نوشته

تقریباً چهار میلیارد سال پیش، زمین در حال فراهم کردن شرایط مناسبی برای حیات بود. دانشمندانِ پژوهشگرِ «منشأ حیات» (Origin of life) اغلب به این موضوع که آیا نوع واکنش‌های شیمیایی موجود در زمین پیش از حیات، شبیه به پیش‌نیازهای حیات امروزی بوده‌ است یا نه فکر می‌کنند. آن‌ها بر این باورند که مجموعه‌های کروی شکلِ چربی‌ها، که پروتوسل (Protocells) نامیده می‌شوند، پیش‌سازِ سلول‌ها در این روندِ پیدایشِ حیات بوده‌اند. اما این پرسش مطرح است که چگونه اولین پروتوسل‌های ساده به‌وجود آمدند و برای راهبرد حیات روی زمین، دچار چه تغییراتی شدند؟
اکنون دانشمندانِ موسسه‌ی اسکریپس ریسرچ (Scripps Research)، یکی از راه‌های قابل قبول برای شکل‌گیری و تکاملِ شیمیایی پروتوسل‌ها، که امکان ایجاد عملکردهای متنوع را فراهم می‌کند، کشف کرده‌اند.
این یافته‌ها که در 29 فوریه‌ی 2024 به صورت آنلاین در مجله‌ی Chem منتشر شده است، بیانگر این موضوع است که فرآیندِ شیمیایی فسفوریلاسیون (که در آن گروه‌های فسفات به مولکول اضافه می‌شوند) احتمالاً زودتر از آنچه که پیش‌بینی می‌شد اتفاق افتاده باشد. این فرآیند به پروتوسل‌های دو زنجیره‌ای پیچیده‌تر از نظر ساختاری منجر می‌گردد که قادر به ایجاد واکنش‌های شیمیایی و تقسیم شدن به مجموعه‌ای متنوع و کاربردی هستند. دانشمندان با کشف نحوه شکل گیری پروتوسل‌ها، می توانند به درک بهتری از چگونگی فرگشتِ اولیه حیات دست پیدا کنند.
به گفته‌ی دکتر رامانارایانات کریشنامورتی (Ramanarayanan Krishnamurthy)، نویسنده ارشدِ همکار و استاد گروه شیمی در مؤسسه تحقیقاتی اسکریپس «همه ما در مقطعی از زندگی به این فکر که از کجا آمده‌ایم، افتاده‌ایم. اکنون یک مسیر معقول کشف کرده‌ایم که نشان می‌دهد فسفات‌ها می‌توانستند خیلی زودتر از باورهای پیشین وارد ساختارهایی شبیه به سلول بشوند؛ یعنی همان واحدهای سازنده حیات. این کشف به ما کمک می‌کند تا محیطِ شیمیایی زمینِ پیش از حیات را بهتر درک کرده و خاستگاهِ حیات و نحوه فرگشت آن بر روی زمین را کشف کنیم».
دکتر کریشنامورتی و تیمِ او به مطالعه این موضوع می‌پردازند که چگونه فرآیندهای شیمیایی برای ایجاد کنش و واکنش‌های ساده‌ای که پیش از پیدایش حیات در زمینِ «پیشازیست» (life in prebiotic Earth) وجود داشته‌اند، اتفاق افتاده. کریشنامورتی همچنین یکی از رهبرانِ طرح پژوهشی اداره کل ملی هوانوردی و فضا (NASA) برای بررسی چگونگی پیدایش حیات از محیط‌های اولیه است.
در این مطالعه، کریشنامورتی و تیمش در همکاری با آزمایشگاه زیست‌-فیزیکدانِ ماده‌ی چگال ‌نرم، دکتر اشوک دنیز (Ashok Deniz) (نویسنده ارشد همکار و استاد گروه زیست‌شناسی ساختاری و محاسباتی یکپارچه اسکریپس ریسرچ)، به دنبال بررسی این موضوع بودند که آیا فسفات‌ها امکان اینکه در مراحل تشکیل پروتوسل‌ها نقش داشته باشند را دارند یا خیر. فسفات‌ها تقریباً در همه واکنش‌های شیمیایی بدن حضور دارند، بنابراین کریشنامورتی در نظر داشت که احتمالاً خیلی زودتر از گمانه‌زنی‌های پیشین در صحنه حاضر شده باشند.
دانشمندان پیش از این تصور می‌کردند که پروتوسل‌ها از اسیدهای چرب تشکیل شده‌اند، اما نحوه‌ گذار پروتوسل‌ها از یک زنجیره به یک زنجیره‌ی دوگانه از فسفات‌ها که به آن‌ها اجازه پایدارتر شدن و انجام واکنش‌های شیمیایی بیشتر را می‌دهد، مشخص نبود.
دانشمندان به دنبال بازسازی شرایط معقول پیشازیست (منظور محیطی است که پیش از پیدایش حیات وجود داشته) بودند. ابتدا، آن‌ها سه ترکیب شیمیایی که پتانسیل ایجاد وزیکول‌ها را داشتند، شناسایی کردند. وزیکول‌ها ساختارهای کروی از جنس لیپیدها هستند که به پروتوسل‌ها شباهت دارند. در این ترکیبات از اسیدهای چرب و گلیسرول (یک محصول جانبی رایج در فرآیند ساخت صابون که به احتمال زیاد در محیط اولیه زمین وجود داشته) استفاده شده بود. سپس، آن‌ها واکنش‌های بین این مخلوط‌ها را بررسی کردند و مواد شیمیایی جدیدی را برای ساخت ترکیبات تازه اضافه نمودند. این محلول‌ها به صورت متناوب در طول شب سرد و گرم می‌شدند ضمن اینکه کمی تکان داده می‌شدند تا واکنش‌های شیمیایی در آن فعال شوند.
سپس محققین برای بررسی ترکیبات و یافتن این موضوع که آیا وزیکول‌ها تشکیل شده‌اند یا خیر از رنگ‌های فلوئورسنت بهره گرفتند. علاوه بر این، محققان در مقدار پی‌اچ (pH) و نسبت اجزای سازنده نیز تغییرهایی ایجاد کردند تا درکی بنیادی‌تر از تاثیر این عوامل در ایجاد وزیکول بدست آورند. تاثیر یون‌های فلزی و دما روی پایداری وزیکول‌ها نیز مورد بررسی قرار گرفت.
سونیل پولتیکورتی (Sunil Pulletikurti)، پژوهشگر پسادکتری در آزمایشگاه کریشنامورتی و نویسنده‌ی اول این پژوهش می‌گوید: «وزیکول‌ها طی آزمایش‌های ما توانستند از یک محیط با اسیدهای چرب به محیطی با فسفولیپیدها مبدل شوند. این نشان می‌دهد که یک محیط شیمیایی مشابه ممکن است در چهار میلیارد سال پیش وجود داشته باشد».
به نظر می‌رسد که طی این فرآیند، اسیدهای چرب و گلیسرول دست‌خوش فسفریلاسیون (اضافه شدن گروه‌های فسفات) شده و در نتیجه آن ساختار پایدارتر دو زنجیره‌ای را ایجاد کرده‌ باشند. به طور دقیق‌تر، استرهای اسیدِ چربِ مشتق شده از گلیسرول ممکن است به پدید آمدن وزیکول‌هایی با سطحِ پایداری متفاوت در برابر یون‌های فلزی، دما و pH منجر شده باشند. این مورد گامی بسیار مهم در ایجاد تنوع زیستی و به دنبال آن فرگشت بوده است.
دکتر دنیز می‌گوید: «ما یک مسیر معقول را کشف کردیم که نشان می‌دهد چگونه فسفولیپیدها می‌توانستند طی این فرآیندِ تکاملیِ شیمیایی پدید بیایند. اینکه چطور مواد شیمیایی اولیه زمینه‌ساز پیدایش حیات شده‌اند به‌راستی بسیار هیجان‌انگیز است. یافته‌های ما همچنین به مجموعه‌ای غنی از پدیده‌های فیزیکی اشاره دارد که شاید نقشی کلیدی در عملکردهای اولیه‌ی‌ مسیرِ شکل‌گیری سلول‌های مدرن داشته‌اند».
دانشمندان در گامِ بعدی قصد دارند دلیل اینکه چرا برخی وزیکول‌ها تجمیع و برخی دیگر تقسیم شده‌اند را بررسی کنند تا فرآیندهای پویای حیات در پروتوسل‌ها را بهتر درک نمایند.