ه‍.ش. ۱۳۹۴ شهریور ۱۵, یکشنبه

منشا زندگی

گردآوری از: آرمین

منشا زندگی

زیست‌شناسیمنشأ حیات


زمین و سوپ بنیادین حیات

شواهد علمی نشان می‌دهند زمین و دیگر سیارات منظومه شمسی در حدود ۴،۶ میلیارد سال قبل، از طریق متراکم‌شدن ابر گسترده‌ای از گرد و غبار و سنگ‌ها تشکیل شده‌اند که خورشید جوان را احاطه کرده بودند.

این مطلب که حیات در طی صد ملیون سال اول شکل گرفته و حفظ شده باشد، غیرمحتمل به‌نظر می‌رسد. زیرا در این زمان، هنوز سیاره توسط قطعات بسیار بزرگی از سنگ‌ها و یخ‌های باقی‌مانده از هنگام شکل‌گیری منظومه شمسی، بمباران می‌شد. این برخورد‌ها گرمای کافی برای بخار کردن تمامی آب در دسترس را فراهم کرده و از تشکیل دریا‌ها جلوگیری می‌کردند.

احتمالاً این مرحله در حدود ۳،۹ تا ۴،۲ میلیارد سال قبل پایان یافت. هنگامی که بمباران زمین اولیه رو به کاهش نهاد، شرایط موجود در سیاره با آنچه که تاکنون وجود دارد، بسیار متفاوت بود.

به احتمال زیاد، اتمسفر اولیه غلیظی از آب بخار تشکیل شد و ترکیبات متنوعی شامل نیتروژن و اکسیدهای آن، کربن دی‌اکسید، متان، آمونیاک، هیدروژن و هیدروژن سولفید از طریق فوران‌های آتش‌فشانی در آن آزاد شدند. با سرد شدن زمین بخار آب متراکم شد و به‌صورت اقیانوس‌هایی در آمد، و بیشتر هیدروژن به سرعت در فضا پراکنده شد.

در دهه ۱۹۲۰، شیمی‌دان روسی آپارین و دانشمند انگلیسی هالدین به‌طور مستقل چنین فرض کردند که اتمسفر اولیه زمین دارای یک محیط کاهنده (الکترون‌دهنده یا احیایی) بوده است که در آن ترکیبات آلی می‌توانستند از مولکول‌های ساده تشکیل یابند. انرژی مورد نیاز برای این سنتز آلی می‌توانست از آذرخش و تابش شدید اشعه فرابنفش (UV) فراهم شود. به گمان هالدین، اقیانوس‌های اولیه محلولی از مولکول‌های آلی یا یک «سوپ بنیادین» بودند که حیات از آن‌ها سرچشمه گرفت.

شبیه‌سازی سوپ بنیادین حیات در آزمایش میلر و یوری

در سال ۱۹۵۳ استنلی میلر و هارولد یوری، از دانشگاه شیکاگو، فرضیه آپارین-هالدین را از طریق ایجاد شرایط آزمایشگاهی مشابه با آنچه که به تصور دانشمندان آن دوره، در زمین اولیه وجود داشت، آزمودند. محصول دستگاه آن‌ها، آمینواسید‌های متنوعی بود که امروزه در موجودات زنده یافت می‌شود و در کنار آن‌ها نیز ترکیبات آلی دیگری به‌دست آمد. تاکنون محققین در آزمایشگاه‌های زیادی، با استفاده از اتمسفرهای متفاوتی، این تجربه را تکرار کرده‌اند. در برخی از مدل‌های تعدیل شده آن‌ها نیز ترکیبات آلی تولید شده‌اند.

با این حال این‌که اتمسفر زمین جوان، متان و آمونیاک کافی برای کاهنده بودن را دارا بوده یا خیر، روشن نیست. براساس شواهد افزون‌تر، گمان می‌رود که اتمسفر اولیه اساساًَ از نیتروژن و کربن دی‌اکسید تشکیل یافته بود و حالت کاهنده یا اکساینده (الکترون گیرنده) نداشته است. آزمایش‌هایی از نوع تجربه میلر-یوری که با به‌کارگیری چنین اتمسفرهایی «خنثی» انجام گرفته‌اند نیز، منجر به تولید مولکول‌های آلی شده‌اند.

با این حال، احتمالاَ «بسته‌های» کوچکی از اتمسفر اولیه - شاید نزدیک به دهانه‌های آتشفانی - حالت کاهندگی داشته‌اند.

ترکیبات آلی اولیه در زمین، شاید به‌جای تشکیل در اتمسفر، نزدیک آتشفشان‌هایی زیر آب و محافظ موجود در اعماق دریا، یعنی جایی‌که آب گرم و مواد معدنی جوشیده و به اقیانوس فوران می‌کردند، ساخته شده‌اند.

در آزمایشی که در سال ۲۰۰۸ برای آزمودن این فرضیه آتش‌فشانی اتمسفر انجام شد، محققان با استفاده از تجهیزات مدرن مولکول‌هایی که میلر در یکی از آزمایشات خود به دست آورده بود را دوباره بررسی کردند. این آزمایش نشان داد که آمینواسید‌های متعدد تحت شرایطی ساخته شده بود که مشابه با یک فوران انفجاری بود.

آزمایش‌هایی از نوع آزمایش‌های میلر-یوری ثابت می‌کنند که ساخت غیرزیستی مولکول‌های آلی نیز امکان‌پذیر است.

آنالیز ترکیب شیمیایی شهاب سنگ‌ها نیز این نظر را تایید می‌کنند. در بین شهاب‌سنگ‌هایی که بر زمین فرود آمده‌اند، کندریت‌هایی کربنی هم وجود دارند.

آن‌ها سنگ‌هایی هستند ۱ تا ۲ درصد جرم آن‌ها را ترکیبات کربنی تشکیل می‌دهند. در سال ۱۹۶۹، در استرالیای جنوبی قطعاتی از یک کندریت ۴،۵ میلیارد ساله جمع‌آوری شد که حاوی بیش از ۸۰ آمینواسید بود و بعضی از آن‌ها مقادیر فراوانی داشتند.

نسبت‌های این آمینواسید‌ها به‌طور جالب توجهی مشابه نسبت‌هایی بود که در آزمایش میلر-یوری حاصل شده بود. آمینواسید‌های کندریت نمی‌توانند آلودگی‌های زمینی باشند زیرا دارای نسبت برابری از ایزومر‌های D و L هستند. موجودات زنده به‌جز چند مورد استثنا، همگی ایزومر‌های L را ساخته و مورد استفاده قرار می‌دهند.

وجود مولکول‌های آلی کوچک، مانند آمینواسید‌ها، برای ظهور زندگی‌ای که ما می‌شناسیم کافی نیست. هر سلول دارای یک مجموعه گسترده و منظم از درشت مولکول‌ها، شامل آنزیم‌ها و دیگر پروتئین‌ها و نوکلئیک اسیدهایی است که برای خودهمانندسازی ضروری هستند. آیا چنین درشت مولکول‌هایی می‌توانستند در زمین اولیه شکل گرفته باشند؟ محققین از طریق چکاندن محلول‌های حاوی آمینواسید‌ها بر روی شن، خاک رس یا سنگ داغ، پلی‌مر‌های آمینواسیدی ساخته‌اند. پلی‌مر‌ها بدون کمک آنزیم‌ها یا ریبوزوم‌ها به‌طور خودبه‌خودی تشکیل شدند. اما بر خلاف پروتئین‌ها، این پلی‌مر‌ها مخلوط پیچیده‌ای از آمینواسیدهای با اتصال عرضی هستند، و هر پلی‌مر با سایرین متفاوت است. با این وجود، ممکن است چنین مولکول‌هایی برای انواع گوناگونی از واکنش‌ها در سطح زمین اولیه، به‌عنوان کاتالیست ضعیف عمل کرده باشند.


پروتوسل‌ها

تمامی موجودات بایستی قادر به انجام تولید مثل و پردازش انرژی (متابولیسم) باشند. ادامه حیات بدون این دو عملکرد ممکن نیست.

مولکول‌های دی‌ان‌ای حامل اطلاعات ژنتیکی هستند، که شامل دستورالعمل‌های لازم برای همانندسازی دقیق خودشان، در طی همانندسازی، است. اما همانندسازی دی‌ان‌ای به یک ماشین آنزیمی ماهر و در کنار آن به یک منبع غنی از واحدهای ساختمانی نوکلئوتیدی نیاز دارد که از طریق متابولیسم سلول فراهم می‌شود. این امر پیشنهاد می‌کند که احتمالاًَ در پروتوسل‌های ابتدایی، مولکول‌های خودهمانندساز و یک منبع متابولیسمی از واحدهای ساختمانی، با یکدیگر ظهور پیدا کرده‌اند. چگونه چنین اتفاقی افتاد؟

احتمالاً این شرایط مورد نیاز در وزیکول‌ها فراهم شده است. وزیکول‌ها اجزای پر از مایعی هستند که توسط ساختاری شبه غشایی احاطه شده بودند.

تولید مثل در وزیکول‌ها که خود‌به‌خود تقسیم می‌شوند.

آزمایش‌های اخیر نشان می‌دهند که وزیکول‌های تولیدشده به روش غیرزیستی می‌توانند بعضی از ویژگی‌های مرتبط با حیات را نشان دهند، که شامل متابولیسم و تولید مثل ساده، و نیز حفظ تفاوت محیط شیمیایی داخلی با محیط شیمیایی اطراف است.

به‌عنوان مثال، هنگامی که لیپید‌ها یا دیگر مولکول‌های آلی به آب افزوده می‌شوند، وزیکول‌ها می‌توانند به‌طور خودبخودی تشکیل شوند.در این زمان، مولکول‌های آب‌گریز در این مخلوط به‌صورت دولایه سازمان می‌یابند که شبیه به دولایه لیپیدی غشای پلاسمایی سلول‌های امروزی است.

افزودن موادی مانند مونتموریلونیت (خاک رس معدنی نرمی که از طریق باد دادن خاکس‌تر آتش‌فشانی به‌دست می‌آید)، سرعت خودگردایش‌گر وزیکول‌ها را بسیار افزایش می‌دهد.

این وزیکول با ذرات خاک رس از نوع مونتموریلونیت همراه با آران‌ای (قسمت‌های نارنجی) پوشانده شده است.

این خاک رس که تصور می‌شود بر روی زمین اولیه وجود داشته است، سطحی را فراهم می‌آورد که مولکول‌های آلی بر روی آن تجمع یافته و احتمال واکنش مولکول‌ها با یکدیگر و تشکیل وزیکول‌ها را افزایش می‌دهد.

وزیکول‌های تولید شده به روش غیرزیستی می‌توانند به خودی خود «تولیدمثل» کنند. و می‌توانند بدون رقیق شدن محتوایشان بزرگ شوند (رشد کنند) وزیکول‌ها هم‌چنین قادر به جذب ذرات مونتموریلونیت، از جمله ذرات پوشیده‌شده با آران‌ای و دیگر مولکول‌های آلی، هستند.

در ‌‌نهایت، آزمایش‌ها نشان داده‌اند که برخی وزیکول‌های دولایه، نفوذپذیری انتخابی دارند و قادرند با استفاده از مواد خارجی، واکنش‌های متابولیکی را انجام دهند که پیش نیاز مهم دیگری برای شکل‌گیری حیات است.


دنیای آران‌ای

نخستین ماده ژنتیکی احتمالاً آران‌ای بود، نه دی‌ان‌ای. توماس چیس، از دانشگاه کلرادو و سیدنی، آلتمن، از دانشگاه ییل، متوجه شدند آران‌ای که دارای نقش اساسی در سنتز پروتئین است، می‌تواند چندین فعالیت کاتالیتیک شبه-آنزیمی نیز انجام دهد.

چیس، این آران‌ای‌های کاتالیست را ریبوزیم نامید. برخی ریبوزیم‌ها می‌توانند به شرطی که بلوک‌های ساختمانی نوکلئوتیدی برایشان فراهم باشد، نسخه‌های مکمل برای قطعه‌های کوتاه آران‌ای بسازند.

آران‌ای

در آزمایشگاه، وقوع انتخاب طبیعی در سطح مولکولی، منجر به تولید ریبوزوم‌های خودهمانندساز گردیده است. چگونه چنین چیزی روی می‌دهد؟

بر خلاف دی‌ان‌ای دورشته‌ای که همیشه به‌شکل یک مارپیچ در می‌آید، مولکول آران‌ای‌، اشکال سه بُعدی متنوعی را که توسط نوکلئوتیدی آن‌ها تعیین می‌شود، به‌خود می‌گیرند. در یک محیط معین، مولکول‌های آران‌ای‌یی که توالی بازی خاصی دارند، و در مقایسه با سایر توالی‌ها سریع‌تر و با اشتباهات کمتری همانندسازی می‌کنند. با توجه به تنوع مولکول‌های آران‌ای، مولکولی که توالی آن بهترین تناسب را با محیط اطراف دارد و دارای فعالیت خود-کاتالیتیکی بیشتری است، اغلب همانندسازی بیشتری نیز خواهد داشت.

زاده‌های حاصل از این مولکول آران‌ای‌، همگی به یک «گونه» منفرد آران‌ای‌ تعلق نخواهند داشت بلکه شامل یک خانواده از مولکول‌های آران‌ای‌ با خویشاوندی نزدیک به‌هم خواهند بود. علت این امر خطاهایی است که در طی کپی‌برداری رخ می‌دهند. یک اشتباه در کپی‌برداری می‌تواند منجر به ایجاد مولکولی شود که به‌علت شکل تاخوردگی خاص خود، پایداری بیشتر یا انطباق بهتری برای خودهمانندسازی، نسبت به توالی نیایی، دارد.

شاید در زمین اولیه، رویداد‌های انتخابی مشابهی انتخاب افتاده باشد. بر این اساس ممکن است یک «دنیای آران‌ای‌» متفاوت با زیست‌شناسی مولکولی شناخته شده امروزی به‌وجود آمده باشد، که در آن مولکول‌های آران‌ای‌ کوچکی که اطلاعات ژنتیکی را حمل می‌کردند، قادر به همانندسازی و ذخیر اطلاعات در پروتوسل‌های حامل خود بودند.

یک پروتوسل دارای آران‌ای‌یی کاتالیتیک خودهمانندساز، با بسیاری از پروتوسل‌های دیگر که حامل آران‌ای‌ نبوده و یا دارای آران‌ای‌های فاقد این قابلیت‌ها بودند، متفاوت بود. در صورتی که این پروتوسل می‌توانست رشد کند، تقسیم شود و مولکول‌های آران‌ای‌ را به دختر‌های خود انتقال دهد، دختر‌ها دارای برخی ویژگی‌های والد خود می‌شدند.

اگر چه به احتمال زیاد اولین مورد از چنین پروتوسل‌هایی فقط مقدار کمی از اطلاعات ژنتیکی را که تعیین کننده تنها تعداد کمی خصوصیت بودند، حمل می‌کردند، اما همین مقدار کم هم به‌معنی شکل گیری وراثت در آن‌ها بود و بنابراین می‌توانستند تحت تأثیر انتخاب طبیعی قرار بگیرند.

شمار پروتوسل‌های موفق افزایش می‌افت زیرا می‌توانستند مواد مورد نیاز خود را با کارایی بالاتری به‌دست آورند و توانایی‌های خود را به نسل بعد انتقال دهند. شاید ظهور چنین پروتوسل‌هایی غیرممکن به نظر برسد، اما بخاطر داشته باشید که در حجم عظیم آب سطح زمین اولیه، هزاران میلیارد پروتوسل می‌توانست وجود داشته باشد. حتی آنهایی که ظرفیت محدودی برای وراثت داشتند، نسبت به بقیه از امتیاز بسیار بزرگتری برخوردار بودند.

زمانی که توالی‌های آران‌ای‌یی حامل اطلاعات ژنتیکی در پروتوسل‌ها ظاهر شدند بسیاری از تغییرات دیگر فراهم گردید. برای مثال آران‌ای‌ می‌توانست الگویی باشد که نوکلئوتیدهای دی‌ان‌ای از روی آن به‌هم متصل شوند. دی‌ان‌ای دو رشته‌ای نسبت به آران‌ای‌ تک رشته‌ای شکننده و حساس، ذخیره بسیار پایدار تری برای اطلاعات ژنتیکی است.

و با دقت بیشتری همانندسازی می‌کند. در کنار بزرگ شدن ژنوم از طریق مضاعف شدن ژنی و فرآیند‌های دیگر و نیز با به رمز در آوردن بیشتر خصوصیات در پروتوسل‌ها به صورت اطلاعات ژنتیکی، همانندسازی دقیق یک ضرورت می‌شد. شاید پس از ظهور دی‌ان‌ای، مولکول‌های آران‌ای‌ نقش امروزی خود را، به‌عنوان واسطه‌های ترجمه برنامه‌های ژنتیکی بر عهده گرفتند و «دنیای آران‌ای‌» جای خود را به «دنیای دی‌ان‌ای» داد.


[] يادداشت‌ها




[] پی‌نوشت‌ها

منشا زندگی (قسمت اول) «زمین و سوپ بنیادین حیات»، وبلاگ آگاهی
منشا زندگی (قسمت دوم) «پروتوسل‌ها»، وبلاگ آگاهی
منشا زندگی (قسمت سوم) «دنیای آران‌ای»، وبلاگ آگاهی


[] جُستارهای وابسته






[] سرچشمه‌ها

کاری از: آگاهی برگرفته از: بیولوژی کمپبل