پیدایش حیات بر روی زمین، داستانی پیچیده و شگفتانگیز است که میلیاردها سال پیش آغاز شده. یکی از بزرگترین پرسشها این است که چگونه ماده بیجان توانسته به موجود زنده تبدیل شود؟ حال، یک مطالعه جدید و جسورانه در مجله پیشرفتهای علمی نشان میدهد که این تحول شگرف، شاید نه یک بار، بلکه دو بار رخ داده باشد.
این پژوهش بر این ایده تمرکز دارد که دو شاخه اصلی حیات، یعنی باکتریها (باکتریها) و آرکیها (آرکیها)، ممکن است به طور مستقل رازهای متابولیسم را کشف کرده و از حالت غیرزنده به زنده ارتقا یافته باشند. این کشف بر اساس تحلیل ابتداییترین واکنشهای شیمیایی که برای این تحول لازم بودهاند، صورت گرفته است.
پروفسور ویلیام مارتین، زیستشناس دانشگاه هاینریش هاینه دوسلدورف، در این باره میگوید: «نکته غافلگیرکننده این است که آنزیمهای کاتالیزکننده این واکنشها در میان شاخههای باکتریها و آرکیها مشترک نیستند.» او میگوید که این دادههای جدید تنها یک نتیجهگیری را باقی میگذارند: «شاخههای باکتریایی و آرکیایی، گذار به حالت زندگی آزاد را به طور مستقل انجام دادهاند. تنها سلولهای آزادزنده، زنده هستند.»
این ادعای بزرگی است، به خصوص که تعریف «زندگی» خود میتواند چالشبرانگیز باشد. به طور کلی، زندگی به مادهای گفته میشود که به محیط خود واکنش نشان میدهد، انرژی جذب میکند، رشد میکند و تولید مثل میکند. اما حتی این تعریف هم کامل نیست؛ ویروسها بسیاری از این ویژگیها را دارند اما معمولاً زنده محسوب نمیشوند.
یکی از ویژگیهای حیاتی و مشترک موجودات زنده، متابولیسم است؛ مجموعهای از واکنشهای شیمیایی که ارگانیسمها برای ساخت مولکولهای ضروری خود از آن استفاده میکنند. آنزیمها، پروتئینهایی هستند که این واکنشها را کاتالیز میکنند. اما این سوال پیش میآید که چگونه اولین موجودات زنده، بدون کمک آنزیمهای دیگر، توانستهاند متابولیسم خود را آغاز کنند؟
پاسخ احتمالی در محیط اطراف نهفته است. تصور میشود اولین حیات در محیطهای بسیار واکنشپذیر، مانند چشمههای آب گرم اعماقی اقیانوسها، شکل گرفته است. فلزات موجود در این محیطها میتوانستند اولین کاتالیزورهای متابولیسم باشند و ترکیبات ساده را به مولکولهای مفید تبدیل کنند.
مارتین و همکارانش در مقاله خود مینویسند که «تقریباً همه چیز درباره منشأ متابولیسم مورد بحث است، از جمله نقش انرژی، ژنتیک، خودکاتالیز، فسفات، کوفاکتورها، سیانید، CO2 و آب. اما بر سر یک نکته همه توافق دارند: شبکه حدود ۴۰۰ واکنشی که H2، CO2، NH3، H2S و فسفات را به اسیدهای آمینه، بازها و کوفاکتورها تبدیل میکند، نمیتوانسته در یک لحظه پدید آمده باشد.»
محققان ساختار پروتئینهای آنزیمی متابولیک اصلی را در ژنوم باکتریها و آرکیها بررسی کرده و الگوریتمی برای مرتبسازی آنها بر اساس پیچیدگی ابداع کردند. این کار به آنها اجازه داد تا ترتیب تکامل این آنزیمها و جدول زمانی تقریبی را مشخص کنند.
مارتین میگوید که «جد مشترک همه سلولها، جد مشترک همه سلولها (LUCA)، تنها نیمی از واکنشهای متابولیسم را با آنزیم انجام میداد. نیمه دیگر توسط فلزات محیطی که لوکا در آن میزیست، کاتالیز میشد.»
این تیم دریافت که چهار مرحله اصلی در توسعه کاتالیز (واکنشهای آنزیمی) وجود داشته است. مرحله اول کاملاً به فلزات محیطی وابسته بود. پس از تجمع مولکولهای مفید، سلولهای اولیهتر (از جمله لوکا) شروع به توسعه آنزیمهای خود کردند که برخی از وظایف کاتالیزورهای فلزی را بر عهده میگرفتند.
به تدریج، سلولهای بعدی آنزیمهای بیشتری ساختند و وابستگیشان به فلزات خارجی کمتر شد تا جایی که دیگر به آنها نیازی نداشتند. تنها در این مرحله بود که آنها «سلولهای آزادزنده» محسوب میشدند. نکته مهم این است که این اتفاق پس از جدایی باکتریها و آرکیها رخ داد و هر کدام راه خود را برای حل این مشکلات یافتند.
ناتالیا مرونیاک، زیستشناس دانشگاه هاینریش هاینه دوسلدورف، میگوید که «ما مواردی را میبینیم که نیاکان باکتریها و آرکیها به طور مستقل آنزیمهای متفاوتی را برای کاتالیز یک واکنش متابولیک ضروری تکامل دادهاند. چنین اختراعات موازیای میتوانسته راه را برای ظهور مستقل باکتریها و آرکیهای آزادزنده هموار کرده باشد.»
این مطالعه همچنین میتواند شکاف دیگری را در درک ما از منشأ حیات پر کند. مولکولی به نام ATP که امروزه منبع حیاتی انرژی برای متابولیسم است، توسط آنزیمها ساخته میشود و در شیمی پیش از حیات وجود نداشت. محققان میگویند که جایگزینی برای آن یافتهاند.
مانون شلیکر، دانشمند تکامل مولکولی در دانشگاه هاینریش هاینه دوسلدورف، میگوید که «وقتی فسفیت، شکلی از فسفر که به طور طبیعی در چشمههای آب گرم یافت میشود، را با ترکیبات آلی واکنش میدهیم، فوراً در آب واکنشهای متابولیک فسفوریلاسیون رخ میدهد. فسفیت و پالادیوم جایگزین ATP و آنزیمها میشوند؛ این شگفتانگیز است و درک تکامل اولیه را بسیار آسانتر میکند.»
با این حال، محیط شیمیایی که این واکنشها در آن رخ دادهاند، هنوز به طور دقیق مشخص نیست؛ آیا آب بوده یا مادهای غلیظتر؟
اگر یافتههای این تحقیق با پژوهشهای بیشتر تأیید شوند، ممکن است لازم باشد درخت حیات را بازنگری کنیم. معمولاً لوکا را «تنه» درخت حیات میدانیم که تمام اشکال دیگر حیات از آن منشعب شدهاند. اما شاید دو تنه کاملاً مجزا وجود داشته که قبل از زنده شدن، از ریشههای خود جدا شدهاند.
این تحقیق در مجله Science Advances منتشر شده است.
