مليارات السنين من التطور جعلت الخلايا الحديثة معقدة بشكل لا يصدق. توجد داخل الخلايا حجرات صغيرة تسمى العضيات التي تؤدي وظائف محددة ضرورية لبقاء الخلية وعملها. على سبيل المثال، تخزن النواة المادة الوراثية، وتنتج الميتوكوندريا الطاقة.
جزء أساسي آخر من الخلية هو الغشاء الذي يحيط بها. تتحكم البروتينات الموجودة على سطح الغشاء في حركة المواد داخل وخارج الخلية. سمح هذا الهيكل الغشائي المتطور بتعقيد الحياة كما نعرفها. ولكن كيف تمكنت الخلايا الأقدم والأبسط من تجميع كل هذه العناصر معًا قبل أن تتطور الهياكل الغشائية المعقدة؟
في بحثنا المنشور مؤخرًا في مجلة Science Advances، استكشفت أنا وزملائي من جامعة شيكاغو وجامعة هيوستن احتمالًا رائعًا بأن مياه الأمطار لعبت دورًا حاسمًا في تثبيت الخلايا المبكرة، مما يمهد الطريق لتعقيد الحياة.
أصل الحياة
أحد الأسئلة الأكثر إثارة للاهتمام في العلوم هو كيف بدأت الحياة على الأرض. لقد تساءل العلماء منذ فترة طويلة عن كيفية تحول المواد غير الحية مثل الماء والغازات والرواسب المعدنية إلى خلايا حية قادرة على التكاثر والتمثيل الغذائي والتطور.
أجرى الكيميائيان ستانلي ميلر وهارولد أوري في جامعة شيكاغو تجربة في عام 1953 أظهرتا أن المركبات العضوية المعقدة – أي الجزيئات المعتمدة على الكربون – يمكن تصنيعها من مركبات عضوية وغير عضوية أبسط. باستخدام الماء والميثان والأمونيا وغازات الهيدروجين والشرر الكهربائي، قام هؤلاء الكيميائيون بتكوين الأحماض الأمينية.
يعتقد العلماء أن أقدم أشكال الحياة، والتي تسمى الخلايا الأولية، نشأت تلقائيًا من جزيئات عضوية كانت موجودة في الأرض المبكرة. من المحتمل أن تكون هذه الهياكل البدائية الشبيهة بالخلايا مكونة من مكونين أساسيين: مادة مصفوفة توفر إطارًا هيكليًا ومادة وراثية تحمل تعليمات للخلايا الأولية لتعمل.
مع مرور الوقت، تطورت هذه الخلايا الأولية تدريجيًا قدرتها على تكرار وتنفيذ العمليات الأيضية. هناك شروط معينة ضرورية لحدوث التفاعلات الكيميائية الأساسية، مثل وجود مصدر طاقة ثابت، والمركبات العضوية، والماء. توفر الأجزاء المكونة من مصفوفة وغشاء بيئة مستقرة يمكنها تركيز المواد المتفاعلة وحمايتها من البيئة الخارجية، مما يسمح بحدوث التفاعلات الكيميائية اللازمة.
ومن ثم، ينشأ سؤالان حاسمان: ما هي المواد التي كانت مصنوعة من مصفوفة وغشاء الخلايا الأولية؟ وكيف مكنوا الخلايا المبكرة من الحفاظ على الاستقرار والوظيفة التي احتاجتها للتحول إلى الخلايا المتطورة التي تشكل جميع الكائنات الحية اليوم؟
فقاعات مقابل قطرات
يقترح العلماء أن نموذجين متميزين من الخلايا الأولية – الحويصلات والتضافر – ربما لعبا دورًا محوريًا في المراحل المبكرة من الحياة.
الحويصلات عبارة عن فقاعات صغيرة، مثل الصابون في الماء. وهي مصنوعة من جزيئات دهنية تسمى الدهون والتي تشكل بشكل طبيعي صفائح رقيقة. تتشكل الحويصلات عندما تلتف هذه الصفائح إلى كرة يمكنها تغليف المواد الكيميائية وحماية التفاعلات المهمة من البيئة القاسية والتدهور المحتمل.
مثل جيوب الحياة المصغرة، تشبه الحويصلات بنية ووظيفة الخلايا الحديثة. ومع ذلك، على عكس أغشية الخلايا الحديثة، كانت الخلايا الأولية الحويصلية تفتقر إلى البروتينات المتخصصة التي تسمح بشكل انتقائي للجزيئات بالدخول إلى الخلية والخروج منها وتمكين الاتصال بين الخلايا. وبدون هذه البروتينات، ستكون قدرة الخلايا الأولية الحويصلية محدودة على التفاعل بفعالية مع البيئة المحيطة بها، مما يحد من قدرتها على الحياة.
ومن ناحية أخرى، فإن الكوسرفات هي قطرات تتكون من تراكم الجزيئات العضوية مثل الببتيدات والأحماض النووية. وهي تتشكل عندما تلتصق الجزيئات العضوية ببعضها البعض بسبب الخواص الكيميائية التي تجذبها لبعضها البعض، مثل القوى الكهروستاتيكية بين الجزيئات المشحونة بشكل متضاد. هذه هي نفس القوى التي تسبب التصاق البالونات بالشعر.
يمكن للمرء أن يتصور التبلور على شكل قطرات من زيت الطهي معلقة في الماء. على غرار قطرات الزيت، تفتقر الخلايا الأولية المتماسكة إلى غشاء. بدون غشاء، يمكن للمياه المحيطة أن تتبادل المواد بسهولة مع الخلايا الأولية. تساعد هذه الميزة الهيكلية على تركيز المواد الكيميائية وتسريع التفاعلات الكيميائية، مما يخلق بيئة صاخبة لوحدات بناء الحياة.
وهكذا، يبدو أن عدم وجود غشاء يجعل من التعميقات مرشحًا أفضل للخلايا الأولية من الحويصلات. ومع ذلك، فإن الافتقار إلى الغشاء يمثل أيضًا عيبًا كبيرًا: إمكانية تسرب المادة الوراثية.
الخلايا الأولية غير المستقرة والمتسربة
بعد سنوات قليلة من اكتشاف الكيميائيين الهولنديين لقطرات التضافر في عام 1929، اقترح عالم الكيمياء الحيوية الروسي ألكسندر أوبارين أن التسرفت كان أول نموذج للخلايا الأولية. لقد جادل بأن القطرات المتماسكة قدمت شكلاً بدائيًا من التقسيم الضروري لعمليات التمثيل الغذائي المبكرة والتكاثر الذاتي.
بعد ذلك، اكتشف العلماء أن الكوسرفات يمكن أن تتكون في بعض الأحيان من بوليمرات مشحونة بشكل معاكس: جزيئات طويلة تشبه السلسلة تشبه السباغيتي على المستوى الجزيئي، وتحمل شحنات كهربائية معاكسة. عندما يتم خلط البوليمرات ذات الشحنات الكهربائية المتضادة، فإنها تميل إلى جذب بعضها البعض والالتصاق معًا لتكوين قطرات بدون غشاء.
يمثل غياب الغشاء تحديًا: تندمج القطرات بسرعة مع بعضها البعض، على غرار قطرات الزيت الفردية في الماء التي تنضم إلى فقاعة كبيرة. علاوة على ذلك، فإن عدم وجود غشاء سمح للحمض النووي الريبي (RNA) – وهو نوع من المواد الجينية التي يُعتقد أنها الشكل الأقدم للجزيء الذاتي التكاثر، وهو أمر بالغ الأهمية للمراحل المبكرة من الحياة – بالتبادل السريع بين الخلايا الأولية.
أظهر زميلي جاك زوستاك في عام 2017 أن الاندماج السريع وتبادل المواد يمكن أن يؤدي إلى خلط غير منضبط للحمض النووي الريبي (RNA)، مما يجعل من الصعب تطور تسلسلات جينية مستقرة ومتميزة. يشير هذا القيد إلى أن المترابطات قد لا تكون قادرة على الحفاظ على التقسيم الضروري للحياة المبكرة.
التقسيم هو مطلب صارم للانتقاء الطبيعي والتطور. إذا اندمجت الخلايا الأولية المتماسكة باستمرار، واختلطت جيناتها بشكل مستمر وتبادلت مع بعضها البعض، فسوف تشبه جميعها بعضها البعض دون أي اختلاف جيني. وبدون التنوع الجيني، لن يكون لأي خلية أولية واحدة احتمالية أكبر للبقاء والتكاثر ونقل جيناتها إلى الأجيال القادمة.
لكن الحياة اليوم تزدهر بمجموعة متنوعة من المواد الوراثية، مما يشير إلى أن الطبيعة قد حلت هذه المشكلة بطريقة أو بأخرى. وبالتالي، كان لا بد من وجود حل لهذه المشكلة، وربما يكون مختبئًا على مرأى من الجميع.
مياه الأمطار والحمض النووي الريبي
أظهرت دراسة أجريتها في عام 2022 أن قطرات التحمض يمكن تثبيتها وتجنب الاندماج إذا تم غمرها في الماء منزوع الأيونات – الماء الخالي من الأيونات والمعادن الذائبة. تقوم القطرات بإخراج أيونات صغيرة إلى الماء، مما يسمح على الأرجح للبوليمرات المشحونة بشكل معاكس الموجودة على المحيط بالاقتراب من بعضها البعض وتشكيل طبقة جلدية شبكية. هذا “الجدار” الشبكي يعيق بشكل فعال اندماج القطرات.
بعد ذلك، قمت مع زملائي والمتعاونين، بما في ذلك ماثيو تيريل وجاك زوستاك، بدراسة تبادل المواد الوراثية بين الخلايا الأولية. وضعنا مجموعتين منفصلتين من الخلايا الأولية، تمت معالجتهما بالماء منزوع الأيونات، في أنابيب الاختبار. واحدة من هذه المجموعات تحتوي على الحمض النووي الريبي (RNA). عندما تم خلط المجموعتين، بقي الحمض النووي الريبي (RNA) محصوراً في الخلايا الأولية الخاصة بكل منهما لعدة أيام. تمنع “الجدران” الشبكية للخلايا الأولية الحمض النووي الريبي (RNA) من التسرب.
في المقابل، عندما قمنا بخلط الخلايا الأولية التي لم تتم معالجتها بالماء منزوع الأيونات، انتشر الحمض النووي الريبي (RNA) من خلية أولية إلى أخرى خلال ثوانٍ.
مستلهمًا هذه النتائج، تساءل زميلي علمجير كريم عما إذا كان من الممكن لمياه الأمطار، وهي مصدر طبيعي للمياه الخالية من الأيونات، أن تفعل الشيء نفسه في عالم ما قبل الحيوية. مع زميل آخر، أنوشا فونتيدو، وجدت أن مياه الأمطار تعمل بالفعل على تثبيت الخلايا الأولية ضد الاندماج.
ونعتقد أن المطر ربما مهد الطريق للخلايا الأولى.
العمل عبر التخصصات
تتناول دراسة أصول الحياة الفضول العلمي حول الآليات التي أدت إلى الحياة على الأرض والأسئلة الفلسفية حول مكاننا في الكون وطبيعة الوجود.
حاليًا، يتعمق بحثي في بداية تكاثر الجينات في الخلايا الأولية. وفي غياب البروتينات الحديثة التي تصنع نسخاً من الجينات داخل الخلايا، كان عالم ما قبل التكوين الحيوي يعتمد على تفاعلات كيميائية بسيطة بين النيوكليوتيدات ــ اللبنات الأساسية للمادة الوراثية ــ لعمل نسخ من الحمض النووي الريبي. إن فهم كيفية تجمع النيوكليوتيدات معًا لتكوين سلسلة طويلة من الحمض النووي الريبوزي (RNA) يعد خطوة حاسمة في فك رموز التطور قبل الحيوي.
لمعالجة السؤال العميق حول أصل الحياة، من الضروري فهم الظروف الجيولوجية والكيميائية والبيئية على الأرض المبكرة منذ حوالي 3.8 مليار سنة. ومن ثم، فإن الكشف عن بدايات الحياة لا يقتصر على علماء الأحياء. يستكشف المهندسون الكيميائيون مثلي، والباحثون من مختلف المجالات العلمية، هذا السؤال الوجودي الآسر.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: أمان أغراوال، كلية الهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو بريتزكر
اقرأ المزيد:
لا يعمل Aman Agrawal في أي شركة أو مؤسسة أو يستشيرها أو يمتلك أسهمًا فيها أو يتلقى تمويلًا منها قد تستفيد من هذه المقالة، ولم يكشف عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينه الأكاديمي.