سلول در سه سوت

یک آمازون کلمه از قلم چارلز داروین جاری شد. کتاب‌هایش گستره‌ای به پهنای کشتی‌چسب‌ها تا ارکیده‌ها و از زمین‌شناسی تا اهلی‌سازی را دربرگرفته‌اند. در همان زمان کتابچه‌های یادداشت را با تاملات خویش پر می‌کرد و هزاران نامه را با خط خود نوشته است که پر از مشاهدات و نظرپردازی‌های درباره طبیعت هستند. با این همه داروین فقط چند کلمه از سیل لغوی عظیم‌اش را به یکی از بزرگ‌ترین پرسش‌ها در کل زیست‌شناسی اختصاص داد: حیات چگونه آغاز شد؟ تنها کلماتی که او در این‌باره در کتابی به چاپ رساند نزدیک به انتهای «اصل انواع» ظاهر می‌شوند: «احتمالا موجودات زنده‌ای که تاکنون روی این زمین زیسته‌اند از یک شکل اولیه نسب گرفته‌اند که حیات نخستین‌بار در آن دمیده شد.»
داروین بر این باور بود که حیات احتمالا خودبه‌خود از همان مواد شیمیایی که امروزه از آنها تشکیل می‌شود، مانند کربن، نیتروژن و فسفر پدید آمده است. اما این اندیشه‌هایش را منتشر نکرد. طبیعیدان انگلیسی استدلال‌اش به نفع تکامل را عمدتا بر فرایندهایی استوار کرده بود که می‌توانست در اطراف خویش آنها را مشاهده کند. او گمان نمی‌کرد مشاهده پیدایش حیات اکنون امکان‌پذیر باشد زیرا حیاتی که هم‌اکنون موجود است مانع پیدایش آن خواهد شد. در سال ۱۸۷۱ در نامه‌ای به دوست‌اش جوزف هوکر (J.Hooker) گیاه‌شناس، به‌‌طور خلاصه به این مساله می‌پردازد و می‌نویسد: «اما اگر (و آه! چه اگر بزرگی!) بتوانیم تصور کنیم در چشمه آب گرم کوچکی که تمام انواع آمونیاک و نمک‌های فسفر، نور، حرارت، الکتریسیته و... در آن وجود دارد، ترکیبی پروتئینی که به طریق شیمیایی ساخته شده آماده تغییرات پیچیده‌تری باشد، امروزه روز چنین ماده‌ای فورا بلعیده یا جذب خواهد شد، اما تا پیش از اینکه موجودات زنده شکل بگیرند اوضاع از این قرار نبوده است.»
امروزه دانشمندانی که پیدایش حیات را بررسی می‌کنند در این بدبینی درباره توانایی ما در بازسازی این لحظه‌های اولیه با داروین هم‌عقیده نیستند. جان سادرلند (J.Sutherland)، شیمیدان دانشگاه منچستر در انگلستان، می‌گوید «اکنون زمان مناسبی برای انجام این پژوهش است، زیرا انتظار موفقیت از هر زمانی در گذشته بیشتر است.» او و دیگران دارند تک‌تک مراحلی که این گذار به حیات شامل می‌شود را بررسی می‌کنند: مواد خام از کجا آمدند، مولکول‌های آلی پیچیده نظیر RNA چگونه شکل گرفتند و نخستین سلول‌ها چگونه پیدا شدند. ضمن انجام این کار آنها ذره‌ذره به ساخت حیات از صفر نزدیک می‌شوند. هندرسون جیمز کلیوز (H.J.Cleaves) از انستیتو علم کارنگی در واشنگتن دی‌سی می‌گوید «وقتی دانشجو بودم، آنجه همه فکر می‌کردند تحقیق درباره پیدایش حیات کاری است که دانشمندان سالخورده در پایان دوران کار حرفه‌ای‌شان انجام می‌دهند، یعنی در زمانی که می‌توانند روی یک صندلی دسته‌دار بنشینند و به حدس و گمان بپردازند. اما اکنون دیگر ساخت یک سلول مصنوعی خیلی شبیه داستان‌های علمی _ تخیلی به نظر نمی‌آید. پژوهشی کاملا معقول است.»
● مواد خام
حیات ـ یا دست‌کم حیاتی که ما می‌شناسیم ــ ظاهرا تنها یک بار روی زمین پدید آمده است. برای مثال تقریبا تمام جانداران برای رمزگذاری اطلاعات ژنتیکی‌شان از DNA دورشته‌ای استفاده می‌کنند، ژن‌هایشان را به شکل RNA کپی می‌کنند و سپس RNA را به پروتئین ترجمه می‌کنند. همه آنها چه شترمرغ استرالیایی (ایمیو) باشند و چه کپک نان، از رمز ژنتیکی یکسانی برای ترجمه DNA به پروتئین‌ها استفاده می‌کنند. ساده‌ترین تبیین برای این زیست‌شناسی مشترک آن است که تمام موجودات زنده آن را از یک نیای مشترک به ارث برده‌اند ـ یعنی از میکروب‌های DNAداری که بیش از ۵/۳ میلیارد سال پیش می‌زیستند. اما آن نیای مشترک خود نسبتا پیچیده بود و بسیاری از دانشمندان در این اندیشه‌اند که چگونه ممکن است از موجود قبلی ساده‌تری تکامل یافته باشد. بعضی از آنها اکنون می‌گویند سلول‌های غشاداری که درون‌شان فقط RNA بود، هم از DNA قدیمی‌ترند و هم از پروتئین‌ها. بعدها ممکن است در حیات RNA بنیاد توانایی مونتاژ کردن اسیدهای آمینه به شکل پروتئین‌ها تکامل یافته باشد. از اینجا به بعد تکامل DNA از RNA به لحاظ زیست‌شیمیایی گام کوچکی بیش نبود. در سلول‌های امروزی RNA به طرز چشمگیری همه‌فن‌حریف است. برای مثال می‌تواند مقدار ترکیبات گوناگون درون سلول را حس کند و برای تنظیم غلظت آنها ژن‌ها را روشن و خاموش کند. علاوه بر این می‌تواند اسیدهای آمینه را به هم متصل کند که اجزای سازنده پروتئین‌ها هستند. بنابراین سلول‌های نخستین ممکن است برای تمام کارهایی که حیات وابسته به آنهاست RNA را به دام انداخته باشند. پژوهشگران به مدت ۶۰ سال مشغول پرداخت نظریه‌هایی درباره منشا اسیدهای آمینه و واحدهای سازنده RNA بودند. با گذشت زمان آنها ناگزیر شدند ایده‌هایشان را طوری اصلاح کنند که درکی هرچه روشن‌تر از شرایط زمین اولیه را نیز در نظر بگیرد. در یک آزمایش کلاسیک در سال ۱۹۵۳، استنلی میلر (S.Miller) که در آن زمان در دانشگاه شیکاگو کار می‌کرد، در اتاقکی پر از آمونیاک، متان و گازهای دیگر، جرقه‌ای برافروخت. این جرقه ماده لزجی پر از اسیدهای آمینه به وجود آورد و میلر بر اساس نتایجی که به دست آورده بود پیشنهاد کرد که آذرخش روی زمین اولیه می‌توانست ترکیبات بسیاری پدید آورد که بعدا روی هم سوار شوند و به شکل موجودات زنده درآیند.
اما تا دهه ۱۹۹۰ شواهد انباشته شده نشان دادند که زمین اولیه آکنده از دی‌اکسیدکربن همراه با اندکی نیتروژن بود ــ دو گازی که در مخزن آزمایشی میلر پیدا نمی‌شدند. هنگامی که دانشمندان تلاش کردند آزمایش‌های میلر را این بار با افزودن دی‌اکسیدکربن تکرار کنند، جرقه‌هایشان تقریبا هیچ اسید آمینه‌ای پدید نیاورد. از این رو نتیجه گرفتند که مواد خام حیات باید از جای دیگری آمده باشد. اما در سال ۲۰۰۸ آذرخش بار دیگر امیدوارکننده شد. کلیوز و همکاران‌اش دریافتند که آزمایش‌های شکست‌خورده ایراد داشتند زیرا جرقه‌ها احتمالا ترکیباتی نیتروژنی تولید می‌کردند که هر اسید آمینه تازه‌ تشکیل ‌شده‌ای را نابود می‌کردند. وقتی به مخلوط مواد شیمیایی بافری اضافه کردند که می‌توانست این ترکیبات شیمیایی را جذب کند، مقدار اسید آمینه‌ای که در این آزمایش‌ها تولید شد صدها برابر چیزی بود که دانشمندان پیش از این یافته بودند.
کلیوز گمان می‌کند که آذرخش تنها یکی از چند راهی بود که در آن ترکیبات آلی روی زمین ساخته شدند. شهاب‌سنگ‌هایی که روی زمین می‌افتند حاوی اسیدهای آمینه و مولکول‌های کربن‌دار آلی نظیر فرم‌آلدئید هستند. دریچه‌های زمین‌گرمایی ترکیبات دیگری را بیرون می‌ریزند که می‌توانستند در نخستین اشکال حیاتی گنجانده شوند. بنابراین مشکل کمبود مواد خام وجود نداشت، او می‌گوید «مانع واقعی آن است که ترکیبات آلی را چگونه کنار هم بگذارید تا یک سیستم زنده ایجاد شود.»
▪ مرحله ۱: ساخت RNA
مولکول RNA زنجیره‌ای از نوکلئوتیدهای به‌هم‌پیوسته است. هر نوکلئوتید به نوبه خود از سه بخش تشکیل می‌شود: یک باز (که به عنوان یک «حرف» در دستورعمل ژن عمل می‌کند)، یک مولکول قند و خوشه‌ای از اتم‌های فسفر و اکسیژن که مولکول‌های قند را به همدیگر متصل می‌کنند. پژوهشگران سال‌ها بیهوده تلاش کرده‌اند که با تولید قند و باز، اتصال آنها به همدیگر و سپس افزودن فسفات، RNA بسازند. سادرلند می‌گوید: «اصلا کار نمی‌کند.»
این شکست دانشمندان را واداشته است دو فرضیه دیگر را در مورد چگونگی پیدایش RNA در نظر بگیرند. کلیوز و دیگران فکر می‌کنند شاید حیات RNA بنیاد از جاندارانی تکامل یافته باشد که از ماده ژنتیکی دیگری استفاده می‌کردند ــ چیزی که دیگر در طبیعت یافته نمی‌شود. شیمیدانان توانسته‌اند برای ساخت ستون فقرات نوکلئوتیدها از ترکیبات دیگری استفاده کنند. آنها اکنون در این‌باره تحقیق می‌کنند که آیا ممکن است این مولکول‌های ژنتیکی انسان‌ساخت با نام‌های PNA و TNA روی زمین اولیه آسان‌تر از RNA خودبه‌خود پدید آمده باشند یا خیر. بر اساس این فرضیه، RNA بعدها تکامل یافت و جانشین مولکول پیش از خود شد. اما این امکان هم وجود دارد که RNA آنطور که دانشمندان گمان کرده‌اند مونتاژ نشده باشد. سادرلند می‌گوید: «اگر بخواهید از بوستون به نیویورک بروید راه سرراستی وجود دارد. اما اگر نتوانید از این مسیر خودتان را به آنجا برسانید راه‌های دیگری هم هستند که می‌توانید بروید.» او و همکاران‌اش تلاش کرده‌اند از ترکیبات آلی ساده مانند فرم‌آلدئید که پیش از پیدایش حیات روی زمین وجود داشتند، RNA بسازند. آنها دریافته‌اند که اگر به جای آنکه ابتدا بازها و قندهای کامل جداگانه ساخته شوند اجزای سازنده قندها و اجزای سازنده بازها را با هم مخلوط کنیم، پیشرفت بهتری در راه ساخت RNA حاصل خواهد شد. در طول چند سال گذشته آنها مسیر تقریبا کاملی را از مولکول‌های پیش‌زیستی به RNA مشخص کرده‌اند و دارند جزئیات بیشتری از موفقیت‌شان را آماده چاپ می‌کنند. کشف این واکنش‌های جدید سادرلند را به این نتیجه رسانده که پیدایش مستقیم RNA از یک سوپ آلی احتمالا چندان هم دشوار نبوده است. او می‌گوید «ما این مولکول‌ها را در دیدرس آورده‌ایم.» سادرلند نمی‌تواند با اطمینان بگوید این واکنش‌ها روی زمین کجا اتفاق افتادند، اما اشاره می‌کند که آنها در دماها و اسیدیته‌ای که در چشمه‌ها یافته می‌شود به خوبی عمل می‌کنند. اگر آن چشمه‌ها موقتا خشک شوند، بر غلظت نوکلئوتیدهایشان افزوده می‌شود و این شرایط را برای حیات از پیش هم مطلوب‌تر می‌سازد. آیا اینها همان چشمه‌های آب گرم داروین هستند؟ سادرلند می‌گوید: «شاید بتوان گفت که او خیلی دور نبوده است.»
▪ مرحله ۲: سلول
اگر حیات تنها با RNA آغاز شده بود، آن RNA باید می‌توانست بدون کمک پروتئین‌ها از خودش نسخه‌هایی بسازد. تریسی لینکلن (T.Lincoln) و جرالد جویس (G.Joyce) از پژوهشگاه اسکریپس در سن‌دیه‌گو در کالیفرنیا، این هفته روی سایت ژورنال «ساینس» نشان داده‌اند که چگونه چنین چیزی می‌تواند امکان‌پذیر باشد. آنها یک جفت مولکول RNA طراحی کردند که به همدیگر متصل می‌شوند و نوکلئوتیدهای سرگردان را متناظر با جفت خود مونتاژ می‌کنند. وقتی همانندسازی کامل شد، مولکول‌های RNA قدیمی و جدید از هم جدا و به جفت‌های جدیدی متصل می‌شوند تا RNA جدید بسازند. لینکلن و جویس دریافتند که جمعیتی از مولکول‌های RNA ظرف ۳۰ ساعت می‌توانند ۱۰۰ میلیون بار بزرگ‌تر شوند. لینکلن و جویس مولکول‌های RNAشان را در بشر آزمایشگاه نگه داشتند. اما روی زمین اولیه RNA همانندساز احتمالا در سلول‌های نخستین بسته‌بندی می‌شد. جک ژوستاک (J.Szostak) و همکاران‌اش در دانشکده پزشکی هاروارد در بوستون در این‌باره تحقیق کرده‌اند که اسیدهای چرب و مولکول‌های دیگر چگونه ممکن است روی زمین اولیه RNA را به دام انداخته و نخستین پیش‌سلول‌ها را به وجود آورده باشند. ژوستاک می‌گوید: «هدف داشتن چیزی است که بتواند خودش فقط با استفاده از شیمی همانندسازی کند.»
او و همکاران‌اش پس از دو دهه به مولکول‌های RNAای دست یافته‌اند که می‌توانند از دیگر مولکول‌های RNA کوتاه کپی‌هایی بسازند. آنها توانسته‌اند RNA و اسیدهای چرب را طوری با هم مخلوط کنند که RNA در حباب‌هایی به دام افتد. این حباب‌ها می‌توانند به غشا خود اسید چرب اضافه کرده و رشد کنند. در ژوئیه ۲۰۰۸ ژوستاک گزارش داد که دریافته است پیش‌سلول‌ها چگونه می‌توانند «تغذیه» کنند و برای ساخت RNA نوکلئوتیدها را به درون بیاورند. همه سلول‌های زنده برای عبور دادن نوکلئوتیدها از غشا خود به کانال‌های پیچیده‌ای وابسته‌اند. پرسشی که در اینجا مطرح می‌شود این است که غشا یک پیش‌سلول ابتدایی چگونه این مولکول‌ها را به درون می‌آورد. ژوستاک و همکاران‌اش با انجام آزمایش‌هایی با دستورعمل‌های مختلف برای ساخت غشا، به پیش‌سلول‌هایی رسیده‌اند که آنقدر نشتی دارند که اسیدهای نوکلئیک را به درون راه می‌دهند تا در آنجا بتوانند به شکل RNA روی هم سوار شوند، اما نه با سوراخ‌هایی آنقدر بزرگ که مولکول‌های درشت RNA بتوانند خارج شوند. از این گذشته آزمایش‌های آنها نشان داد که این حباب‌ها در گستره حرارتی بیش از ۱۰۰ درجه سانتیگراد هم زنده می‌مانند. ژوستاک دریافته است که پیش‌سلول‌ها در دماهای بالا، نوکلئوتیدها را به سرعت به درون می‌کشند و در دماهای پایین‌تر مولکول‌های RNA را سریع‌تر می‌سازند. به عقیده او چرخه‌های دمایی منظم ممکن است به بقای پیش‌سلول‌ها روی زمین اولیه کمک کرده باشند. می‌توانستند هرگاه گرم بودند نوکلئوتیدها را به درون بکشند و هرگاه دما افت می‌کرد از آنها برای ساخت RNA استفاده کنند. در پیش‌سلول‌های ژوستاک، نوکلئوتیدها در امتداد الگویی از جنس RNA چیده می‌شوند. در دماهای پایین رشته‌های RNA تمایل دارند به همدیگر بچسبند. وقتی پیش‌سلول دوباره گرم می‌شود، این حرارت ممکن است سبب شود که دو رشته از هم جدا شوند و به این ترتیب به مولکول جدید RNA امکان فعالیت دهد. اکنون ژوستاک مشغول انجام آزمایش‌هایی است تا پیش‌سلول‌هایش را به حیات نزدیک‌تر کند. او دارد اشکال جدیدی از RNA می‌سازد که ممکن است بتوانند مولکول‌های درازتر را سریع‌تر همانندسازی کنند. از نظر او آزمون حقیقی آزمایش‌هایش آن خواهد بود که آیا پیش‌سلول‌هایش علاوه بر رشد و تولیدمثل، تکامل هم می‌یابند یا خیر. ژوستاک می‌گوید: «از نظر من پیدایش حیات و پیدایش تکامل داروینی اساسا یکی هستند.» و اگر داروین امروز زنده بود، به احتمال زیاد مشتاق بود که خیلی بیشتر درباره چگونگی آغاز حیات بنویسد.

منبع : روزنامه اعتماد ملی