لعقود ، احتلت نظرية أصل الحياة مع الحمض النووي الريبي في الدور القيادي مكانة رائدة. يمكن أن يهز بحث جديد الثقة في أصل الحياة بناءً على هذه النظرية.
تدعي نظرية شائعة أن الحياة جاءت من حساء غني بالكيماويات بدأ فيه الحمض النووي الريبي في إعادة إنتاج نفسه. ولكن قد يكون توليفة من الببتيدات والرنا أكثر فعاليةقبل أربعة مليارات سنة ، تدور في حساء الأرض الكيميائي من عصور ما قبل التاريخ ، ظهرت أولى السلائف الجزيئية للحياة. على الرغم من أن التعريف الدقيق لهذه الجزيئات يظل موضوعًا للجدل الغاضب ، يتفق العلماء على أن هذه الجزيئات تحتاج إلى تنفيذ إجراءين رئيسيين: حفظ المعلومات وتحفيز التفاعلات الكيميائية. تنقل الخلايا الحديثة هذه السلطات ، على التوالي ، إلى الحمض النووي وبروتيناته - ولكن وفقًا للتفسير الشائع السائد في الدراسات الحديثة لأصل كتب الحياة والبيولوجيا ،
كان الحمض النووي الريبي هو أول من لعب هذا الدور ، مما يمهد الطريق للحمض النووي والبروتينات التي استولت على هذه الواجبات لاحقًا.
تعتبر هذه الفرضية ، التي تم اقتراحها في الستينيات والتي أطلق عليها اسم "
عالم الحمض النووي الريبي " بعد عقدين ، هي التفسير الأكثر ترجيحًا لبداية الحياة. هناك أيضًا "عوالم" بديلة كافية ، لكنها تُعتبر عادةً نظريات احتياطية ، ورحلات وهمية للخيال وتجارب فكرية غريبة.
أساسا لأن فرضية العالم RNA مدعومة من قبل عدد كبير من الأدلة التجريبية مما اكتسبه منافسوها. في الشهر الماضي ،
أبلغنا عن نظرية بديلة ، والتي بموجبها يمكن أن تكون الجزيئات الشبيهة بالبروتين هي أول جزيئات ذاتية التكاثر بدلاً من الحمض النووي الريبي. لكن هذه النتائج كانت حاسوبية بحتة - ثم بدأ الباحثون للتو تجارب بحثًا عن أدلة لصالح أقوالهم.
الآن ، طرح باحثان نظرية أخرى - هذه المرة تنطوي على التطور المشترك لل RNA
والببتيدات - والتي يأملون أن تهز أسس عالم RNA.
لماذا كان الحمض النووي الريبي مفقودًا
تصف الأبحاث الحديثة المنشورة في مجلات
النظم الحيوية والبيولوجيا الجزيئية والتطور تخطيطيًا دليلًا على أن فرضية عالم الرنا لا تقدم أدلة كافية على الأحداث التطورية اللاحقة. بدلاً من ذلك ، يقول
تشارلز كارتر ، عالم الأحياء البنيوي في جامعة نورث كارولينا ، أحد مؤلفي العمل ، يقدم نموذجهم اقتراحًا مناسبًا. ويضيف قائلاً: "لم يكن باستطاعة بوليمر واحد على الإطلاق تنفيذ جميع العمليات اللازمة لما يميزنا الآن كجزء من الحياة".
تشارلز كارتر ، عالم الأحياء الهيكلية ، جامعة نورث كاروليناوهذا البوليمر الوحيد لا يمكن أن يكون حمض نووي ريبي ، وفقًا للدراسات التي أجراها فريقه. الاعتراض الرئيسي على هذا الجزيء هو
الحفز : أظهرت بعض الدراسات أنه لكي تبدأ الحياة في العمل ، يحتاج البوليمر الغامض إلى أن يكون قادرًا على تنسيق معدل التفاعلات الكيميائية التي يمكن أن تسير بسرعات متفاوتة في الحجم بمقدار 20 مرتبة من حيث الحجم. حتى إذا تمكن الرنا بطريقة أو بأخرى من القيام بذلك في عالم ما قبل علم الأحياء ، فإن قدراته كمحفز كان يجب أن تتكيف مع درجات الحرارة المحترقة - من الدرجة 100 درجة مئوية - التي سادت على الأرض المبكرة. عندما بدأ الكوكب يبرد ، لم يتمكن الحمض النووي الريبي ، وفقًا لكارتر ، من التطور والحفاظ على التزامن أكثر. سوف ينهار سيمفونية التفاعلات الكيميائية قريبًا.
على الأرجح ، والأهم من ذلك ، لا يفسر العالم الذي يحتوي على RNA وحده مظهر الشفرة الجينية التي تستخدمها الغالبية العظمى من الكائنات الحية اليوم لنقل المعلومات الجينية إلى البروتينات. يأخذ الكود كل تسلسل ممكن من الحمض النووي الريبي لـ 64 trinucleotide ويجمعها مع أحد الأحماض الأمينية العشرين المستخدمة لإنشاء البروتينات. يقول بيتر ويلز ، المؤلف المشارك لكارتر من جامعة أوكلاند في نيوزيلندا - إن اختيار مجموعة من القواعد التي يمكن الاعتماد عليها بما يكفي لإنجاز مثل هذه المهمة سيستغرق الكثير من الوقت لوحدة الحمض النووي الريبي وحدها. يبدو من غير المحتمل بالنسبة له. من وجهة نظر ويلز ، يمكن أن يصبح الحمض النووي الريبي محفزًا لتشكيله الخاص ، مما يجعله "انعكاسيًا كيميائيًا" ، لكنه يفتقر إلى "الانعكاسية الحسابية".
بيتر ويلز ، فيزيائي حيوي بجامعة أوكلاند بنيوزيلنداقال ويلز: "إن النظام الذي يستخدم المعلومات بالطريقة التي تستخدم بها الكائنات الحية المعلومات الوراثية - لتجميع مكوناتها - يجب أن يحتوي على معلومات عاكسة". المعلومات الانعكاسية ، بحكم تعريفها ، هي تلك المعلومات التي "يتم ترميزها في النظام ، تخلق المكونات التي تنفذ هذا التشفير الخاص." وأضاف أن الحمض النووي الريبي من فرضية عالم الحمض النووي الريبي هو كيمياء بسيطة لأنها غير قادرة على التحكم في كيميائها. قال: "إن عالم RNA لا يخبرك بأي شيء عن علم الوراثة".
كانت الطبيعة بحاجة إلى إيجاد طريقة أخرى ، وهي أفضل اختصار لإنشاء الشفرة الجينية. يعتقد كارتر وويلز أنهما افتتحا هذا الطريق المختصر. يعتمد ذلك على حلقة تغذية مرتدة صغيرة لن تنمو فقط من الحمض النووي الريبي ، ولكنها يمكن أن تنشأ من مجموعة من الببتيدات والحمض النووي الريبي.
جلب الببتيدات للعمل
وجد كارتر تلميحات عن هذا المجمع في منتصف السبعينيات عندما علم في المعهد أن بعض الهياكل الموجودة في معظم البروتينات "يمينية". يمكن تنظيم الذرات في الهياكل بطريقتين متكافئتين ، تختلف بشكل خاص عن بعضها البعض ، ولكن جميع الهياكل تستخدم طريقة واحدة فقط. معظم
الأحماض النووية التي يتكون منها DNA و RNA يمينية أيضًا. بدأ كارتر في اعتبار الحمض النووي الريبي وعديد الببتيدات بمثابة هياكل تكميلية ، وصمم نموذجًا مركبًا "تم إنشاؤها فيه لبعضها البعض ، مثل اليد والقفاز".
وهذا يعني إمكانية التشفير الأولي ، وهو الأساس لتبادل المعلومات بين الحمض النووي الريبي وعديد الببتيدات. لقد عمل على رسوم تخطيطية لكيفية ظهور هذه العملية ، واستقراء من رمز وراثي حديث أكثر تعقيدًا. عندما اكتسبت الفرضية ، التي كانت تسمى "عالم الحمض النووي الريبي" في عام 1986 ، شعبية ، كان كارتر ، باعترافه ، غير مستقر. بدا له أن عالم الببتيدات والرنا ، الذي تم اقتراحه قبل عشر سنوات ، قد تم تجاهله تمامًا.
ومنذ ذلك الحين ، تعاون هو وويلز وآخرون على نظرية تعود إلى تلك الدراسة. كان هدفهم الرئيسي هو استنتاج أبسط كود وراثي يسبق الحديث ، الأكثر تحديدًا وتعقيدًا. لذلك ، تحولوا ليس فقط إلى الحسابات ، ولكن أيضًا إلى علم الوراثة.
وتستند نظريتهم على 20 جزيء "حمولة" ،
تركيب صناعي aminoacyl-tRNA . تسمح هذه الإنزيمات الحفزية للـ RNA بالارتباط ببعض الأحماض الأمينية وفقًا لقواعد الشيفرة الجينية. تقول جيني هوفمير ، عالمة الكيمياء الحيوية بجامعة ستيلينبوش بجنوب أفريقيا ، التي لم تشارك في الدراسة: "بمعنى ما ، الشفرة الجينية مكتوبة في ملامح النقاط النشطة" لهذه الإنزيمات.
أظهرت الدراسات السابقة أن 20 إنزيمًا يمكن تقسيمها بالتساوي إلى مجموعتين من 10 قطع بناءً على تركيبها وتسلسلها. تحتوي هاتان الفئتان من الإنزيمات على تسلسلات معينة ترميز الأحماض الأمينية الحصرية المتبادلة - أي أن هذه الإنزيمات كان يجب أن تظهر من السلاسل التكميلية لجين قديم. وجد كارتر وويلز وزملاؤه أنه في هذه الحالة ، قام RNA بتشفير الببتيدات باستخدام مجموعة من قاعدتين فقط (أو بعبارة أخرى ، استخدم نوعان من الأحماض الأمينية). حافظت الببتيدات الناتجة على نفس القواعد التي تحكم عملية الإرسال ، والتي تخلق حلقة تغذية مرتدة رئيسية لهذه النظرية.
العالم الببتيد الحمض النووي الريبي
يمكن أن تنشأ الحياة من تفاعل الحمض النووي الريبي والببتيدات التي كانت بمثابة أول رمز وراثي. من شأن حلقة التفاعل ذات الاكتفاء الذاتي أن تخلق إنزيمات عن طريق الاختيار من بين نوعين فقط من الأحماض الأمينية بدلاً من الأنواع العشرين الموجودة في البروتينات الحديثة.
1) يتزامن "تحميل الإنزيمات" مع تسلسل القواعد في الحمض النووي الريبي ويساعد على إنشاء سلاسل من الببتيدات من الأحماض الأمينية المرتبطة من الفئة الأولى (الحمراء) والثانية (الخضراء)
2) طي سلاسل الببتيد إلى أشكال وظيفية
3) اعتمادًا على شكل السلسلة ، يتم اختيار الأحماض الأمينية من الدرجة الأولى أو الثانية وتصبح إنزيمات حمولة نشطة.
4) تتفاعل الإنزيمات مع RNA وتوصل الأحماض الأمينية إلى سلاسل التشكيلنظرية جودل وكيمياء الحياة
يرى كارتر الكثير من أوجه التشابه بين هذه الحلقة والحلقة في الرياضيات التي وصفها الفيلسوف وعالم الرياضيات
كورت جودل ، التي تفترض نظرية عدم الاكتمال أن العبارات التي لا يمكن إثباتها أو دحضها بواسطة هذا النظام نفسه ستظهر بالضرورة في أي نظام منطقي. قال كارتر: "أعتقد أن القياس مع نظرية جودل يوفر حجة قوية جدًا للحتمية".
في الأعمال الأخيرة ، أظهر كارتر وويلز أن عالمهم من الببتيدات RNA يحل مشاكل الثغرات في تاريخ أصل الحياة التي لا يستطيع تفسيرها إلا RNA واحد. قال هوفمير: "إنهم يقدمون أدلة نظرية وتجريبية موثوقة على أن الحمض النووي الريبي والببتيدات قد شاركا في توليد الشفرة الجينية منذ البداية ، وأن التمثيل الغذائي ، الخلق من خلال النسخ ، النقل والتكاثر ، كان يجب أن يتطوران معًا".
بالطبع ، يبدأ نموذج كارتر ويلز بشفرة وراثية ، ينطوي وجودها على تفاعلات كيميائية معقدة ، والتي تشمل جزيئات مثل نقل الحمض النووي الريبي وإنزيمات الحمل. يدعي الباحثون أنه في الأحداث التي سبقت السيناريو المقترح ، تم إشراك تفاعل الحمض النووي الريبي والببتيدات. ومع ذلك ، يترك هذا الافتراض الكثير من الأسئلة المفتوحة حول كيفية بدء هذه الكيمياء وكيف تبدو.
للإجابة على هذه الأسئلة ، هناك العديد من النظريات التي تتجاوز عالم الحمض النووي الريبي. حتى أن بعض العلماء يتخذون النهج المعاكس لمنهج كارتر وويلز: فهم يعتقدون أن المراحل الأولى من تطور الحياة لا تشبه بالضرورة الكيمياء الموجودة اليوم.
يقدم دورون لانسيت ، باحث الجينوم في معهد ويزمان للعلوم في إسرائيل ، نظرية بديلة قائمة على تجميع الدهون التي تحفز دخول وخروج الجزيئات المختلفة. لا يتم نقل المعلومات عن طريق التسلسلات الجينية ، ولكن عن طريق تركيبات الدهون.
مثل نموذج كارتر ويلز ، لا تتضمن فكرة لانسيت نوعًا واحدًا من الجزيء ، ولكن عددًا كبيرًا منها. يقول لانسيت: "يتم جمع المزيد والمزيد من الأدلة ، القادرة على تأكيد هذه الفرضية البديلة". حتى الآن ، لم يقرر العلماء ما حدث بالضبط في أصول الحياة ، ولكن ، على ما يبدو ، بدأوا في الابتعاد عن التاريخ الذي يوجد فيه RNA واحد حصريًا. قال هوفمير: "نحتاج فقط إلى وضع بضع بيضات في سلة الحمض النووي الريبي".