تويت
في بداية الأمر كان كل ما هو موجود عبارة عن مواد كيميائية بسيطة، و التي كانت المسؤولة عن ظهور الأحماض الأمينية – البنية الأساسية للبروتينات و الضرورية لخلق وحيدات الخلية -لتصبح فيما بعد هذه الخلايا النباتات و الحيوانات.
و في آخر البحوث التي أُجريت في هذا الموضوع، تم الكشف عن مُكون بدائي ساعد في صناعة الأحماض الأمينية، و التي تدعهما فكرة تطور الكائنات من خلايا وحيدة الخلية و بإجماع العلماء، إلا أن كيفية تَجمُّع الأحماض الأمينية لتكوِن البروتينات ما زالت لغزاً يحير العلماء
و لكن الآن إثنان من علماء جامعة North Carolina المخضرمين Richard Wolfenden ,و ـCharles Carter قاموا بالكشف عن النقاب لطريقة تحول هذه الأساسيات إلى الحياة قبل ما يقارب ٤ مليار عام.
“ لقد أظهر عملنا بأن العلاقة القائمة بين كل من الخصائص الفيزيائية للأحماض الأمينية، المادة الوراثية و عملية تَشَكُل البروتين كانت علاقة أساسية منذ البداية أي قبل ظهور أي جزيئات كبيرة و معقدة بزمن طويل” يقول Carter بروفيسور الكيمياء الحيوية و الفيزياء الحيوية في كلية الطب في جامعة North Carolina و يضيف “إن التفاعل القريب هذا، كان المفتاح لبدء عملية التطور من الأساسيات إلى كائنات كامل”
كانت نتائجهم في بحثهم المشترك ذاتَ قدرة على مواجهة نظرية عالم الRNA و التي تنص بأن جزيء RNA ـ هو جزيء يلعب حالياً دوراً مهماً في ترميز، تنظيم و ترتيب الجينات ـ فصل نفسه عن الأحماض الأمينية البدائية و المواد الكيميائية الأخرى لبناء أول بروتين قصير سُميَ بيبتايد و من بعدها لصناعة مستعمرات وحيدة الخلية.
ناقش كل من Wolfenden و Carter بأن جزيء ال RNA لا يعمل لوحده، و في الحقيقة ليس من المحتمل أن يكون ال RNA قد قام بتحفيز تَكَوُن البيبتايد أكثر انما قد حصل العكس ( تحفيز البيبتايد لتَكَوُن ال RNA)
فهذا الإكتشاف يضيف بعداً آخر لكيفية تطور الحياة قبل مليارات السنين على الأرض.
قام المجتمع العلمي بتحديد و التعرف إلى أقدم سلف لكل الكائنات الحية الموجودة حالياً على الأرض، و قد عاش هذا السلف قبل ٣,٦ مليار عام، و سُمِيَ بلوكا LUCA ، هذا السلف على الأغلب كان وحيد الخلية و لديه القليل من الجينات ما لا يتعدى بضع مئات، إلا أنه كان يملك مخطط عمل كامل لمضاعفة ال DNA ، صناعة البروتينات و نسخ ال RNA ، كما أنه إمتلك مكونات الخلايا الكاملة مثل الدهون ـ المتواجدة في الخلايا الحديثة ـ ، و إنطلاقاً من لحظة وجود لوكا، فإنه من السهل تخيل كيفية تطور الحياة كما نعرفها اليوم
لكن و مع هذا فلا وجود لدليلٍ دامغ لكيفية نشوء لوكا من المواد الكيميائية المهتاجة بسبب الغليان و التي تَكَونت على الأرض بعد تَشكُل الكوكب قبل ٤,٦ مليار عام
هذه المواد الكيميائية التي تفاعلت لتُنتج الأحماض الأمينية و التي إستمرت لتكون البنية الأساسية في جميع الخلايا الحية في وقتنا الحالي
“ نحن نعلم الكثير عن لوكا و قد بدأنا في التعرف على الكيمياء التي أنتجت هذه البنيات الأساسية و لكن و بين هاذين الطرفين تقبع صحراء كاملة من المعرفة ، فنحن لا نعلم حتى كيف يمكننا أن نقوم بإستكشافها” يقول Carter
إلا أن ورقة البحث الخاصة بال UNC تقدم نقطة مركزية في تلك الصحراء للبدء منها
“قام Wolfenden بوضع الخصائص الفيزيائية للعشرين حمض أميني المعروفة، و قد وجدنا علاقة بين هذه الخصائص و الشيفرة الجينية، و هذه العلاقة تقترح بأنه كان هناك شيفرة ثانية فتحت المجال لتفاعل البيبتيدات مع الـ RNA لتكون نقطة البداية في عملية الإنتقاء التي تجعلنا ذوي قدرة على تصور بدايات الحياة على الأرض”
يضيف Carter
و لكنه عقب بأن جزيء ال RNA لم يكن بالضرورة قد طور نفسه من المكونات البدائية، و عوضاً عن ذلك فإنه و قبل و أن يكون هناك خلايا أصلاً، فإن إحتمالية وجود تفاعلات بين الأحماض الأمينية و النيكلوتيدات و التي أدت إلى نشوء كل من البروتينات و ال RNA ، هي الإحتمالية الأكبر
نشوء التعقيد من البساطة
يجب أن تكون البروتينات بشكل معين حتى تكون ذات فعالية كاملة، و في بحث ل Wolfenden ، تم شرح قطبية كل من الأحماض الأمينية العشرين (كيفية توزعها في الماء و الزيت)، بالإضافة إلى أحجامها و كيف أن هذه الخصائص تساعد في تَشَكُّل البروتين ـ عندما تقوم سلسلة متصلة من الأحماض الأمينية بترتيب نفسها لتُشَكِل مجسم ثلاثي الأبعاد، ذا وظيفة بيلوجية معينة.
“تجاربنا تشير إلى كيف أن قطبية الأحماض الأمينية تتغير بإستمرار عبر تغير درجات الحرارة لكن بطريقة لا تؤثر على العلاقات الأساسية بين كل من الشيفرة الوراثية و تَشَكُل البروتين” يقول Wolfenden .
كان هذا مهماً للنشر لأنه و في بدايات تشكل الحياة على الأرض كانت درجات الحرارة أعلى بكثير مما عليه عند ظهور أول نبتة و أول حيوان.
أوضحت سلسلة من تجارب الكيمياء الحيوية للأحماض الأمينية و التي أجريت في مختبر Wolfenden أن كل من الحجم و القطبية كانت مهمة و ضرورية لشرح كيف أن الحمض الأميني تصرف في البروتين المطوي “كامل الفعالية” و كيف أن هذه العلاقات بقت موجودة في ظل درجات حرارة أعلى قبل ٤ مليار عام
أما الجزيئية الثانية من البحث و التي تعود ل Carter أوضحت كيف أن الإنزيمات و التي تسمى ب aminoacyl-tRNA synthetases و التي تنقل كل من ribonucleic acid ,و tRNA ، فهذه الإنزيمات هي المسؤولة عن ترجمة الشيفرات الوراثية
“ فكر ب tRNA على أنه محول ، الطرف الأول سيحمل الحمض الأميني و الطرف الآخر سيقوم بقراءة مخطط المادة الوراثية لذلك الحمض الأميني التي يحمله mRNA و كل إنزيم من ال aminoacyl-tRNA synthetases (مسرع الترابط ) يرتبط مع أحد الأحماض الأمينية العشرين مع المحول الخاص بها ، حتى يكون المخطط الوراثي في ال mRNA على قدرة لبناء البروتين الصحيح في كل مرة ” يقول Carter
أوضح تحليل Carter هذا بأن النهايات المختلفة لجزيء ال tRNA (و الذي يتخذ شكل حرف L في الإنجليزية ) تحتوي على شيفرات مستقلة لها القدرة على إصطفاء أي الحمض الأميني الصحيح فالنهاية التي تحمل الحمض الأميني هي فعلاً تختاره حسب حجمه.
أما النهاية المقابلة و التي تسمى ب tRNA anticodon. و التي تقوم بقراءة الشيفرات الوراثية المحمولة على ٣ نيوكليوتيدات من ال RNA فتقوم بإختيار الأحماض الأمينية حسب قطبيتها.
تقتضي نتائج Wolfenden و Carter بأن العلاقة بين كل من ال RNA و خصائص الأحماض الأمينية (الحجم و القطبية) كانت مهمة جداً في بدايات الحياة على الأرض،
و من خلال تسليط الضوء على عمل سابق لCarter و الذي درس النواة الصغيرة و الفعالة في tRNA synthetases و التي تسمى ب Urzymes
يمكن الجزم بأن الإنتقاء حسب الحجم يتفوق على الإنتقاء حسب القطبية ما يعني أن البروتينات الأولية لم تتشكل بالضرورة إلى أشكال معقدة و أن هذه الأشكال تطورت في فترة لاحقة من الزمن
يقول Carter “ترجمة الشيفرة الوراثية هي الرابطة التي تحول الكيمياء الما قبل حيوية إلى أحياء”
كما أن العالمين يؤمنان أن المرحلة المتوسطة لترميز المادة الوراثية يمكن أن تحل مفارقتين، و هما كيف تطور التعقيد من البساطة، و كيف أن الحياة أنتجت عنصرين مختلفين جداً و هما البروتينات و الأحماض النووية
“في الحقيفة إن عملية ترميز المادة الوراثية تطورت إلى مرحلتين ناجحتين ، الأولى و هي بسيطة للغاية لتصبح لربما السبب الرئيسي في معرفة لماذا كانت الحياة قادرة على التطور بالرغم من أن الأرض كانت لا تزال في بدايات وجودها” يوضح Wolfenden.
لربما كان لأحد الشيفرات السابقة التي استطاعت أن تربط بين البيبتيدات و الRNA القدرة على بدء ميزة الإنتقاء الحاسمة، و تحَوُل هذا النظام البدائي إلى الإصطفاء الطبيعي و الذي أطلق وجود أنواع حياة مختلفة و جديدة.
يقول Carter “إن العلاقة القائمة بين كل من ال RNA و البيبتيدات كانت مهمة جداً لظهور التعقيد بطريقة عفوية ، و من خلال منظورنا فإن العالم بات عالم البيبتيد و ال RNA و ليس عالم RNA لوحده”
و في آخر البحوث التي أُجريت في هذا الموضوع، تم الكشف عن مُكون بدائي ساعد في صناعة الأحماض الأمينية، و التي تدعهما فكرة تطور الكائنات من خلايا وحيدة الخلية و بإجماع العلماء، إلا أن كيفية تَجمُّع الأحماض الأمينية لتكوِن البروتينات ما زالت لغزاً يحير العلماء
و لكن الآن إثنان من علماء جامعة North Carolina المخضرمين Richard Wolfenden ,و ـCharles Carter قاموا بالكشف عن النقاب لطريقة تحول هذه الأساسيات إلى الحياة قبل ما يقارب ٤ مليار عام.
“ لقد أظهر عملنا بأن العلاقة القائمة بين كل من الخصائص الفيزيائية للأحماض الأمينية، المادة الوراثية و عملية تَشَكُل البروتين كانت علاقة أساسية منذ البداية أي قبل ظهور أي جزيئات كبيرة و معقدة بزمن طويل” يقول Carter بروفيسور الكيمياء الحيوية و الفيزياء الحيوية في كلية الطب في جامعة North Carolina و يضيف “إن التفاعل القريب هذا، كان المفتاح لبدء عملية التطور من الأساسيات إلى كائنات كامل”
كانت نتائجهم في بحثهم المشترك ذاتَ قدرة على مواجهة نظرية عالم الRNA و التي تنص بأن جزيء RNA ـ هو جزيء يلعب حالياً دوراً مهماً في ترميز، تنظيم و ترتيب الجينات ـ فصل نفسه عن الأحماض الأمينية البدائية و المواد الكيميائية الأخرى لبناء أول بروتين قصير سُميَ بيبتايد و من بعدها لصناعة مستعمرات وحيدة الخلية.
ناقش كل من Wolfenden و Carter بأن جزيء ال RNA لا يعمل لوحده، و في الحقيقة ليس من المحتمل أن يكون ال RNA قد قام بتحفيز تَكَوُن البيبتايد أكثر انما قد حصل العكس ( تحفيز البيبتايد لتَكَوُن ال RNA)
فهذا الإكتشاف يضيف بعداً آخر لكيفية تطور الحياة قبل مليارات السنين على الأرض.
قام المجتمع العلمي بتحديد و التعرف إلى أقدم سلف لكل الكائنات الحية الموجودة حالياً على الأرض، و قد عاش هذا السلف قبل ٣,٦ مليار عام، و سُمِيَ بلوكا LUCA ، هذا السلف على الأغلب كان وحيد الخلية و لديه القليل من الجينات ما لا يتعدى بضع مئات، إلا أنه كان يملك مخطط عمل كامل لمضاعفة ال DNA ، صناعة البروتينات و نسخ ال RNA ، كما أنه إمتلك مكونات الخلايا الكاملة مثل الدهون ـ المتواجدة في الخلايا الحديثة ـ ، و إنطلاقاً من لحظة وجود لوكا، فإنه من السهل تخيل كيفية تطور الحياة كما نعرفها اليوم
لكن و مع هذا فلا وجود لدليلٍ دامغ لكيفية نشوء لوكا من المواد الكيميائية المهتاجة بسبب الغليان و التي تَكَونت على الأرض بعد تَشكُل الكوكب قبل ٤,٦ مليار عام
هذه المواد الكيميائية التي تفاعلت لتُنتج الأحماض الأمينية و التي إستمرت لتكون البنية الأساسية في جميع الخلايا الحية في وقتنا الحالي
“ نحن نعلم الكثير عن لوكا و قد بدأنا في التعرف على الكيمياء التي أنتجت هذه البنيات الأساسية و لكن و بين هاذين الطرفين تقبع صحراء كاملة من المعرفة ، فنحن لا نعلم حتى كيف يمكننا أن نقوم بإستكشافها” يقول Carter
إلا أن ورقة البحث الخاصة بال UNC تقدم نقطة مركزية في تلك الصحراء للبدء منها
“قام Wolfenden بوضع الخصائص الفيزيائية للعشرين حمض أميني المعروفة، و قد وجدنا علاقة بين هذه الخصائص و الشيفرة الجينية، و هذه العلاقة تقترح بأنه كان هناك شيفرة ثانية فتحت المجال لتفاعل البيبتيدات مع الـ RNA لتكون نقطة البداية في عملية الإنتقاء التي تجعلنا ذوي قدرة على تصور بدايات الحياة على الأرض”
يضيف Carter
و لكنه عقب بأن جزيء ال RNA لم يكن بالضرورة قد طور نفسه من المكونات البدائية، و عوضاً عن ذلك فإنه و قبل و أن يكون هناك خلايا أصلاً، فإن إحتمالية وجود تفاعلات بين الأحماض الأمينية و النيكلوتيدات و التي أدت إلى نشوء كل من البروتينات و ال RNA ، هي الإحتمالية الأكبر
نشوء التعقيد من البساطة
يجب أن تكون البروتينات بشكل معين حتى تكون ذات فعالية كاملة، و في بحث ل Wolfenden ، تم شرح قطبية كل من الأحماض الأمينية العشرين (كيفية توزعها في الماء و الزيت)، بالإضافة إلى أحجامها و كيف أن هذه الخصائص تساعد في تَشَكُّل البروتين ـ عندما تقوم سلسلة متصلة من الأحماض الأمينية بترتيب نفسها لتُشَكِل مجسم ثلاثي الأبعاد، ذا وظيفة بيلوجية معينة.
“تجاربنا تشير إلى كيف أن قطبية الأحماض الأمينية تتغير بإستمرار عبر تغير درجات الحرارة لكن بطريقة لا تؤثر على العلاقات الأساسية بين كل من الشيفرة الوراثية و تَشَكُل البروتين” يقول Wolfenden .
كان هذا مهماً للنشر لأنه و في بدايات تشكل الحياة على الأرض كانت درجات الحرارة أعلى بكثير مما عليه عند ظهور أول نبتة و أول حيوان.
أوضحت سلسلة من تجارب الكيمياء الحيوية للأحماض الأمينية و التي أجريت في مختبر Wolfenden أن كل من الحجم و القطبية كانت مهمة و ضرورية لشرح كيف أن الحمض الأميني تصرف في البروتين المطوي “كامل الفعالية” و كيف أن هذه العلاقات بقت موجودة في ظل درجات حرارة أعلى قبل ٤ مليار عام
أما الجزيئية الثانية من البحث و التي تعود ل Carter أوضحت كيف أن الإنزيمات و التي تسمى ب aminoacyl-tRNA synthetases و التي تنقل كل من ribonucleic acid ,و tRNA ، فهذه الإنزيمات هي المسؤولة عن ترجمة الشيفرات الوراثية
“ فكر ب tRNA على أنه محول ، الطرف الأول سيحمل الحمض الأميني و الطرف الآخر سيقوم بقراءة مخطط المادة الوراثية لذلك الحمض الأميني التي يحمله mRNA و كل إنزيم من ال aminoacyl-tRNA synthetases (مسرع الترابط ) يرتبط مع أحد الأحماض الأمينية العشرين مع المحول الخاص بها ، حتى يكون المخطط الوراثي في ال mRNA على قدرة لبناء البروتين الصحيح في كل مرة ” يقول Carter
أوضح تحليل Carter هذا بأن النهايات المختلفة لجزيء ال tRNA (و الذي يتخذ شكل حرف L في الإنجليزية ) تحتوي على شيفرات مستقلة لها القدرة على إصطفاء أي الحمض الأميني الصحيح فالنهاية التي تحمل الحمض الأميني هي فعلاً تختاره حسب حجمه.
أما النهاية المقابلة و التي تسمى ب tRNA anticodon. و التي تقوم بقراءة الشيفرات الوراثية المحمولة على ٣ نيوكليوتيدات من ال RNA فتقوم بإختيار الأحماض الأمينية حسب قطبيتها.
تقتضي نتائج Wolfenden و Carter بأن العلاقة بين كل من ال RNA و خصائص الأحماض الأمينية (الحجم و القطبية) كانت مهمة جداً في بدايات الحياة على الأرض،
و من خلال تسليط الضوء على عمل سابق لCarter و الذي درس النواة الصغيرة و الفعالة في tRNA synthetases و التي تسمى ب Urzymes
يمكن الجزم بأن الإنتقاء حسب الحجم يتفوق على الإنتقاء حسب القطبية ما يعني أن البروتينات الأولية لم تتشكل بالضرورة إلى أشكال معقدة و أن هذه الأشكال تطورت في فترة لاحقة من الزمن
يقول Carter “ترجمة الشيفرة الوراثية هي الرابطة التي تحول الكيمياء الما قبل حيوية إلى أحياء”
كما أن العالمين يؤمنان أن المرحلة المتوسطة لترميز المادة الوراثية يمكن أن تحل مفارقتين، و هما كيف تطور التعقيد من البساطة، و كيف أن الحياة أنتجت عنصرين مختلفين جداً و هما البروتينات و الأحماض النووية
“في الحقيفة إن عملية ترميز المادة الوراثية تطورت إلى مرحلتين ناجحتين ، الأولى و هي بسيطة للغاية لتصبح لربما السبب الرئيسي في معرفة لماذا كانت الحياة قادرة على التطور بالرغم من أن الأرض كانت لا تزال في بدايات وجودها” يوضح Wolfenden.
لربما كان لأحد الشيفرات السابقة التي استطاعت أن تربط بين البيبتيدات و الRNA القدرة على بدء ميزة الإنتقاء الحاسمة، و تحَوُل هذا النظام البدائي إلى الإصطفاء الطبيعي و الذي أطلق وجود أنواع حياة مختلفة و جديدة.
يقول Carter “إن العلاقة القائمة بين كل من ال RNA و البيبتيدات كانت مهمة جداً لظهور التعقيد بطريقة عفوية ، و من خلال منظورنا فإن العالم بات عالم البيبتيد و ال RNA و ليس عالم RNA لوحده”