سرنخ‌هایی از منشاء حیات در آزمایشگاه کشف شد!

به گزارش ساینس نیوز، میلیاردها سال پیش، زمین یک سیاره بسیار متفاوت بود که محیطی خشن داشت و نمی‌توانست از حیات پشتیبانی کند. فوران‌های آتشفشانی، طوفان‌های رعد و برق و بمباران مداوم شهاب‌سنگ‌ها و دنباله‌دارها، جو و سطح زمین را شکل داده‌اند.

این شرایط پرآشوب در ایجاد مولکول‌های آلی مانند آمینو اسیدها، نوکلئوتیدها و قندهای ساده مؤثر بودند که در نهایت زندگی را به آن صورتی که ما می‌شناسیم، پدید آوردند اما اینکه دگرگونی دقیقا چگونه رخ داده، یکی از ماندگارترین اسرار در پژوهش‌های علمی است و دانشمندان بی‌وقفه در حال بررسی کردن این معمای باستانی هستند.

گروهی از دانشمندان در یک پژوهش جدید، فرضیه جالبی را پیرامون این موضوع ارائه کرده‌اند. آنها می‌گویند مولکول‌های آلی غیر بیولوژیکی که مبتنی بر کربن هستند اما امروزه معمولا توسط سیستم‌های بیولوژیکی مورد استفاده قرار نمی‌گیرند، ممکن است یک نقش محوری در کمک کردن به تکامل سیستم‌های شیمیایی اولیه و تبدیل شدن آنها به شکل‌های پیچیده کنونی خود داشته باشند.

«تونی جیا»(Tony Jia) دانشیار ویژه «موسسه علوم زمین-حیات»(ELSI) در «موسسه فناوری توکیو»(TITech) و از پژوهشگران ارشد این پروژه گفت: هیچ کس واقعا نمی‌داند که در زمین اولیه چه اتفاقی افتاده است یا چه مواد شیمیایی و واکنش‌هایی در آن وجود داشته‌اند. اگرچه تشخیص دقیق بدون ماشین زمان غیرممکن است اما ما تمام تلاش خود را خواهیم کرد تا شرایط محتمل را در آزمایشگاه تکرار کنیم؛ به این امید که بفهمیم شیمی اولیه زمین چگونه به شکل‌گیری منشأ حیات کمک کرده است.

ریزقطره‌های پلی‌استر، مدل‌های پروتوسل

زندگی مدرن به آب وابسته است و به طور گسترده این اعتقاد وجود دارد که حیات از محیط‌های آبی باستانی سرچشمه گرفته است. برای درک بهتر این فرضیه، پژوهشگران در این پروژه روی اسیدهای موسوم به «آلفا هیدروکسی اسید» تمرکز کردند. آلفا هیدروکسی اسیدها، مولکول‌هایی شبیه به آمینواسیدهای آلفا هستند که احتمالا در اوایل عمر زمین وجود داشته‌اند و از طریق جرقه‌های الکتریکی، واکنش‌های گرمابی و فتوشیمی فرابنفش تشکیل شده‌اند یا حتی توسط شهاب‌سنگ‌ها به زمین رسیده‌اند.

در محلول‌هایی که محیط‌های آبی زمین اولیه را شبیه‌سازی می‌کنند، آلفا هیدروکسی اسیدها، پلی‌استرهای ژل‌مانندی را تشکیل می‌دهند که پس از آب‌گیری مجدد به صورت ریزقطره‌ها جمع می‌شوند. نظر گروه پژوهشی این است که اگر چنین قطراتی وجود داشته‌اند، ممکن است نمک‌ها را که اجزای ضروری سیستم‌های زنده هستند نیز جذب کرده باشند.

«چن چن»(Chen Chen)، پژوهشگر ویژه موسسه پژوهشی «ریکن»(RIKEN) و از پژوهشگران ارشد این پروژه گفت: سطح نمک اقیانوس‌های اولیه در مقایسه با شوری امروزی، بسیار بالاتر بود. به طور ویژه، بسیاری از انواع یون‌های نمک هنوز یک نقش کلیدی را در تنظیم کردن فعالیت‌های بیوشیمیایی سالم و متنوع زندگی مدرن بر عهده دارند.

وجود نمک‌ها می‌تواند با جداسازی مولکول‌های زیستی ضروری مانند آران‌ای، بر ساختار این ریزقطره‌ها تأثیر بگذارد. بدین ترتیب، شاید آنها به ‌عنوان پروتوسل‌های اولیه عمل کرده باشند که نسخه‌های ساده‌ شده سلول‌های بدوی بوده‌اند.

جیا گفت: ریزقطره‌های پلی‌استر اولین بار چند سال پیش توسط پژوهشگران موسسه علوم زمین-حیات به عنوان مدل‌های پروتوسل معرفی شدند و از آن زمان تاکنون ما پیشرفت‌های زیادی را در درک کردن ترکیب، ساختار و عملکرد آنها داشته‌ایم. ما در پژوهش پیشین خود دریافتیم که افزودن نمک باعث ادغام قطرات می‌شود و همیشه از خود می‌پرسیدیم که چرا چنین اتفاقی رخ می‌دهد.

دانشمندان معتقدند که این ریزقطره‌های اولیه ممکن است دارای ویژگی‌های ابتدایی مرتبط با ارگانیسم‌های زنده باشند؛ مانند توانایی انجام دادن واکنش‌های شیمیایی و حفظ کردن سطح مشخصی از سازمان‌دهی داخلی.

«سودا راجامانی»(Sudha Rajamani) اخترزیست‌شناس «موسسه آموزش علوم و تحقیقات هند»(IISER) که در این پژوهش شرکت نداشت، گفت: پژوهشگران اخیرا محفظه‌های بدون غشاء را به عنوان مقدمه‌ای برای محفظه‌های مبتنی بر غشاء بررسی کرده‌اند. تعداد کمی از پژوهش‌ها به شناسایی قطرات ساخته‌شده از پیش‌سازهای قابل قبول و غیر مصنوعی پری‌بیوتیک پرداخته‌اند.

این که ریزقطره‌های پلی‌استر مستقیما اولین سلول‌ها را شکل می‌دهند یا این که در عوض یک حالت میانی دارند، ناشناخته باقی مانده است اما تمایل آنها به شکل‌گیری و توانایی آنها برای جذب آنالیت‌هایی مانند نمک‌ها می‌تواند در پاسخ دادن به پرسش‌های مهم کمک کند.

«توماسو فراچیا»(Tommaso Fraccia) دانشیار علوم داروشناسی و بیومولکولی «دانشگاه میلان»(UniMi) که در این پژوهش شرکت نداشت، گفت: تشکیل پلیمرهای زیستی مانند آران‌ای و پپتیدها از مونومرهای آنها و تشکیل محفظه‌های پیش‌سلولی که عملکردهای اولیه سلولی را انجام می‌دهند، دو مشکل اصلی حل‌نشده برای بررسی منشا حیات هستند.

وی افزود: این پژوهش نشان می‌دهد چگونه ارگانیسمی که از مولکول‌های کوچک پری‌بیوتیک قابل قبول(آلفا هیدروکسی اسیدها) آغاز می‌شود، می‌تواند به طور موثر پلیمرهایی را با فرآیندهای ساده(خشک کردن و گرم کردن) تولید کند که پس از هیدراتاسیون مجدد، در محفظه‌های بدون غشاء جمع می‌شوند. سادگی ترکیب و فرآیندهای مورد استفاده برای ارائه راه‌حل‌های قوی، یک موضوع بسیار مهم است.

بررسی جذب نمک با روش‌های جدید

چن گفت: محیط شیمیایی پری‌بیوتیک، پیچیده و آشفته بود. بنابراین، ما نمی‌دانستیم که چگونه نمک‌های موجود می‌توانند بر پویایی پیش‌سلولی در محیط اولیه تأثیر بگذارند.

وی افزود: جذب نمک توسط ریزقطره‌های پلی‌استر ممکن است مستقیما به پیدایش حیات کمک نکند اما پیامدهایی را برای پایداری و عملکرد ریزقطره‌ها به عنوان پروتوسل‌های احتمالی دارد. نمک‌ها می‌توانند به‌عنوان کاتالیزور یا تعدیل‌کننده واکنش‌های شیمیایی ویژه مرتبط با منشا حیات عمل کنند و همچنین می‌توانند بر فعل و انفعالات مولکولی که در داخل و اطراف ریزقطره‌های پلی‌استر رخ می‌دهند، تأثیر بگذارند.

گروه پژوهشی برای بازآفرینی این شرایط، مجموعه‌ای از آلفا هیدروکسی اسیدها را در معرض کم‌آبی قرار دادند که به تشکیل پلی‌استرها منجر شد. سپس، آنها را از نظر توانایی جمع شدن به صورت ریزقطره‌ها بررسی کردند.

جیا گفت: با توجه به حجم زیاد واکنش‌های تنظیم‌نشده در میان تعداد زیادی از مواد شیمیایی که همه با هم ادغام شده‌اند، ترکیب شیمیایی ممکن است بسته به محیط، متفاوت باشد. در واقع، حتی ممکن است که شیمی اولیه زمین، کاملا متفاوت با آنچه امروز در زیست‌شناسی می‌بینیم، بوده باشد. به همین دلیل است که ما باید بیشتر در مورد این موضوع بدانیم که پلی‌استرها و سایر مولکول‌هایی که در زیست‌شناسی مدرن بیش از اندازه وجود ندارند، چگونه در منشأ حیات نقش داشته‌اند.

در میان آلفا هیدروکسی اسیدها که مورد بررسی قرار گرفتند، «فنیل‌لاکتیک اسید DL-۳» تمایل زیادی به تشکیل قطره‌ها نشان داد و به عنوان یک مدل برای پژوهش‌ها انتخاب شد.

از آنجا که فعل و انفعالات الکترواستاتیکی بین مولکول‌های نمک و پلیمرهای پلی‌استر احتمالا بر جذب نمک توسط ریزقطره‌ها حاکم است، پژوهشگران سه نوع از آلفا هیدروکسی اسیدها شامل خنثی، بازی و اسیدی را ایجاد کردند. سپس، آنها ریزقطره‌های گوناگون پلی‌استر را در محلول‌های آبی متشکل از غلظت‌های متفاوت نمک‌های کلرید که ممکن است در اقیانوس‌های اولیه فراوان بوده باشند، قرار دادند.

جیا بر اهمیت به کارگیری چنین روش‌های پیشرفته‌ای تأکید کرد و اظهار داشت که این روش‌ها به پژوهشگران امکان داده‌اند تا ارگانیسم‌های گوناگون را با جزئیات بی‌سابقه بررسی کنند.

یک گام رو به جلو

یافته‌های این گروه پژوهشی، جالب بودند. چن توضیح داد: ما دریافتیم که ریزقطره‌های پلی‌استر می‌توانند نمک‌ها را جذب کنند و نمک‌های گوناگون با سرعت‌های متفاوتی جذب می‌شوند. علاوه بر این، نمک‌ها در نزدیکی سطوح باردار قطره‌ها تجمع کردند که به خنثی‌سازی کلی بار سطح قطره‌ها منجر شد. به همین دلیل، قطرات پس از دفع کردن یکدیگر متوقف شدند و در عوض، ادغام شدن را آغاز کردند. این یک موضوع مهم است زیرا می‌تواند یکی از راه‌های رشد کردن ریز قطره‌های پلی‌استر اولیه را توضیح دهد که نشانه‌ای از زندگی است.

یافته‌های به دست آمده، این واقعیت را روشن می‌کنند که حتی تغییرات جزئی در جذب نمک می‌توانند به طور قابل توجهی بر ساختار این پروتوسل‌های احتمالی تأثیر بگذارند. همچنین این مشاهدات، یک توضیح بالقوه را برای شیمی‌های متنوع مشاهده‌شده در سیستم‌های ابتدایی ارائه می‌دهند که در محیط‌های آبی گوناگون پدیدار شدند؛ از آب شیرین گرفته تا آب‌های اقیانوسی و آب‌های شور زیر اقیانوس.

فراچیا گفت: ما هنوز در مورد شرایطی که به شکل‌گیری حیات می‌انجامند، اطلاعات کمی داریم و این فضای متغیر بسیار گسترده است. بنابراین، هر تلاشی که به آزمایش شرایط فیزیکی-شیمیایی اختصاص داده شود، می‌تواند به ما در ترسیم شرایط مرزی کمک کند و به هدایت جستجوی حیات در سایر بخش‌های کیهان بپردازد.

این پژوهش، در «Small Methods» به چاپ رسید.