مرتبط بإمدادات الطاقة، شبكة من التفاعلات الكيميائية تتضمن هذا التفاعل وآلية تضاعف بسيطة) . ومع ذلك، فإن هذه المتطلبات ذات طبيعة عامة واحتمال وجودها أكبر بشكل لا نهائي مما يفسر المسار المعقد متعدد الخطوات المطلوب لإنشاء جزيء مكرر.

طرحت العديد من الأبحاث النظرية على مر السنين مقترحات مختلفة لتبادل المواد أولاً، ولكن لم يتم تقديم سوى عدد قليل من الأعمال التجريبية لدعمها. في تلك الحالات التي تم فيها نشر التجارب، كانت تستخدم عادةً لإثبات جدوى الخطوات الفردية في الدائرة المقترحة. جاءت معظم المعلومات الجديدة من غونتر واتشترشاوسر وزملائه في الجامعة التقنية في ميونيخ. وقدموا أجزاء من دائرة يتم فيها ربط وفصل الأحماض الأمينية في وجود مركبات معدنية وكبريتية تستخدم كمحفزات. توفر أكسدة أول أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون الطاقة التي تحرك العملية. ولم يثبت الباحثون بعد عمل الدائرة الكاملة أو قدرتها على الحفاظ على نفسها والخضوع لمزيد من التطور. هناك حاجة إلى تجربة حاسمة توضح هذه الخصائص الثلاثة للتحقق من صحة نهج الجزيء الصغير.

المهمة الأولية الرئيسية لمثل هذه التجربة هي تحديد التفاعلات الدافعة - تفاعل بين الجزيئات الصغيرة (مثل A وB في المثال السابق) مقترنة بمصدر طاقة مشترك (مثل أكسدة أول أكسيد الكربون أو المعدن). بمجرد تحديد الاستجابة الوقائية المعقولة، لن يكون من الضروري تحديد بقية النظام مسبقًا. سيكون من الممكن وضع المكونات المختارة (بما في ذلك مصدر الطاقة) في خزان تفاعل مناسب مع خليط من الجزيئات الصغيرة الأخرى التي يتم إنتاجها عادة عن طريق العمليات الطبيعية (وكانت، على الأرجح، شائعة على سطح الأرض القديمة ). فإذا تم إنشاء شبكة مستقرة من التفاعلات الكيميائية قادرة على التطور، فسوف يلاحظ أن تركيزات المواد المشاركة في الشبكة ستزداد وتتغير مع مرور الوقت. قد تظهر محفزات جديدة تزيد من معدل التفاعلات الرئيسية، في حين أن كمية المواد غير ذات الصلة ستنخفض. سيحتاج وعاء التفاعل إلى منشأة إدخال (والتي ستسمح بإمدادات متجددة من الطاقة والمواد الخام) ومنشأة مخرج (والتي ستسمح بالتخلص من منتجات النفايات والمواد التي لا تشكل جزءًا من الشبكة الكيميائية).

في مثل هذه التجارب سيكون من السهل تحديد حالات الفشل. وقد يتم استهلاك الطاقة دون حدوث تغيرات ملحوظة في تركيز المواد الأخرى، وإلا ستتحول المواد إلى قطران من شأنه أن يسد المعدات. إن نجاح مثل هذه التجربة قد يوضح الخطوات الأولى على طريق الحياة. لا ينبغي لهذه الخطوات أن تعيد إنتاج تلك التي حدثت على سطح الأرض القديمة. والأهم من ذلك هو أنه سيتم توضيح المبدأ العام وإتاحته لمزيد من البحث. من الممكن أن يكون هناك العديد من المسارات الممكنة للحياة، والاختيار بينها تمليه ظروف البيئة المحلية.

إن فهم الخطوات الأولية التي أدت إلى الحياة لن يكشف عن الأحداث المحددة الفعلية التي أدت إلى ظهور الكائنات الحية الموجودة اليوم، بناءً على الحمض النووي والحمض النووي الريبوزي (RNA) والبروتينات. ومع ذلك، بما أننا نعلم أن التطور غير قادر على التنبؤ بأحداث المستقبل، فيمكننا أن نفترض أن النيوكليوتيدات الأولى التي ظهرت في العمليات الأيضية قد استخدمت لأغراض أخرى، ربما كمحفزات أو كمخازن للطاقة الكيميائية (الطاقة الكيميائية). لا يزال يستخدم نيوكليوتيدات ATP لهذا الغرض اليوم). ربما أدى حدث عرضي أو ظرف ما إلى انضمام النيوكليوتيدات لتكوين الحمض النووي الريبي (RNA). إن الدور الأكثر وضوحًا للـ RNA الحديث هو العمل كمكون هيكلي يساعد في إنشاء روابط بين الأحماض الأمينية في تخليق البروتينات. ومن الممكن أن يكون الحمض النووي الريبوزي الأول قد استخدم لنفس الغرض ولكن دون تفضيل لبعض الأحماض الأمينية. هناك حاجة إلى العديد من الخطوات التطورية الإضافية "لاختراع" الآليات المعقدة لتكرار وتخليق بعض البروتينات التي نلاحظها في الحياة اليوم.

إذا تم تأكيد النموذج العام لنهج الجزيئات الصغيرة، فإن توقعاتنا بشأن الحياة في الكون سوف تتغير. إن البداية غير المتوقعة للحياة، كما هو الحال في سيناريو الحمض النووي الريبي الأول، تشير إلى أننا وحدنا في الكون. وعلى حد تعبير عالم الكيمياء الحيوية جاك مونو: "الكون لم يتصور الحياة، والمحيط الحيوي لم يتصور الإنسان". رقمنا جاء للتو في لعبة الروليت مونت كارلو."

ومن ناحية أخرى، فإن بديل الجزيئات الصغيرة يتوافق مع آراء عالم الأحياء ستيوارت كوفمان: "إذا كان كل هذا صحيحا، فإن وجود الحياة أكثر احتمالا بكثير مما افترضنا. ليس الكون موطننا فحسب، بل من المحتمل جدًا أيضًا أننا نتشاركه مع جيران لم نلتق بهم بعد".

نظرة عامة أصل الحياة
تنقسم النظريات المتعلقة بالطريقة التي نشأت بها الحياة من مادة غير حية إلى مجموعتين شاملتين: نظريات "النسخ المتماثل أولاً"، والتي بموجبها تم إنشاء جزيء كبير قادر على تكرار نفسه (مثل الحمض النووي الريبي) عن طريق الصدفة، ونظريات "الاستقلاب". الأولى" النظريات التي بموجبها تكونت الجزيئات الصغيرة شبكة من التفاعلات الكيميائية مرتبطة بمصدر للطاقة وتشهد تطورا.

يجب على أنصار نظرية "النسخ المتماثل أولا" أن يشرحوا كيف يمكن لمثل هذا الجزيء المعقد أن يتشكل قبل أن تبدأ العملية التطورية.

يجب على أنصار مبدأ "الأيض أولاً" أن يوضحوا كيف يمكن لشبكة من التفاعلات الكيميائية القادرة على النمو والتطور أن تكون قد تشكلت في الأيام الأولى لنشوء الأرض.

عن المؤلفروبرت شابيرو أستاذ متقاعد في الكيمياء وعالم أبحاث كبير في جامعة نيويورك. نشر بنفسه أو مع زملائه أكثر من 125 مقالاً، معظمها في مجال كيمياء الحمض النووي. درس شابيرو على وجه التحديد الطرق التي يمكن من خلالها لكيمياء البيئة أن تلحق الضرر بالمواد الوراثية وتسبب تغيرات يمكن أن تؤدي إلى طفرات وسرطان.

الأسئلة المتداولة من القراء
أجاب روبرت شابيرو على الأسئلة التي طرحها القراء على مدونة Scientific American باللغة الإنجليزية. فيما يلي مجموعة مختارة من الأسئلة والأجوبة.

هل تشير فرضية تبادل المواد أولاً إلى مصدر واحد للحياة أم إلى مصادر متعددة مستقلة عن بعضها البعض؟- جي آر

الإجابة: يبدو أن العديد من المصادر هي افتراض عملي أكثر في سيناريو تبادل المواد أولاً. ناقشت أنا وجيرالد فاينبرج في كتابنا "الحياة خارج الأرض"، الذي نشر عام 1980، إمكانية وجود حياة غريبة (حياة لا تعتمد على الحمض النووي، والحمض النووي الريبوزي، وغيرها من الكيمياء الحيوية المعروفة). خلص الباحثون في مؤتمر استضافه بول ديفيس في جامعة ولاية أريزونا في ديسمبر 2006 إلى أن الحياة الغريبة غير المكتشفة قد تكون موجودة حتى على سطح كوكبنا. باستخدام مواد الاستزراع المعتادة، من الصعب زراعة وزراعة معظم الكائنات الحية الدقيقة، والتي يمكن ملاحظتها تحت المجهر، وبالتالي يظل جزء كبير منها غير مميز. من الممكن أن تتواجد الميكروبات الغريبة في بيئات معيشية شديدة للغاية حتى بالنسبة لأكثر أشكال الحياة المعروفة لنا مقاومة.

لماذا يجب أن نثبت عملية التمثيل الغذائي أولاً في المختبر؟ أليس من الممكن محاكاتها باستخدام برنامج كمبيوتر؟ -ديف ايفانوف

ج: استخدم ستيوارت كوفمان ودورون لانتز وآخرون عمليات المحاكاة الحاسوبية لإثبات جدوى حلقات التغذية الراجعة ذاتية الاستدامة. لم تحدد عمليات المحاكاة هذه الخلائط الكيميائية الدقيقة وظروف التفاعل اللازمة لإنشاء الشبكات الكيميائية. ما زلنا لا نعرف جميع مسارات التفاعل المفتوحة لمخاليط المركبات العضوية البسيطة، ناهيك عن أننا لا نعرف الثوابت الديناميكية الحرارية. وحتى لو كانت هذه المعلومات متاحة، فإن معظم الكيميائيين لن يقتنعوا بالمحاكاة الحاسوبية، بل سيطالبون بعروض تجريبية.

حقيقة أن جميع الجزيئات البيولوجية لها نفس اللامركزية تتطلب بعض التفسير - جون هولت
ج: إذا كان التفاعل الكيميائي الذي يتم باستخدام معدن، وهو الذي يحرك دوائر التفاعل التي ناقشتها في المقال، يفضل شكلاً واحدًا فقط من صورة المرآة للمادة الكيميائية أ، فإن المنتج ب والمركبات الأخرى في الدورة سيكون لها أيضًا شكل واحد فقط من الصورة المرآة. يصبح التحكم في اللامركزية أمرًا ضروريًا عندما تتحد الجزيئات الصغيرة معًا لتكوين جزيئات كبيرة. قد يحتوي الإنزيم الحديث على 100 من الأحماض الأمينية، المرتبطة ببعضها البعض، وجميعها لها نفس اللامركزية (وتسمى الأحماض الأمينية L). فإذا تم استبدالها، في مواقع حساسة داخل الإنزيم، بأحماض أمينية D، وهي صورة مرآة لأشكال L، فإن الشكل المكاني للإنزيم قد يتغير وقد تختفي وظيفته.

إجابة الباحث الأول في RNA
يدعي ستيفن أ. بينر من معهد ويستهايمر للعلوم والتكنولوجيا في غينزفيل بولاية فلوريدا أن نموذج الحمض النووي الريبوزي الأول لا يزال حيًا وبصحة جيدة.

حتى لو أعلن بعض الباحثين أن نموذج RNA الأول الذي يفسر أصل الحياة قد مات لأن احتمالية الظهور التلقائي لجزيء RNA تفوق الخيال، فإن البحث العلمي يقدم في الواقع دعمًا لهذا النموذج.

اسمحوا لي أولاً أن أعترف بحقيقة أن معظم الجزيئات العضوية تتحول إلى شيء يشبه الأسفلت عندما تقصف بالطاقة (مثل البرق أو حرارة البراكين)، وهي مادة أكثر ملاءمة لرصف الطرق من تقليل الحيوية. لكن نماذج الأيض الأولى، حتى لو كانت مدعومة ببعض المواد الكيميائية الحقيقية، يجب عليها أيضًا أن تتعامل مع هذه المفارقة: الجزيئات النشطة بما يكفي للمشاركة في عملية التمثيل الغذائي هي أيضًا نشطة بما يكفي للتحلل. لا توجد حلول سهلة.

مثل كثيرين آخرين، عادت مجموعتي البحثية إلى الضرورة العلمية: إجراء تجربة معملية فعلية لمعرفة كيف يمكن للحمض النووي الريبي أن يظهر على الأرض.

يقدم ريبوز السكر، وهو حاخام الـBRNA، مثالاً لدرس حول كيف أن المشكلة التي أُعلن أنها "غير قابلة للحل" هي في الواقع "لم يتم حلها بعد". لفترة طويلة، ظل الريبوز "مستحيلا" لإنتاجه من خلال تخليق ما قبل الحيوية (التفاعلات بين مخاليط الجزيئات التي من المحتمل وجودها على سطح الأرض ما قبل الحيوية)، لأنه يحتوي على مجموعة كربونيل - ذرة كربون ذات رابطة مزدوجة مع ذرة كربونيل. ذرة الأكسجين. تمنح مجموعة الكربونيل الجزيء خياري التفاعل "الجيد" (القدرة على المشاركة في عملية التمثيل الغذائي) و"الرديء" (القدرة على تكوين مادة تشبه القطران). منذ حوالي عشر سنوات، خلص ستانلي ميلر إلى أن عدم استقرار الريبوز الناتج عن مجموعة الكربونيل "يمنع استخدام الريبوز والسكريات الأخرى كعوامل بريبيوتيك... وبالتالي لم يكن الريبوز والسكريات الأخرى مكونات للمادة الوراثية الأولى. "

لكن حساء البريبايوتك يحتاج إلى وعاء حساء مصنوع من المعادن، وليس كوب بيركس الكيميائي. تم العثور اليوم على "وعاء حساء" مثير للاهتمام في "وادي الموت" في كاليفورنيا. في وادي الموت القديم، كانت البيئة رطبة وجافة بالتناوب، وغنية بالجزيئات العضوية المتبقية من سحابة المادة التي شكلت الأرض وأيضًا (والأهم من ذلك) مليئة بالمعادن التي تحتوي على عنصر البورون. لماذا الحفرة مهمة؟ لأنه يعمل على تثبيت الكربوهيدرات مثل الريبوز. علاوة على ذلك، إذا قمت بخلط أكسيد البورون (البورات) والمركبات العضوية الشائعة في النيازك وقمت بتعريضها لضربة صاعقة، فإن كميات جميلة من الريبوز تتشكل من الفورمالديهايد ولا يتحلل الريبوز الناتج.

حقيقة أن المشكلة التي أُعلن أنها "غير قابلة للحل" وجدت أن لها مثل هذا الحل البسيط لا تثبت أن شكل الحياة الأول استخدم بالتأكيد الحمض النووي الريبي (RNA) لإجراء علم الوراثة. ولكن ينبغي أن يوقفنا هذا قليلًا في الوقت الذي يُنصح فيه بالتخلي عن اتجاهات البحث لمجرد أن بعض الأجزاء الإشكالية منها لم يتم حلها بعد.