كيف نشأت اللبنات الأساسية للحياة؟
لقد حير هذا السؤال العلماء لفترة طويلة. كانت الأرض المبكرة مليئة ببرك من المياه الغنية بالمواد الكيميائية - حساء بدائي. ومع ذلك، ظهرت الجزيئات الحيوية الداعمة للحياة من هذه الخلائط، مما مهد الطريق لظهور الخلايا الأولى.
بدأت الحياة عندما تشكل عنصران. أحدهما كان عبارة عن حامل جزيئي - مثل الحمض النووي على سبيل المثال - لتمرير المخططات الجينية وإعادة مزجها. أما المكون الآخر فيتكون من البروتينات والعناصر الهيكلية للجسم.
كلا الجزيئين الحيويين معقدان للغاية. في البشر، يحتوي الحمض النووي على أربعة "أحرف" كيميائية مختلفة تسمى النيوكليوتيدات، في حين تتكون البروتينات من 20 نوعًا من الأحماض الأمينية. تحتوي المكونات على هياكل متميزة، ويتطلب إنشائها كيمياء مختلفة قليلاً. يجب أن تكون المنتجات النهائية بكميات كبيرة بما يكفي لربطها معًا في الحمض النووي أو البروتينات.
يمكن للعلماء تنقية المكونات في المختبر باستخدام المواد المضافة. لكن السؤال الذي يطرح نفسه: كيف حدث ذلك على الأرض المبكرة؟
الجواب، كما يقترح الدكتور كريستوف ماست، الباحث في جامعة لودفيغ ماكسيميليانز في ميونيخ، قد يكون شقوقًا في الصخور مثل تلك التي تحدث في البراكين أو أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية التي كانت وفيرة على الأرض المبكرة. من الممكن أن تؤدي اختلافات درجات الحرارة على طول الشقوق إلى فصل مكونات الجزيئات الحيوية وتركيزها بشكل طبيعي، مما يوفر نظامًا سلبيًا لتنقية الجزيئات الحيوية.
مستوحاة من الجيولوجيا، قام الفريق بتطوير غرف تدفق الحرارة بحجم بطاقة البنك تقريبًا، تحتوي كل منها على كسور صغيرة مع تدرج في درجة الحرارة. عند إعطاء خليط من الأحماض الأمينية أو النيوكليوتيدات - "مزيج البريبايوتك" - يتم فصل المكونات بسهولة.
إن إضافة المزيد من الغرف يزيد من تركيز المواد الكيميائية، حتى تلك التي كانت مماثلة في البنية. كما مكنت شبكة الكسور أيضًا الأحماض الأمينية من الترابط، وهي الخطوة الأولى نحو تكوين بروتين فعال.
"يُعتقد أن أنظمة الكسور والشقوق الرقيقة المترابطة ... موجودة في كل مكان في البيئات البركانية والحرارية الأرضية" كتب الفريق. ومن خلال إثراء المواد الكيميائية التي تسبق الحيوية، كان من الممكن أن توفر مثل هذه الأنظمة "قوة دافعة ثابتة لمختبر أصول الحياة الطبيعية".
تخمير الحياة
قبل حوالي أربعة مليارات سنة، كانت الأرض بيئة معادية، تضربها النيازك وتعج بالانفجارات البركانية. ومع ذلك، وبطريقة ما، وسط هذه الفوضى، أنتجت الكيمياء أولى الأحماض الأمينية، والنيوكليوتيدات، والدهون الدهنية، وغيرها من وحدات البناء التي تدعم الحياة.
التي العمليات الكيميائية التي ساهمت في تكوين هذه الجزيئات أمر مطروح للنقاش. متى كل جاء هو أيضًا لغز. مثل مشكلة "الدجاجة أو البيضة"، يوجه الحمض النووي الريبوزي (DNA) والحمض النووي الريبوزي (RNA) عملية إنشاء البروتينات في الخلايا، ولكن كلا الحاملين الجينيين يحتاجان أيضًا إلى بروتينات للتكاثر.
تشير إحدى النظريات الأنيونات الكبريتيدية، وهي الجزيئات التي كانت متوفرة بكثرة في البحيرات والأنهار على الأرض في وقت مبكر، يمكن أن يكون الرابط. تتولد في الانفجارات البركانية، وبمجرد ذوبانها في برك من الماء يمكنها تسريع التفاعلات الكيميائية التي تحول جزيئات البريبايوتك إلى RNA. تشير الفكرة، التي يطلق عليها اسم فرضية "عالم الحمض النووي الريبوزي"، إلى أن الحمض النووي الريبي كان أول جزيء حيوي يزين الأرض لأنه يمكنه حمل المعلومات الوراثية وتسريع بعض التفاعلات الكيميائية.
فكرة اخرى إن تأثيرات النيزك على الأرض المبكرة ولدت النيوكليوتيدات والدهون والأحماض الأمينية في وقت واحد، من خلال عملية تتضمن مادتين كيميائيتين وفيرتين - واحدة من النيازك والأخرى من الأرض - واندفاعة من الأشعة فوق البنفسجية.
ولكن هناك مشكلة واحدة: كل مجموعة من وحدات البناء تتطلب تفاعلًا كيميائيًا مختلفًا. اعتمادًا على الاختلافات الطفيفة في البنية أو الكيمياء، من الممكن أن يكون أحد المواقع الجغرافية قد انحرف نحو نوع واحد من جزيئات البريبايوتيك على نوع آخر.
كيف؟ الدراسة الجديدة التي نشرت في الطبيعة، يقدم إجابة.
شبكات الأنفاق
عادةً ما تبدأ التجارب المعملية التي تحاكي الأرض المبكرة بمكونات محددة جيدًا تم تنقيتها بالفعل. يقوم العلماء أيضًا بتنظيف المنتجات الجانبية الوسيطة، خاصة بالنسبة لخطوات التفاعل الكيميائي المتعددة.
وكتب الفريق أن هذه العملية غالبا ما تؤدي إلى "تلاشي تركيزات صغيرة من المنتج المرغوب"، أو يمكن حتى منع إنتاجه تماما. تتطلب التفاعلات أيضًا غرفًا متعددة منفصلة مكانيًا، والتي بالكاد تشبه البيئة الطبيعية للأرض.
الدراسة الجديدة مستوحاة من الجيولوجيا. كانت الأرض المبكرة تحتوي على شبكات معقدة من الشقوق المملوءة بالمياه الموجودة في مجموعة متنوعة من الصخور في البراكين وأنظمة الطاقة الحرارية الأرضية. وشكلت الشقوق، الناتجة عن ارتفاع درجة حرارة الصخور، "قشًا" طبيعيًا يمكنه تصفية مزيج معقد من الجزيئات باستخدام التدرج الحراري.
يفضل كل جزيء درجة الحرارة المفضلة بناءً على حجمه وشحنته الكهربائية. عندما تتعرض لدرجات حرارة مختلفة، فإنها تتحرك بشكل طبيعي نحو اختيارها المثالي. تسمى هذه العملية بالرحلان الحراري، وهي تفصل حساء المكونات إلى طبقات متعددة متميزة في خطوة واحدة.
قام الفريق بمحاكاة كسر صخري رفيع باستخدام غرفة التدفق الحراري. كانت الغرفة بحجم بطاقة مصرفية تقريبًا، وكانت تحتوي على شقوق صغيرة يبلغ عرضها 170 ميكرومترًا، أي بعرض شعرة الإنسان تقريبًا. ولإنشاء تدرج في درجة الحرارة، تم تسخين جانب واحد من الغرفة إلى 104 درجة فهرنهايت وتبريد الطرف الآخر إلى 77 درجة فهرنهايت.
في الاختبار الأول، أضاف الفريق مزيجًا من مركبات البريبايوتك التي تشمل الأحماض الأمينية ونيوكليوتيدات الحمض النووي إلى الغرفة. وبعد 18 ساعة، تنقسم المكونات إلى طبقات مثل التيراميسو. على سبيل المثال، الجلايسين - وهو أصغر الأحماض الأمينية - أصبح مركَّزًا نحو الأعلى، في حين أن الأحماض الأمينية الأخرى ذات القوة الحرارية الأعلى التصقت بالأسفل. وبالمثل، انفصلت أيضًا حروف الحمض النووي والمواد الكيميائية الأخرى التي تحافظ على الحياة في الشقوق، مع تعزيز بعضها بنسبة تصل إلى 45 بالمائة.
على الرغم من أنه واعد، إلا أن النظام لم يشبه الأرض المبكرة، التي كانت تحتوي على شقوق مترابطة للغاية ومتفاوتة في الحجم. ولمحاكاة الظروف الطبيعية بشكل أفضل، قام الفريق بعد ذلك بتركيب ثلاث غرف، مع تفرع الأولى إلى غرفتين أخريين. كان هذا أكثر كفاءة بحوالي 23 مرة في إثراء المواد الكيميائية قبل الحيوية مقارنة بغرفة واحدة.
وباستخدام محاكاة حاسوبية، قام الفريق بعد ذلك بنمذجة سلوك نظام حجرة مترابطة 20 × 20، باستخدام معدل تدفق واقعي للمواد الكيميائية قبل الحيوية. تعمل الغرف على إثراء المشروب بشكل أكبر، مع إثراء الجلايسين بأكثر من 2,000 مرة أكثر من الأحماض الأمينية الأخرى.
التفاعلات الكيميائية
تعتبر المكونات النظيفة بداية رائعة لتكوين الجزيئات المعقدة. لكن الكثير من التفاعلات الكيميائية تتطلب مواد كيميائية إضافية، والتي تحتاج أيضًا إلى إثرائها. هنا، ركز الفريق على تفاعل يجمع جزيئين من الجليسين معًا.
يوجد في القلب ثلاثي ميتافوسفات (TMP)، الذي يساعد في توجيه التفاعل. يعتبر TMP مثيرًا للاهتمام بشكل خاص في كيمياء ما قبل الحيوية، وكان نادرًا على الأرض المبكرة، كما أوضح الفريق، مما "يجعل من إثرائه الانتقائي أمرًا بالغ الأهمية". قامت غرفة واحدة بزيادة مستويات TMP عند مزجها مع مواد كيميائية أخرى.
وباستخدام محاكاة حاسوبية، أدى مزيج TMP والجليسين إلى زيادة المنتج النهائي - وهو جليسين مضاعف - بمقدار خمسة أوامر من حيث الحجم.
وكتب الفريق: "تُظهر هذه النتائج أن تفاعلات البريبايوتيك الصعبة يتم تعزيزها بشكل كبير" من خلال التدفقات الحرارية التي تعمل على إثراء المواد الكيميائية بشكل انتقائي في مناطق مختلفة.
في المجمل، قاموا باختبار أكثر من 50 جزيءًا من البريبايوتك ووجدوا أن الكسور تفصلهم بسهولة. ونظرًا لأن كل صدع يمكن أن يحتوي على مزيج مختلف من الجزيئات، فقد يفسر ظهور العديد من وحدات البناء التي تدعم الحياة.
ومع ذلك، فإن كيفية تجميع وحدات بناء الحياة معًا لتكوين الكائنات الحية لا تزال غامضة. من المحتمل أن تكون التدفقات الحرارية والشقوق الصخرية مجرد قطعة واحدة من اللغز. سيكون الاختبار النهائي هو معرفة ما إذا كانت هذه البريبايوتكس المنقاة ترتبط لتكوين خلية، وكيف ذلك.
مصدر الصورة: كريستوف بي ماست
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://singularityhub.com/2024/04/05/lifes-origins-fissures-in-hot-rocks-may-have-kickstarted-biochemistry/
