المركز العربي للمناخ – المهندس احمد العربيد
عبر مليارات السنين من التطور، أصبحت الخلايا الحديثة معقدة للغاية. داخل الخلايا توجد حُجيرات صغيرة تُسمى العضيات، التي تؤدي وظائف محددة أساسية لبقاء الخلية وعمليتها. على سبيل المثال، يُخزِّن النواة المادة الوراثية، بينما تنتج الميتوكوندريا الطاقة.
جزء أساسي آخر من الخلية هو الغشاء الذي يحيط بها. تتحكم البروتينات المدمجة على سطح الغشاء في حركة المواد الداخلة والخارجة من الخلية.
لقد سمح هذا التركيب المعقد للغشاء بتطور التعقيد الحيوي كما نعرفه اليوم. لكن كيف استطاعت أقدم الخلايا وأبسطها الحفاظ على كل ذلك قبل أن تتطور الهياكل الغشائية المعقدة؟
في بحثنا الذي نُشر مؤخرًا في مجلة “ساينس أدفانس”، استكشفنا مع زملائي من جامعة شيكاغو وجامعة هيوستن إمكانية مثيرة للاهتمام، وهي أن مياه الأمطار لعبت دورًا حاسمًا في استقرار الخلايا المبكرة، مما مهد الطريق لتعقيد الحياة.
أصل الحياة
تعتبر كيفية بدء الحياة على الأرض واحدة من أكثر الأسئلة إثارة للاهتمام في العلوم. لطالما تساءل العلماء عن كيفية تحول المادة غير الحية مثل الماء والغازات والرواسب المعدنية إلى خلايا حية قادرة على التكاثر والتمثيل الغذائي والتطور.
أجرى الكيميائيان ستانلي ميلر وهارولد يوري في جامعة شيكاغو تجربة في عام 1953، أثبتت أن المركبات العضوية المعقدة – أي الجزيئات القائمة على الكربون – يمكن أن تُركب من مركبات عضوية وغير عضوية أبسط.
باستخدام الماء والميثان والأمونيا وغازات الهيدروجين والشرارات الكهربائية، تمكن هذان الكيميائيان من تشكيل الأحماض الأمينية. يعتقد العلماء أن أقدم أشكال الحياة، والتي تُسمى البروتوكريات، ظهرت تلقائيًا من الجزيئات العضوية الموجودة على الأرض في بداياتها.
كانت هذه الهياكل البدائية الشبيهة بالخلايا تتكون على الأرجح من مادتين أساسيتين: مادة مصفوفة توفر إطارًا هيكليًا، ومادة وراثية تحمل التعليمات اللازمة لعمل البروتوكريات.
مع مرور الوقت، كانت هذه البروتوكريات قد تطورت تدريجياً القدرة على التكاثر وتنفيذ العمليات الأيضية. هناك ظروف معينة ضرورية لحدوث التفاعلات الكيميائية الأساسية، مثل مصدر طاقة ثابت، ومركبات عضوية، وماء.
تُشكل الحُجيرات الناتجة عن المصفوفة والغشاء بيئة مستقرة ضرورية لتركيز المواد المتفاعلة وحمايتها من البيئة الخارجية، مما يسمح بحدوث التفاعلات الكيميائية الضرورية.
ومن ثم، تطرح سؤالان هاما: ما هي المواد التي كانت تُصنع منها المصفوفة والغشاء في البروتوكريات؟ وكيف ساعدت هذه المواد الخلايا المبكرة في الحفاظ على الاستقرار والوظيفة التي تحتاجها لتتحول إلى الخلايا المعقدة التي تشكل جميع الكائنات الحية اليوم؟
الفقاعات مقابل القطرات
يقترح العلماء أن نموذجين مختلفين من البروتوكريات – الحويصلات والمجاميع المترسبة (Coacervates) – قد لعبوا دورًا محوريًا في المراحل المبكرة للحياة.
الحويصلات هي فقاعات صغيرة، مثل الصابون في الماء. تتكون من جزيئات دهنية تُسمى الدهون، والتي تتشكل بشكل طبيعي على شكل صفائح رقيقة. تتشكل الحويصلات عندما تتجعد هذه الصفائح إلى شكل كروي يمكنه احتواء المواد الكيميائية وحماية التفاعلات الأساسية من الظروف القاسية والانحلال المحتمل.
تشبه الحويصلات، مثل جيوب صغيرة من الحياة، هيكل ووظيفة الخلايا الحديثة. ومع ذلك، على عكس أغشية الخلايا الحديثة، فإن حويصلات البروتوكريات كانت تفتقر إلى البروتينات المتخصصة التي تسمح باختيار دخول وخروج الجزيئات من الخلية وتمكّن التواصل بين الخلايا.
بدون هذه البروتينات، كانت قدرة حويصلات البروتوكريات على التفاعل بفعالية مع بيئتها محدودة، مما قيد إمكاناتها للحياة.
من ناحية أخرى، تتكون المجاميع المترسبة من قطرات تتكون من تراكم الجزيئات العضوية مثل الببتيدات والأحماض النووية. تتشكل عندما تلتصق الجزيئات العضوية ببعضها البعض بسبب الخصائص الكيميائية التي تجذبها، مثل القوى الكهروستاتيكية بين الجزيئات المشحونة بشكل متعاكس.
يمكن تصور المجاميع المترسبة على أنها قطرات من زيت الطهي معلقة في الماء. مثل قطرات الزيت، فإن بروتوكريات المجاميع المترسبة تفتقر إلى غشاء. بدون غشاء، يمكن أن يتبادل الماء المحيط المواد بسهولة مع البروتوكريات.
تساعد هذه الميزة الهيكلية المجاميع المترسبة على تركيز المواد الكيميائية وتسريع التفاعلات الكيميائية، مما يخلق بيئة حيوية لبناء اللبنات الأساسية للحياة.
وبالتالي، يبدو أن غياب الغشاء يجعل المجاميع المترسبة مرشحًا أفضل للبروتوكريات مقارنةً بالحويصلات. ومع ذلك، فإن عدم وجود غشاء يمثل أيضًا عيبًا كبيرًا: وهو احتمال تسرب المادة الوراثية.
بروتوكريات غير مستقرة وذات تسرب
بعد بضع سنوات من اكتشاف الكيميائيين الهولنديين لقطرات المجاميع المترسبة في عام 1929، اقترح الكيميائي الروسي ألكسندر أوبارين أن المجاميع المترسبة كانت النموذج الأقدم للبروتوكريات.
جادل بأن قطرات المجاميع المترسبة قدمت شكلًا بدائيًا من التقسيم الضروري للعمليات الأيضية المبكرة والتكاثر الذاتي.
لاحقًا، اكتشف العلماء أن المجاميع المترسبة يمكن أن تتكون أحيانًا من بوليمرات مشحونة بشكل متعاكس: وهي جزيئات طويلة تشبه السباغيتي على مقياس الجزيئات، تحمل شحنات كهربائية متعاكسة.
عندما يتم خلط البوليمرات ذات الشحنات الكهربائية المتعاكسة، فإنها تميل إلى جذب بعضها البعض والالتصاق معًا لتشكيل قطرات بدون غشاء.
قدم غياب الغشاء تحديًا: حيث تندمج القطرات بسرعة مع بعضها البعض، مثل تجمع قطرات الزيت الفردية في الماء لتكوين كتلة كبيرة.
علاوة على ذلك، سمح غياب الغشاء للـ RNA – وهو نوع من المادة الوراثية يُعتقد أنه الشكل الأقدم من الجزيئات القابلة للتكاثر الذاتي، وهو أمر حيوي للمراحل المبكرة للحياة – بالتبادل بسرعة بين البروتوكريات.
أظهر زميلي جاك سوزتاك في عام 2017 أن الانصهار السريع وتبادل المواد يمكن أن يؤدي إلى خلط غير متحكم فيه للـ RNA، مما يجعل من الصعب على التسلسلات الوراثية المستقرة والمتميزة أن تتطور.
أشارت هذه القيود إلى أن المجاميع المترسبة قد لا تتمكن من الحفاظ على التقسيم الضروري للحياة المبكرة.
التقسيم هو شرط صارم للتطور والانتقاء الطبيعي. إذا اندمجت بروتوكريات المجاميع المترسبة باستمرار، واستمر تبادل جيناتها مع بعضها البعض، فإن جميعها ستشبه بعضها دون أي تنوع جيني.
بدون تنوع جيني، لن يكون لدى أي بروتوكريا احتمال أعلى للبقاء والتكاثر ونقل جيناتها إلى الأجيال القادمة.
لكن الحياة اليوم تزدهر بتنوع المواد الوراثية، مما يشير إلى أن الطبيعة وجدت حلاً ما لمواجهة هذه المشكلة. وبالتالي، كان من الضروري وجود حل ما، ربما يكون مختبئًا في العلن.
مياه الأمطار والـ RNA
أظهرت دراسة أجريتها في عام 2022 أن قطرات المجاميع المترسبة يمكن أن تُستقر وتجنب الانصهار إذا تم غمرها في الماء المنزوع الأيونات – وهو ماء خالٍ من الأيونات والمعادن المذابة.
تخرج القطرات أيونات صغيرة إلى الماء، مما يسمح على الأرجح للجزيئات البوليمرية ذات الشحنات المتعاكسة على الحواف بالاقتراب من بعضها البعض وتشكيل طبقة جلدية شبكية. تعمل هذه “الجدران” الشبكية على عرقلة انصهار القطرات.
بعد ذلك، مع زملائي والمتعاونين، بما في ذلك ماثيو تيريل وجاك سوزتاك، درست تبادل المادة الوراثية بين البروتوكريات. وضعنا مجموعتين منفصلتين من البروتوكريات، تم معالجتهما بالماء المنزوع الأيونات، في أنابيب اختبار.
احتوت إحدى هذه المجموعات على الـ RNA. عندما تم خلط المجموعتين، ظل الـ RNA محصورًا في بروتوكرياتهما الخاصة لعدة أيام. منعت “الجدران” الشبكية للبروتوكريات تسرب الـ RNA.
في المقابل، عندما قمنا بخلط البروتوكريات التي لم تتم معالجتها بالماء المنزوع الأيونات، تسرب الـ RNA من بروتوكريا إلى أخرى في غضون ثوانٍ.
استلهم زميلي علمغير كريم من هذه النتائج، فتساءل عما إذا كان المطر، وهو مصدر طبيعي للماء الخالي من الأيونات، يمكن أن يقوم بنفس الشيء في العالم ما قبل البيولوجي. مع زميل آخر، أنوشا فونديدو، وجدت أن مياه الأمطار فعلاً تُستقر البروتوكريات ضد الانصهار.
نعتقد أن المطر قد مهد الطريق لتكوين أول خلايا.
العمل عبر التخصصات
تدرس أبحاث أصل الحياة كلاً من الفضول العلمي حول الآليات التي أدت إلى الحياة على الأرض والأسئلة الفلسفية حول مكانتنا في الكون وطبيعة الوجود.
حاليًا، تتناول أبحاثي بداية نسخ الجينات في البروتوكريات. في غياب البروتينات الحديثة التي تصنع نسخًا من الجينات داخل الخلايا، كان من المحتمل أن يعتمد العالم ما قبل البيولوجي على تفاعلات كيميائية بسيطة بين النوكليوتيدات – اللبنات الأساسية للمادة الوراثية – لعمل نسخ من الـ RNA.
فهم كيفية تجمع النوكليوتيدات لتشكيل سلسلة طويلة من الـ RNA هو خطوة حاسمة في فك شيفرة التطور ما قبل البيولوجي.
للتصدي للسؤال العميق حول أصل الحياة، من الضروري فهم الظروف الجيولوجية والكيميائية والبيئية على الأرض في وقت مبكر من حوالي 3.8 مليار سنة مضت.
لذا، فإن كشف النقاب عن بدايات الحياة لا يقتصر على علماء الأحياء. فالهندسيون الكيميائيون مثلي، والباحثون من مختلف المجالات العلمية، يستكشفون هذا السؤال الوجودي المثير.
أمان أغراوال، زميل ما بعد الدكتوراه في الهندسة الكيميائية، جامعة شيكاغو – كلية برتزكر للهندسة الجزيئية
