الأصل الجزيئي للحياة: ما الذي تشكل أولاً - البروتين أم الحمض النووي أم الحمض النووي الريبي أم مزيج منهما؟

«لقد تمت الإجابة على العديد من الأسئلة حول أصل الحياة، لكن لا يزال هناك الكثير مما يجب دراسته»، هذا ما قاله ستانلي ميلر وهارولد يوري في عام 1959 بعد إعلانهما عن تخليق الأحماض الأمينية في المختبر في ظروف الأرض البدائية. وعلى الرغم من التقدم الكبير الذي أحرزناه، لا يزال العلماء يواجهون سؤالًا جوهريًا: أي مادة وراثية تشكلت أولًا على الأرض البدائية، الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) أم الحمض النووي الريبوزي (RNA )، أم مزيج منهما؟ وتشير الأدلة الحالية إلى أن الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين والحمض النووي الريبوزي ربما تعايشا في الحساء البدائي الذي تطورت منه أشكال الحياة بموادها الوراثية الخاصة.

تنصّ العقيدة المركزية لعلم الأحياء الجزيئي على أن الحمض النووي DNA يُنتج البروتينات، والحمض النووي RNA يُنتج البروتينات . وتُعدّ البروتينات مسؤولة عن غالبية التفاعلات التي تحدث في الكائن الحي، إن لم تكن جميعها. وتعتمد وظائف الكائن الحي بشكل أساسي على وجود جزيئات البروتين وتفاعلها . ووفقًا لهذه العقيدة، تُنتَج البروتينات من المعلومات الموجودة في الحمض النووي DNA ، والتي تُحوَّل إلى بروتين وظيفي عبر جزيء ناقل يُسمى RNA. ومع ذلك، من الممكن أن تتمكن البروتينات نفسها من البقاء على قيد الحياة بشكل مستقل دون الحاجة إلى DNA أو RNA ، كما هو الحال مع البريونات ( جزيئات بروتينية مشوهة لا تحتوي على DNA أو RNA )، ولكنها قادرة على البقاء بمفردها.

وبالتالي ، يمكن أن يكون هناك ثلاثة سيناريوهات لأصل الحياة.

أ) إذا كانت البروتينات أو مكوناتها الأساسية قادرة على التكوّن لا حيويًا خلال الغلاف الجوي الذي كان موجودًا قبل مليارات السنين في الحساء البدائي، فيمكن اعتبار البروتينات أساسًا لنشأة الحياة . ويأتي الدليل التجريبي المؤيد لذلك من تجربة ستانلي ميلر الشهيرة< ^sup>1،2</sup> ، والتي أظهرت أنه عند خلط مزيج من الميثان والأمونيا والماء والهيدروجين وتدويره أمام تفريغ كهربائي، يتكوّن مزيج من الأحماض الأمينية. وقد تم تأكيد ذلك مرة أخرى بعد سبع سنوات^³ في عام 1959 من قبل ستانلي ميلر وهارولد يوري، حيث ذكرا أن وجود غلاف جوي مختزل في الأرض البدائية أدى إلى تخليق المركبات العضوية في وجود الغازات المذكورة أعلاه بالإضافة إلى كميات أقل من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون. وقد شكك المجتمع العلمي لسنوات عديدة في أهمية تجارب ميلر ويوري، معتقدين أن مزيج الغازات المستخدم في بحثهم كان مختزلًا للغاية مقارنة بالظروف التي كانت سائدة على الأرض البدائية. أشارت عدة نظريات إلى وجود جو متعادل يحتوي على فائض من ثاني أكسيد الكربون مع النيتروجين وبخار الماء ^. ومع ذلك، فقد تم تحديد الجو المتعادل أيضًا كبيئة محتملة لتخليق الأحماض الأمينية ^. إضافةً إلى ذلك، لكي تعمل البروتينات كمصادر للحياة، يجب أن تكون قادرة على التضاعف الذاتي، مما يؤدي إلى مزيج من البروتينات المختلفة لتلبية التفاعلات المختلفة التي تحدث في الكائن الحي.

ب) إذا وفر الحساء البدائي الظروف اللازمة لتكوين لبنات بناء الحمض النووي DNA و/أو الحمض النووي الريبي RNA ، فمن الممكن أن يكون أي منهما المادة الوراثية. وقد رجّحت الأبحاث حتى الآن أن يكون الحمض النووي الريبي RNA هو المادة الوراثية لنشأة أشكال الحياة، وذلك لقدرته على الالتفاف على نفسه، ووجوده كسلسلة مفردة، وعمله كإنزيم ⁶ ، قادر على إنتاج المزيد من جزيئات الحمض النووي الريبي . وقد تم اكتشاف عدد من إنزيمات الحمض النووي الريبي ذاتية التضاعف ⁷ على مر السنين، مما يشير إلى أن الحمض النووي الريبي هو المادة الوراثية الأولية. وقد تعزز هذا الطرح من خلال الأبحاث التي أجراها فريق جون ساذرلاند، والتي أدت إلى تكوين قاعدتين من الحمض النووي الريبي في بيئة مشابهة للحساء البدائي، وذلك بإضافة الفوسفات إلى المزيج ^8. كما تم إثبات تكوين لبنات بناء الحمض النووي الريبي من خلال محاكاة جو مختزل (يحتوي على الأمونيا وأول أكسيد الكربون والماء)، مشابه للجو المستخدم في تجربة ميلر-يوري، ثم تمرير تفريغات كهربائية وأشعة ليزر عالية الطاقة من خلاله ⁹ . إذا كان يُعتقد أن الحمض النووي الريبوزي (RNA) هو الأصل، فمتى وكيف نشأ الحمض النووي (DNA) والبروتينات؟ هل تطور الحمض النووي (DNA) كمادة وراثية لاحقًا بسبب عدم استقرار الحمض النووي الريبوزي (RNA)، ثم تبعته البروتينات؟ لا تزال الإجابات على كل هذه الأسئلة بلا إجابة.

ج) السيناريو الثالث الذي يُشير إلى إمكانية تعايش الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبي RNA في الحساء البدائي الذي أدى إلى نشأة الحياة، جاء من دراسات نُشرت في 3 ^يونيو 2020 من قِبل فريق جون ساذرلاند من مختبر مجلس البحوث الطبية في كامبريدج، المملكة المتحدة. قام الباحثون بمحاكاة الظروف التي كانت سائدة على الأرض البدائية قبل مليارات السنين، باستخدام برك ضحلة في المختبر. في البداية، قاموا بإذابة مواد كيميائية تُكوّن الحمض النووي الريبي RNA في الماء، ثم تجفيفها وتسخينها، ثم تعريضها للأشعة فوق البنفسجية التي تُحاكي أشعة الشمس في ذلك الزمن البدائي. لم يُؤدِّ هذا إلى تخليق لبنات بناء الحمض النووي الريبي RNA فحسب ، بل أيضًا إلى تخليق الحمض النووي DNA ، مما يُشير إلى أن كلا الحمضين النوويين تعايشا في زمن نشأة الحياة^.

استنادًا إلى المعرفة المعاصرة الموجودة اليوم وتكريمًا للعقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية ، يبدو من المعقول أن يكون الحمض النووي والحمض النووي الريبي يتعايشان مما أدى إلى نشوء الحياة وتكوين البروتين جاء / حدث لاحقًا.

مع ذلك، يتساءل الكاتب عن سيناريو آخر، حيث وُجدت الجزيئات الحيوية الثلاثة المهمة، وهي الحمض النووي DNA والحمض النووي RNA والبروتين، معًا في الحساء البدائي. ربما كانت الظروف المعقدة التي سادت في الحساء البدائي، بما في ذلك الطبيعة الكيميائية لسطح الأرض، والانفجارات البركانية، ووجود غازات مثل الأمونيا والميثان وأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون، بالإضافة إلى الماء، مثالية لتكوّن جميع هذه الجزيئات. وقد أشارت دراسة أجراها فيروس وآخرون إلى ذلك، حيث تكوّنت القواعد النيتروجينية في نفس البيئة المختزلة ^{المستخدمة} في تجربة ميلر-يوري. إذا صدّقنا هذه الفرضية، فسنجد أن الكائنات الحية المختلفة، خلال مسار التطور، قد تبنّت مادة وراثية أو أخرى ساهمت في استمرار وجودها.

ومع ذلك ، بينما نحاول فهم أصل أشكال الحياة ، هناك حاجة إلى مزيد من البحث للإجابة على الأسئلة الأساسية وذات الصلة حول كيفية نشأة الحياة وانتشارها. سيتطلب هذا نهجًا "خارج الصندوق" دون الاعتماد على أي تحيزات تم إدخالها في تفكيرنا من خلال العقائد الحالية المتبعة في العلم.

***

المراجع:

1. ميلر، س.، 1953. إنتاج الأحماض الأمينية في ظل ظروف الأرض البدائية المحتملة. مجلة ساينس. 15 مايو 1953: المجلد 117، العدد 3046، الصفحات 528-529. DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528

٢. بادا، جيه إل، لازكانو، أ. وآخرون، ٢٠٠٣. حساء البريبايوتيك - إعادة النظر في تجربة ميلر. مجلة ساينس، ٢ مايو ٢٠٠٣: المجلد ٣٠٠، العدد ٥٦٢٠، الصفحات ٧٤٥-٧٤٦. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145

3. ميلر، إس. إل. ويوري، إتش. سي.، 1959. تخليق المركبات العضوية على الأرض البدائية. مجلة ساينس، 31 يوليو 1959: المجلد 130، العدد 3370، الصفحات 245-251. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245

٤. كاستينغ، جيه إف، وهوارد، إم تي. ٢٠٠٦. التركيب الجوي والمناخ على الأرض في بداياتها. معاملات الجمعية الملكية بلندن، العلوم البيولوجية ٣٦١: ١٧٣٣-١٧٤١ (٢٠٠٦). تاريخ النشر: ٧ سبتمبر ٢٠٠٦. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902

5. كليفز إتش جيه، تشالمرز جيه إتش، وآخرون، 2008. إعادة تقييم التخليق العضوي ما قبل الحيوي في الأغلفة الجوية الكوكبية المحايدة. أصل الحياة وتطور الغلاف الحيوي 38: 105-115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3

٦. زوغ، أ. ج.، وسيش، ت. ر. ١٩٨٦. الحمض النووي الريبوزي المتداخل في التتراهيمينا هو إنزيم. مجلة ساينس، ٣١ يناير ١٩٨٦: المجلد ٢٣١، العدد ٤٧٣٧، الصفحات ٤٧٠-٤٧٥. DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911

7. ووشنر أ، أتووتر ج، وآخرون 2011. النسخ المحفز بالريبوزيم لريبوزيم نشط. مجلة ساينس، 08 أبريل: المجلد 332، العدد 6026، الصفحات 209-212 (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752

8. باونر، م.، جيرلاند، ب.، وسوذرلاند، ج.، 2009. تخليق نيوكليوتيدات البيريميدين الريبوزية المنشطة في ظروف محتملة لما قبل الحياة. نيتشر 459، 239-242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013

٤. فيروس م، بيتروتشي ف، وآخرون، ٢٠١٧. تكوين القواعد النيتروجينية في جو اختزالي من نوع ميلر-يوري. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم، ٢٥ أبريل ٢٠١٧، ١١٤ (١٧)، ٤٣٠٦-٤٣١١؛ نُشر لأول مرة في ١٠ أبريل ٢٠١٧. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114

١٠. شو، ج.، تشميلا، ف.، غرين، ن. وآخرون. ٢٠٢٠. التكوين الانتقائي للنيوكليوسيدات البيريميدينية في الحمض النووي الريبي والنيوكليوسيدات البيورينية في الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين في مرحلة ما قبل الحياة. مجلة نيتشر ٥٨٢، ٦٠-٦٦ (٢٠٢٠). تاريخ النشر: ٣ يونيو ٢٠٢٠. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

***