«باران» چگونه حیات روی زمین را آغاز کرده است؟

فرادید: میلیاردها سال تکامل، سلول‌های مدرن را بسیار پیچیده کرده است. درون سلول‌ها، محفظه‌های کوچکی به نام اندامک وجود دارد که عملکردهای خاصی برای بقاء و عملکرد سلول دارند. برای مثال، هسته مواد ژنتیکی را ذخیره و میتوکندری انرژی تولید می‌کند.

یکی دیگر از اجزای ضروری یک سلول، غشایی است که آن را در بر می‌گیرد. پروتئین‌های تعبیه‌شده در سطح غشاء، حرکت مواد را به داخل و خارج سلول کنترل می‌کنند. این ساختار غشایی پیچیده سبب پیچیدگی زندگی شناخته‌شده، می‌شود. اما نخستین و ساده‌ترین سلول‌ها چگونه پیش از تکامل ساختارهای غشایی پیچیده، همه این عملکردها را سرپا نگه داشتند؟

در تحقیقی که به تازگی در مجله «پیشرفت‌های علم» منتشر شده، این احتمال که آب باران نقش مهمی در تثبیت سلول‌های اولیه داشته و راه را برای پیچیدگی زندگی هموار کرده، بررسی شده است.

منشا حیات

یکی از جالب‌ترین پرسش‌های علم این است که حیات در زمین چگونه آغاز شد. دانشمندان مدت‌ها در شگفت بوده‌اند که چگونه مواد غیرزنده‌ای مانند آب، گازها و ذخایر معدنی به سلول‌های زنده‌ای تبدیل می‌شوند که قادر به تکثیر، متابولیسم و تکامل هستند.

آزمایش میلر-اوری نشان داد ترکیبات آلی پیچیده را می‌توان از مواد آلی و معدنی ساده‌تری ساخت

دو شیمی‌دان به نام‌های استنلی میلر و هارولد اوری در دانشگاه شیکاگو در سال ۱۹۵۳ آزمایشی انجام دادند که نشان داد ترکیبات آلی پیچیده (مولکول‌های مبتنی بر کربن) را می‌توان از ترکیبات آلی و معدنی ساده‌تر سنتز کرد. این دو با استفاده از آب، متان، آمونیاک، گازهای هیدروژن و جرقه‌های الکتریکی اسیدهای آمینه را شکل دادند.

دانشمندان باور دارند که نخستین اشکال حیات به نام پروتوسل‌ها از مولکول‌های آلی موجود در زمین اولیه پدید آمده‌اند. این ساختارهای اولیه و سلول مانند احتمالاً از دو جزء اساسی ساخته شده بودند: یک ماده ماتریکس که یک چارچوب ساختاری ارائه می‌کرد و یک ماده ژنتیکی که دستورالعمل‌هایی را برای عملکرد پروتوسل‌ها حمل می‌کرد.

به مرور زمان، توانایی تکثیر و تکرار فرآیندهای متابولیک در این پروتوسل‌ها تکامل یافت. شرایط خاصی برای وقوع واکنش‌های شیمیایی ضروری لازم است، مانند منبع انرژی ثابت، ترکیبات آلی و آب. محفظه‌های تشکیل‌شده توسط یک ماتریس و یک غشاء اساساً محیط پایداری فراهم می‌کنند که می‌تواند واکنش‌دهنده‌ها را متمرکز کند و آن‌ها را از محیط خارجی محافظت کند و اجازه دهد واکنش‌های شیمیایی لازم انجام شوند.

بنابراین، دو پرسش اساسی ایجاد می‌شود: ماتریس و غشای پروتوسل‌ها از چه موادی ساخته شده‌اند؟ و چگونه سلول‌های اولیه را قادر ساختند تا ثبات و عملکرد لازم برای تبدیل شدن به سلول‌های پیچیده‌ای را حفظ کنند که همه موجودات زنده امروزی را تشکیل می‌دهند؟

حباب‌ها در مقابل قطرات

دانشمندان می‌گویند دو مدل متمایز از پروتوسل‌ها (وزیکول‌ها و کواسروات‌ها) ممکن است نقشی محوری در مراحل اولیه زندگی داشته باشند.

محفظه‌های مینیاتوری مانند دولایه‌های لیپیدی که به صورت کپسول‌هایی مانند لیپوزوم‌ها و میسل‌ها پیکربندی شده‌اند، برای سازماندهی و عملکرد سلولی مهم هستند

وزیکول‌ها حباب‌های ریزی مانند صابون در آب هستند. آن‌ها از مولکول‌های چربی به نام لیپید ساخته شدند که به طور طبیعی ورقه‌های نازکی را شکل می‌دهند. وزیکول‌ها زمانی شکل می‌گیرند که این ورقه‌ها به شکل کره درآیند که آن وقت می‌تواند مواد شیمیایی را در خود محصور کند و از واکنش‌های حیاتی در برابر محیط خشن و تخریب احتمالی محافظت کند.

وزیکول‌ها مانند جیب‌های مینیاتوری حیات شبیه ساختار و عملکرد سلول‌های مدرن هستند. با این حال، برخلاف غشای سلول‌های مدرن، پروتوسل‌های وزیکولی فاقد پروتئین‌های تخصصی هستند که به طور انتخابی اجازه ورود و خروج مولکول‌ها به سلول را می‌دهد و ارتباط بین سلول‌ها را ممکن می‌سازد. بدون این پروتئین‌ها، پروتوسل‌های وزیکولی توانایی محدودی برای تعامل مؤثر با محیط اطراف خود خواهند داشت و پتانسیل زندگی آن‌ها محدود می‌شود.

از سوی دیگر، کواسروات‌ها قطراتی هستند که از تجمع مولکول‌های آلی مانند پِپتیدها و اسیدهای نوکلئیک به وجود می‌آیند. آن‌ها زمانی شکل می‌گیرند که مولکول‌های آلی به دلیل خواص شیمیایی که آن‌ها را به یکدیگر جذب می‌کند، مانند نیروهای الکترواستاتیک میان مولکول‌های دارای بار مخالف، به یکدیگر می‌چسبند. اینها همان نیروهایی هستند که سبب می‌شوند بادکنک‌ها به مو بچسبند.

می‌توان کواسروات‌ها را قطرات روغن پخت و پز معلق در آب تصور کرد. پروتوسل‌های کواسروات مشابه قطرات روغن، فاقد غشاء هستند. بدون غشاء، آب اطراف به راحتی می‌تواند مواد را با پروتوسل‌ها مبادله کند. این ویژگی ساختاری به غلیظ شدن مواد شیمیایی و تسریع واکنش‌های شیمیایی کمک می‌کند و محیط شلوغی برای اجزای سازنده حیات ایجاد می‌کند.

بنابراین، به نظر می‌رسد فقدان غشاء سبب می‌شود کواسروات‌ها کاندیدای بهتری نسبت به وزیکول‌ها باشند. با این حال، فقدان غشاء یک نقطه ضعف قابل‌توجه است: پتانسیل نشت مواد ژنتیکی.

پروتوسل‌های ناپایدار و نشت‌کننده

چند سال پس از اینکه شیمیدانان هلندی قطرات کواسروات را سال ۱۹۲۹ کشف کردند، الکساندر اوپارین بیوشیمیدان روسی این ایده را مطرح کرد که کوآسروات‌ها نخستین مدل پروتوسل‌ها هستند. استدلال او این بود که قطرات کوآسروات شکل اولیه‌ای از بخش‌بندی حیاتی را برای فرآیندهای متابولیک اولیه و خود-تکثیر فراهم کردند.

متعاقباً، دانشمندان کشف کردند کواسروات‌ها گاهی می‌توانند از پلیمرهایی با بار مخالف تشکیل شوند: مولکول‌های بلند و زنجیره‌ای که در مقیاس مولکولی شبیه اسپاگتی هستند و بارهای الکتریکی مخالف دارند. وقتی پلیمرهای بارهای الکتریکی مخالف با هم مخلوط شوند، تمایل دارند یکدیگر را جذب کرده و به هم بچسبند تا قطرات بدون غشاء را شکل دهند.

قطرات کوآسروات شبیه روغن معلق در آب هستند

فقدان غشاء چالشی به همراه دارد: قطرات به سرعت با یکدیگر ترکیب می‌شوند، شبیه به قطرات روغن جداگانه در آب که به یک لکه بزرگ می‌پیوندند. غیر از این، فقدان غشاء به RNA (نوعی ماده ژنتیکی که تصور می‌شود نخستین شکل مولکول خودتکثیرشونده است و برای مراحل اولیه زندگی حیاتی است) اجازه داد به سرعت بین پروتوسل‌ها مبادله شود.

جک شوستاک سال ۲۰۱۷ نشان داد همجوشی و تبادل سریع مواد می‌تواند منجر به اختلاط کنترل‌نشده RNA شود و تکامل توالی‌های ژنتیکی پایدار و متمایز را دشوار کند. این محدودیت نشان داد کواسروات‌ها ممکن است نتوانند بخش‌بندی لازم برای زندگی اولیه را حفظ کنند.

بخش‌بندی یک الزام جدی برای انتخاب طبیعی و تکامل است. اگر پروتوسل‌های کواسروات بی‌وقفه با هم ترکیب می‌شدند و ژن‌های آن‌ها به طور مداوم با یکدیگر مخلوط و مبادله می‌شدند، همه آن‌ها بدون هیچ گونه تنوع ژنتیکی به یکدیگر شبیه می‌شدند. بدون تنوع ژنتیکی، هیچ پروتوسل واحدی احتمال بقاء، تولیدمثل و انتقال ژن‌های خود به نسل‌های آینده را ندارد.

اما حیات امروزی با انواع مواد ژنتیکی رشد میکند، یعنی طبیعت به نوعی این مشکل را حل کرده است. بنابراین، راه‌حلی برای این مشکل وجود داشته که احتمالاً در دیدرس پنهان بوده است.

آب باران و RNA

مطالعه‌ای که سال ۲۰۲۲ انجام شد نشان داد اگر قطرات کواسروات در آب دیونیزه (آب عاری از یون‌ها و مواد معدنی محلول) غوطه‌ور شوند، می‌توانند تثبیت شوند و از همجوشی جلوگیری کنند. قطرات یون‌های کوچکی را به داخل آب پرتاب می‌کنند و احتمالاً به پلیمرهای دارای بار مخالف در محیط اطراف اجازه می‌دهند به یکدیگر نزدیک‌تر شوند و یک لایه پوستی مشبک تشکیل دهند. این «دیوار» مشبک به شکل موثری از همجوشی قطرات جلوگیری می‌کند.

بنابراین می‌توان تصور کرد که آب باران که منبع طبیعی آب بدون یون است می‌توانسته همین کار را در دنیای پیش‌زیستی انجام دهد؟ آب باران در واقع پروتوسل‌ها را در برابر همجوشی پایدار می‌کند.

قطرات با دیواره‌های مشبک در برابر همجوشی مقاومت می‌کنند و از نشت RNA خود جلوگیری می‌کنند. در این تصویر، هر رنگ نمایانگر نوع متفاوتی از RNA است