از سال‌ها پيش دانشمندان مي‌دانستند که حيات از وقتي آغاز به شکل‌گيري کرده است که يک مولکول توانسته از روي خودش کپي تهيه کند. عمل همانندسازي سلولي آن گونه که پژوهشي در 50 سال پيش، پرده از راز آن برداشت، با تکثير RNAها آغاز شد. آر.ان.اي ساختاري مشابه پروتئين‌ها دارد، اما با يک تفاوت آشکار که آنها بسيار ساده و فاقد پيچيدگي‌هاي ذاتي پروتئين‌ها هستند. آر.ان.اي در ذخيره اطلاعات به خوبي DNA عمل نمي‌کند و ثبات کمتري دارد، حوزه عملکردش مثل پروتئين‌ها گسترده نيست، اما به عنوان يک ابزار مولکولي فعاليت‌ها و قابليت‌هاي فراواني دارد. اين موضوع، تاييدکننده اين نظريه است که حيات اوليه از مولکول‌هاي يک آر.ان.اي که قادر به تکثير خود بوده، تشکيل شده است.
سال 2000 بسياري از زيست‌شناسان به نظري جامع در اين مورد رسيدند. آنها روي ساختار فاکتورهاي سازنده پروتئين‌ها در سلول‌ها کار مي‌کردند که دريافتند پيش‌ساز اصلي اين فاکتورها يک آنزيم آر.ان.اي است. با توجه به اين که پروتئين‌ها توسط آر.ان.اي سنتز مي‌شوند. پس يقينا مي‌توان نتيجه‌گيري کرد که حيات بايد در ابتدا توسط آر.ان.اي‌ها تشکيل شده باشد.
اما با وجود اين همه اطلاعات جديد هنوز هم بسياري از مسائل حل نشده مانده است. ما امروزه مي‌دانيم که آر.ان.اي قادر به همانندسازي است ولي اين را نيز مي‌دانيم که هم آر.ان.اي و هم دي.ان.اي براي تکميل يا انجام عمليات همانندسازي خود به يک سري از پروتئين‌ها نياز دارند. پس اگر قبلا و در زمان‌هاي ابتدايي شکل‌گيري حيات روي سياره زمين، آر.ان.اي وجود داشته که به طور مستقل و بدون نياز به پروتئين‌ها از روي خودش همانندسازي مي‌کرده، امروزه ناپديد شده است. بنابراين محققان علم بيوشيمي درصدد ايجاد شرايط خاصي براي گونه‌هاي مختلفي از آر.ان.اي بر آمدند تا با انتخاب تصادفي بعضي از آنها و ايجاد شرايط لازم براي تکاملشان، موقعيتي مشابه نمونه‌هاي باستاني را براي آنها به وجود آورند و مشاهده کنند که آيا اين آر.ان.اي‌ها مي‌توانند براي بار دوم حياتي ديگر را آغاز و آن را تکامل بخشند؟
سال 2001 و در نتيجه اين تحقيق يک آنزيم آر.ان.اي به نام R18 کشف شد که مي‌توانست 14 نوکلئوتيد (از اجزاي ساختماني آر.ان.اي و دي.ان.اي) را به آر.ان.اي‌هاي موجود اتصال دهد و آر.ان.اي متفاوتي با ساختار جديد بسازد، اما R18 گزينه مناسبي براي اين که جد اعظم همه گونه‌هاي زيستي سياره زمين باشد، نيست. براي درک اين موضوع، خوب است توجه داشته باشيد که زماني مي‌توانيم از يک آر.ان.اي خود همانند ساز صحبت کنيم که آن آر.ان.اي بتواند يک آر.ان.اي جديد با طولي حداقل مشابه خودش بسازد. R18 از 189 نوکلئوتيد تشکيل شده است؛ در حالي که طويل‌ترين فرزند اين آر.ان.اي تنها مي‌تواند طولي برابر 20 نوکلئوتيد داشته باشد.
اما کشف بعدي يک قدم بزرگ به پيش بود. محققان موسسه زيست‌شناسي مولکولي کمبريج انگلستان به يک آنزيم آر.ان.اي به نام TC19Z دست يافتند که مي‌توانست رشته‌هاي RNA با طولي تا 95 نوکلئوتيد را کپي کند. براي انجام اين توليدمثل مولکولي، آنزيم TC19Z خود را به انتهاي يک آر.ان.اي مي‌چسباند، سپس از بين نوکلئوتيدهاي سرگردان در اطراف، مناسب‌ترين را انتخاب و آن را به ته رشته آر.ان.اي، جايي که خود قرار دارد، اضافه مي‌کند. سپس اين آنزيم فعال يک قدم به جلو حرکت کرده و مجددا اين کار را تکرار مي‌کند و نوکلئوتيدهاي ديگر پيش روي خود را نيز به آن اضافه مي‌کند. فيليپ هاليگر، سرپرست تيم پژوهشگران معتقد است مي‌توان خيلي از فعاليت‌هاي پيچيده سلولي را توسط همچين آنزيم ساده به انجام رساند.
تا اينجا محققان به ايجاد يک آر.ان.اي يا شايد دسته‌اي از مولکول‌ها که قادر بودند خود را همانندسازي کنند، نزديک شده بودند، اما درست در جايي که به نظر مي‌رسيد پاسخ در يک قدمي آنها انتظار کشف شدن را مي‌کشيد، پرسشي بزرگ‌تر نمايان شد که باعث شد تا مدت‌ها پژوهشگران مجبور شوند از روند عادي تحقيقات منحرف شوند تا پاسخي براي اين پرسش جانبي بيابند. پرسش جديد اين بود که انرژي لازم براي انجام اين فعاليت‌ها و خود همانندسازي‌ها از کجا تامين مي‌شود؟
براي به سرانجام رسيدن يک همانندسازي مولکولي بايد چند فرآيند متابوليکي خاص صورت گيرد. در حالي که به نظر نمي‌رسد آر.ان.اي به تنهايي قادر به انجام اين فرآيندهاي متابوليکي باشد. آر.ان.اي‌ها تنها تعداد معدودي ابزار مولکولي براي انجام يک فرآيند شيميايي در اختيار دارند. پروتئين‌ها از اين نظر و نسبت به آر.ان.اي‌ها بسيار غني هستند. آنها با در اختيار داشتن تعداد زياد و متنوعي از ابزار قوي و کارآمد مولکولي مي‌توانند واکنش‌هاي شيميايي خيلي پيچيده را حتي در محدوده‌اي که اصلا از يک پروتئين انتظارش نمي‌رود، انجام دهند يا در انجام آن نقش اساسي داشته باشند.
اما هميشه گفته‌اند که نياز مادر اختراع است و خب شايد آر.ان.اي‌ها هم از اين ضرب‌المثل درس زيادي گرفته باشد. شايد آنها هم تمام تلاش خود را به کار برده باشند تا از همان ابزارهاي ساده‌اي که در اختيار دارند و در کنار هم قرار دادن آنها يا اضافه کردن تکه‌پاره‌هاي دورريختني دور و برشان يک ابزر قوي‌تر و کارآمدتر بسازند. دقيقا همان کاري که ما هم در شرايط اضطراري انجام مي‌دهيم يا سازندگان ابزاري که با فروش يک ابزار که قابليت اتصال سرهاي مختلفي را دارد، مجموعه متنوعي را در اختيار شما قرار مي‌دهند. شايد هم ما اين توانايي را از اجداد آر.ان.ايي خود به ارث برده‌ايم. فکرش را بکنيد، ما کجا و آر.ان.اي کجا!
دانشمندان در آن زمان مي‌دانستند که پروتئين‌ها با کمک چنين ابزار چندمنظوره‌اي که در عالم مولکولي کوفاکتور ناميده مي‌شوند، مي‌توانند عمليات محيرالعقولي را به انجام رسانند که در بسياري مواقع، خارج از کنترل خود پروتئين است. آنها همچنين مي‌دانستند که بدون وجود کوفاکتورها زندگي نمي‌توانست به اين شکلي که امروزه آن را مي‌شناسيم، وجود داشته باشد چراکه بسياري از فرآيندهاي شيميايي دي.ان.اي‌ها و پروتئين‌هاي تشکيل‌دهنده آنها به کمک همين کوفاکتورها انجام مي‌شود.
توجه به کوفاکتورها و نقش احتمالي آنها در فرآيند همانندسازي آر.ان.اي در روزگاران باستاني باعث شد تا گروه بزرگي از پژوهشگران بين‌المللي، تحقيقات خود را در اين زمينه متمرکز کنند. در همين خصوص محققان دانشگاه توکيوي ژاپن يک آنزيم آر.ان.اي کشف کردند که قادر به اکسيداسيون الکل بود و براي اين کار خود از کوفاکتوري به نام NAD+ کمک مي‌گرفت. چند ماه بعد پژوهشگران پي‌بردند که يک آنزيم آر.ان.اي طبيعي ديگر به نام glmS نيز از يک کوفاکتور براي انجام وظايف خود کمک مي‌گيرد.
آر.ان.اي، جد اعظم حيات
خب حالا شواهد بسياري وجود دارد که نشان مي‌دهد مي‌توان يک آر.ان.اي را جد اعظم حيات روي زمين دانست. حالا آنها بايد ثابت مي‌کردند که اولين آر.ان.اي مي‌توانسته از کنار هم قرار گرفتن اجزاي تشکيل‌دهنده‌اش در آن روزگاران به وجود آيد تا با تکثير خود که حالا ثابت شده بود امکانش هست، بتواند حيات را آغاز کند. مولکول‌هاي آر.ان.اي رشته‌هاي نوکلئوتيدي هستند که از نظرساختاري از قند و باز متصل به فسفات تشکيل شده‌اند.
در سلول‌هاي زنده آنزيم‌هاي بي‌شماري براي توليد و اتصال آنها به هم دخيل هستند و قطعا احتياج به توضيح ندارد که سياره زمين در دوران کهن فاقد خيلي از اين آنزيم‌ها بوده است، اما آنچه مي‌دانيم اين است که در آن زمان زمين را لايه‌اي غني از خاک رس پوشانده بود و جالب اين که حدود 10 سال پيش، محققان دريافته بودند که وقتي نوکلئوتيدهاي فعال شده ـ همان هايي که به بخش فسفات آنها ذرات خارجي اتصال يافته‌اند ـ به خاک رس بخصوصي که از يک آتشفشان به جا مانده بود، اضافه شدند، مولکول‌هاي آر.ان.اي به طول 55 نوکلئوتيد از آنها تشکيل شدند. تشکيل آر.ان.اي‌هاي بزرگ با نوکلئوتيدهاي عادي از نظر انرژي ناممکن است، اما آنهايي که فعال شده‌اند، انرژي لازم براي پيشبرد واکنش را در دل نهفته دارند.
اين امر بيانگر آن است که اگر در آغاز حيات تعداد زيادي از نوکلئوتيدهاي فعال وجود داشته، مولکول‌هاي آر.ان.اي بزرگ مي‌توانستند به طور خود به خودي تشکيل شوند. حالا فقط مانده بود تا اين تئوري امتحان شود. پس آزمايش‌هايي در شرايط محيطي شبيه‌سازي شده مشابه شرايط حاکم بر زمين در زمان آغاز حيات صورت گرفت تا نشان داده شود که مولکول‌هاي قند، باز و فسفات مي‌توانند به طور طبيعي به هم متصل شده و زنجيره حيات نويني را شکل دهند، اما دانشمندان خيلي زود متوجه شدند که به دليل شکل مولکول‌ها تقريبا غيرممکن است که مولکول شکر به باز متصل گردد و حتي اگر اين امر اتفاق افتد، مولکول تشکيل شده بسرعت از هم پاشيده مي‌شود.
اين يافته نااميدکننده خيلي از زيست‌شناسان را به شک انداخت که آيا واقعا آر.ان.اي‌ها اولين همانندسازهاي جهان بوده‌اند؟ اما هميشه مي‌توان يک دانشمند جان سختي پيدا کرد که در شرايط کاملا نااميدکننده، روياي خود را فرو نمي‌گذارد و به تحقيق براي رسيدن به پاسخي که خود را در جايي پنهان کرده، ادامه مي‌دهد. جان ساترلند، يکي از محققان موسسه MRC نيز از همين دست دانشمندان بود و سرسختانه براي حل مشکل پديد آمدن نوکلئوتيدها تلاش کرد. او به اين نتيجه رسيد که احتمالا محققان قبلي، راه را اشتباه رفته‌اند. او مي‌گويد: در هر نوکلئوتيد يک مولکول قند، يک باز و يک گروه فسفات مي‌بينيم. نگاه ساده و اوليه اين بوده که بايد ابتدا اين مولکول‌هاي بزرگ و پيچيده را جداگانه ساخت و بعد آنها را به هم وصل کرد، کاري که به نتيجه نرسيد، اما چه خواهد شد تا ما به مولکول‌هاي ساده‌اي از اين سه نوع اجازه دهيم ابتدا به هم بچسبند و بعد شروع به رشد و بزرگ شدن کنند... .
او سپس به اين فکر افتاد که آيا ممکن است مولکول‌هاي ساده‌تر بدون اين که به قند يا باز تبديل شوند، به هم متصل شوند و تشکيل يک نوکلئوتيد دهند؟! سال 2009 او متوجه شد که اين امر ممکن است. او نيمي از يک مولکول قند و نيمي از يک مولکول باز را براي آزمايش انتخاب کرد، سپس آنها را به هم متصل کرد و اتصال قند ـ باز را که تا آن زمان توسط خيلي از محققان روي آن کار شده بود، اما به هيچ نتيجه‌اي نرسيده بود، ايجاد کرد. او سپس آن را روي نيم ديگر از آن قند و باز سوار کرد و سرانجام مجموعه را به يک گروه فسفات متصل کرد. او در ادامه تحقيقاتش متوجه شد که براي پيشبرد واکنش‌هاي ابتدايي حضور فسفات کاملا ضروري بوده است.
شيمي قفل‌هاي طلايي
ساترلند به طور آزمايشي، محيطي کثيف را که از ابتدا محتوي فسفات بود، انتخاب کرد و نتايج خيلي خوبي به دست آورد. او متوجه شد که زمين در دوران ابتدايي خود، محل کثيفي سرشار از انواع فسفات‌ها بوده و اين موضوع شرايط را براي ساخت نوکلئوتيدها بسيار مناسب کرده بود.
اما اين قضيه حتي هنوز هم حل نشده باقي مانده است. آر.ان.اي از 4 نوع مختلف نوکلئوتيد تشکيل شده و اين درحالي است که ساترلند تنها توانسته دو نوع از آنها را در شرايط آزمايشگاهي خود توليد کند. هرچند او مي‌گويد به ساخت آن دو نوع ديگر هم بسيار نزديک شده، اما با اين همه اگر او حتي موفق به توليد هر چهار گونه نوکلئوتيدها شود، فقط نشان خواهد داد که تشکيل خود به خودي همانندسازهاي آر.ان.اي غيرممکن نيست و اين که به احتمال زياد اولين همانندسازها از دسته آر.ان.اي بوده‌اند.
اما اين تازه آغاز ماجراست. هنوز خيلي از سوال‌ها بي‌پاسخ مانده است. زيست‌شناسان معتقدند که حتي در صورت تولد يک همانندساز از جنس آر.ان.اي، بايد چيزي شبيه به سلول در آن دوران وجود مي‌داشت تا همانندسازها را در درون خود حفظ کند و اجزاي آن را متصل به هم نگه دارد.
محققي از دانشگاه هاروارد نشان داده که خاک رس همان طور که به توليد زنجيره‌هاي آر.ان.اي کمک مي‌کند، اتصالات غشايي را به روشي مشابه کاري که سلول‌ها انجام مي‌دهند، حفظ مي‌کند. نظريه ديگر اين است که حيات در ابتدا در محيط گرم و قليايي در کف دريا تشکيل شده است، اما يک ايده جالب توجه ديگر مي‌گويد که امکان دارد همه اين وقايع در يخ اتفاق افتاده باشد. در زماني که حيات تشکيل مي‌شده است، خورشيد 30 درصد تيره‌تر از وضعيت فعلي‌اش بوده؛ بنابراين احتمالا سطح وسيعي از زمين را يخ در بر گرفته بوده است. آر.ان.اي‌هاي منجمد بيشتر دوام مي‌آورند و يخ فوايد بسيار ديگري هم دارد. براي مثال آنزيم R18 در يخ بهتر از دماي عادي اتاق فعاليت مي‌کند.
هم‌اکنون هيچ راهي براي اثبات و انتخاب يکي از اين پيشنهادها وجود ندارد. تا آنجا که ما اطلاع داريم، هيچ فسيلي از همانندسازهاي ابتدايي باقي نمانده است و اصلا انتظار چنين معجزه‌اي هم نمي‌رفته است. ولي ما مي‌توانيم در آينده دنياي آر.ان.اي‌ها را شبيه‌سازي کنيم تا متوجه شويم که حيات واقعا از کجا آمده است.
منبع:روزنامه جام جم ارسال توسط کاربر محترم سايت :hasantaleb