ربما تم العثور على قطعة مفقودة من الجدول الزمني التطوري للأرض. باستخدام النمذجة الحاسوبية، اكتشف فريق من العلماء كيف يمكن أن يساعد العمل العكسي من الكيمياء الحيوية الحديثة في رسم خريطة لمدى وجود المواد الكيميائية غير الحية البسيطة في وقت مبكر من الحياة. أرض أدت إلى ظهور جزيئات معقدة أدت إلى ظهور الحياة كما نعرفها.
يعتقد الباحثون أن عملية الأيض الحديثة – العمليات البيوكيميائية التي تحافظ على الحياة والتي تحدث داخل الكائنات الحية – تطورت من البيئة الجيوكيميائية البدائية للأرض القديمة، بالاعتماد على المواد ومصادر الطاقة المتاحة. على الرغم من أنها فكرة مثيرة للاهتمام، إلا أن الأدلة على الانتقال من الكيمياء الجيولوجية البدائية إلى الكيمياء الحيوية الحديثة لا تزال مفقودة.
قدمت دراسات النمذجة السابقة رؤى قيمة، لكنها واجهت دائمًا عقبة: فقد فشلت نماذجها لتطور عملية التمثيل الغذائي باستمرار في إنتاج العديد من الجزيئات المعقدة التي تستخدمها الحياة الحديثة – والسبب غير واضح.
متعلق ب: الصخور القديمة تحمل دليلاً على المجال المغناطيسي للأرض هذا هو السبب في أن هذا محير
ومن الجدير بالذكر أن هناك عدم يقين يحيط بالاستمرارية في هذا الجدول الزمني الأيضي، وتحديدًا مدى اختفاء العمليات البيوكيميائية القديمة على مر الزمن. وقت شكلت عمليات التمثيل الغذائي التي نعرفها اليوم.
“على وجه الخصوص، تم استدعاء التفاعلات الكيميائية التي لا علاقة لها بالكيمياء الحيوية كخطوات مفقودة في مسارات التخليق الحيوي المبكرة، مما يشير إلى أن سجلات هذه التحولات الكيميائية قد ضاعت طوال تاريخ التطور”، هذا ما قاله فريق الدراسة من معهد طوكيو للتكنولوجيا ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. كتب معهد التكنولوجيا في ورقة تصف الحلقة المفقودة الجديدة. “لا يزال من غير الواضح إلى أي مدى تعتبر الكيمياء الحيوية “المنقرضة” ضرورية لتمكين توليد عملية التمثيل الغذائي الحديثة من بيئات الأرض المبكرة.”
لغز التمثيل الغذائي
ولحل هذا اللغز، سعى العلماء إلى وضع نموذج للمسارات التطورية المحتملة التي يمكن أن تأخذ عملية التمثيل الغذائي الحديثة من أسلافها على الأرض إلى يومنا هذا. لذلك استكشفوا التطور الكيميائي الحيوي على مستوى المحيط الحيوي، أي على نطاق النظام البيئي بأكمله، والتأثيرات والعوامل المتكاملة مثل البيئات الجيوكيميائية والغلاف الجوي، وكذلك كيفية تفاعل الكائنات الحية.
“لقد تم الافتراض منذ فترة طويلة أن جذور الكيمياء الحيوية تكمن في الكيمياء الجيولوجية للأرض المبكرة،” شون جوردان، أستاذ مشارك في الكيمياء الجيولوجية الحيوية والكيمياء الحيوية للأرض. علم الأحياء الفلكية في جامعة مدينة دبلن، الذي لم يشارك في الدراسة، لموقع Space.com. “إن الاقتراح القائل بأن بقايا المسارات الأيضية القديمة قد تكون مخفية في المحيط الحيوي الحديث، ولم يتم اكتشافها بعد، هو أمر رائع ومثير.”
استخدم الفريق قاعدة بيانات موسوعة كيوتو للجينات والجينوم، والتي قامت بفهرسة ما يزيد قليلاً عن 12000 تفاعل كيميائي حيوي، كمستودع للنموذج لجميع التفاعلات الكيميائية الحيوية المحتملة التي يمكن أن تحدث وتطورت خلال الجدول الزمني المدروس. ثم قام الباحثون بمحاكاة توسع شبكة التفاعل الكيميائي بدءًا من مجموعة من المركبات الأولية التي كان من الممكن العثور عليها في وقت مبكر من الأرض. وشملت هذه المعادن المختلفة والجزيئات غير العضوية، مثل الحديد وكبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون والأمونيا، بالإضافة إلى الركائز العضوية التي يمكن أن تكون قد تشكلت من خلال تفاعلات تثبيت الكربون القديمة.
وقال جوردان: “يبدو أن استخدام خوارزمية توسيع الشبكة لتتبع المسار من الكيمياء الجيولوجية المبكرة إلى شبكات التمثيل الغذائي المعقدة هو نهج قوي ومتكرر لهذه المسألة”.
ومع ذلك، كما هو الحال مع تجارب النمذجة الأخرى، فشل نموذج الباحثين في البداية في إعادة إنتاج حتى جزء صغير من الجزيئات المستخدمة في العمليات الكيميائية الحيوية الحديثة، مما ترك الغالبية العظمى منها غير قابلة للوصول من مركبات البذور. بافتراض أن هذه النتائج كانت محدودة لأن مجموعة البيانات تضمنت فقط التفاعلات الكيميائية الحيوية المعروفة والمفهرسة، قام الباحثون بتوسيع قاعدة بيانات كيوتو لتشمل مجموعة من التفاعلات الكيميائية الحيوية الافتراضية أيضًا، مضيفين 20183 مسارًا جديدًا.
أدى تكرار التجربة مع مجموعة التفاعل الموسعة هذه إلى زيادة طفيفة فقط في النطاق، “مما يشير إلى أنه لا الكيمياء الحيوية المفهرسة أو المتوقعة حاليًا تحتوي على التحولات المطلوبة للوصول إلى الغالبية العظمى من المستقلبات المعروفة.”
لاحظ المؤلفون أنه لم يتم العثور على مقدمة رئيسية لفئة من المركبات تسمى البيورينات، والتي تعتبر لبنات بناء مهمة للجزيئات البيولوجية مثل الحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA)، في نطاق توسع النموذج. في الواقع، أدى الاختبار السريع الذي تمت فيه إضافة الأدينين، وهو أحد مشتقات البيورين الشائعة، إلى مجموعة مركبات البذور إلى زيادة بنسبة 50٪ تقريبًا في عدد الجزيئات الحيوية الحديثة التي كان النموذج قادرًا على التنبؤ بها.
وأكدت المزيد من التجارب ما أسماه المؤلفون “عنق الزجاجة البيورين”، والذي يبدو أنه يمنع ظهور عملية التمثيل الغذائي من السلائف الجيوكيميائية في النموذج. يبدو أن المشكلة مرتبطة بمجموعة بيانات التفاعلات الكيميائية الحيوية الحديثة، حيث يكون إنتاج البيورينات، مثل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، تحفيزًا ذاتيًا. وهذا يعني أن الخطوات المتعددة في المسار الاصطناعي لـ ATP تتطلب ATP نفسه – بدون ATP، لا يمكن إنشاء ATP جديد. كان هذا التدوير الذاتي يتسبب في وصول النموذج إلى طريق مسدود.
ولحل عنق الزجاجة، افترض العلماء أن هذا الاعتماد على التحفيز الذاتي ربما كان أكثر “استرخاءً” في المسارات الأيضية البدائية حيث أن الدور الذي يلعبه ATP حاليًا يمكن أن يتم تنفيذه بواسطة جزيئات غير عضوية تُعرف باسم متعدد الفوسفات. من خلال استبدال ATP في تفاعلات قاعدة البيانات (ثمانية فقط في المجموع تتطلب هذا التغيير)، يمكن تحقيق جميع عمليات الأيض الأساسية المعاصرة تقريبًا.
قصص ذات الصلة:
– يمكن أن يؤثر الحطام الناتج عن حرق الأقمار الصناعية على المجال المغناطيسي للأرض
– ناسا تنهي مهمة CloudSat لمراقبة الأرض بعد 18 عامًا
— 365 يومًا من صور الأقمار الصناعية تظهر تغير فصول الأرض من الفضاء (فيديو)
وقال هاريسون سميث، أحد مؤلفي الدراسة، في تقرير له: “قد لا نعرف بالضبط، لكن بحثنا أسفر عن دليل مهم: هناك حاجة إلى ثمانية تفاعلات جديدة فقط، كلها تذكرنا بالتفاعلات الكيميائية الحيوية الشائعة، لسد الفجوة بين الكيمياء الجيولوجية والكيمياء الحيوية”. بيان صحفي. “هذا لا يثبت أن مساحة الكيمياء الحيوية المفقودة صغيرة، لكنه يظهر أنه حتى التفاعلات التي انقرضت يمكن إعادة اكتشافها من خلال القرائن التي خلفتها الكيمياء الحيوية الحديثة.”
“السؤال الكبير الذي لا يزال دون إجابة هو ما إذا كان بإمكاننا أن نثبت تجريبيًا أن الخطوات من الكيمياء الجيولوجية إلى الكيمياء الحيوية ممكنة باتباع مسار مثل هذا”. [this]وأضاف جوردان. “يجب أن تشجع هذه النتائج الآخرين في هذا المجال على مواصلة التحقيق في هذا التحول. إنه يبين لنا أن مخطط الكيمياء الذي أدى إلى ظهور الحياة يمكن العثور عليه في الكيمياء الحيوية الموجودة.”
كانت الدراسة نشرت في مارس في مجلة علم البيئة الطبيعية والتطور.