في عام 1848، عندما كان لويس باستور كيميائيًا شابًا لا يزال على بعد سنوات من اكتشاف كيفية تعقيم الحليب، اكتشف شيئًا غريبًا حول البلورات التي تشكلت عن طريق الخطأ عندما قام الكيميائي الصناعي بغلي النبيذ لفترة طويلة جدًا. ومن المعروف أن نصف البلورات كانت عبارة عن حمض الطرطريك، وهو ملح مفيد صناعيًا ينمو بشكل طبيعي على جدران براميل النبيذ. أما البلورات الأخرى فكان لها نفس الشكل والتماثل تمامًا، لكن وجهًا واحدًا كان موجهًا في الاتجاه المعاكس.

كان الفرق صارخًا جدًا لدرجة أن باستور تمكن من فصل البلورات تحت عدسة مكبرة باستخدام ملاقط. وكتب في ورقة بحثية في ذلك العام: "إنهم في علاقة مع بعضهم البعض مثل الصورة في المرآة، في علاقتها بالشيء الحقيقي".

على الرغم من أن باستور لم يكن يعلم ذلك، إلا أنه عثر في الثمالة المتبلورة لهذا النبيذ على أحد أعمق الألغاز حول أصول الحياة على الأرض.

ما كان يراه هو خليط من جزيئات حمض الطرطريك التي لها تركيبات ذرية متطابقة وترتيبات صورة مرآة لتلك الذرات في الفضاء. كان لديهم خاصية سُميت فيما بعد "اللامركزية" نسبة إلى الكلمة اليونانية التي تعني "اليد": تمامًا كما أن أيدينا اليسرى واليمنى متضادة متماثلة لبعضهما البعض، فإن النسختين اليسرى واليمنى (أو المتصاوغات الضوئية) لجزيئات حمض الطرطريك هي متميزة وغير متكافئة.

لقد تجاوزت أهمية ملاحظة باستور اكتشاف اللامركزية، إذ كان هناك أيضًا السبب الملحوظ الذي جعله يراها. كانت البلورات الاصطناعية عبارة عن خليط من متبلورات حمض الطرطريك لأن عملية الغليان سمحت بتكوين نسخ من اليد اليسرى واليمنى بأعداد متساوية. لكن في البلورات الطبيعية من براميل النبيذ، كانت جميع جزيئات حمض الطرطريك أيمنية، لأن العنب المستخدم في صنع النبيذ، والذي يتم قطفه من الكروم الحية، لا ينتج سوى ذلك المتصاوغ.

Chirality هو توقيع الحياة كما نعرفها. مرارًا وتكرارًا، وجد علماء الكيمياء الحيوية أنه عندما تستخدم الخلايا الحية جزيئات لا انطباقية، فإنها تستخدم جزيئات لا انطباقية واحدة على وجه الحصر. على سبيل المثال، السكريات التي يتكون منها الحمض النووي كلها أيمنية. الأحماض الأمينية التي تشكل البروتينات كلها أعسر. إذا تسربت المضادات الضوئية الخاطئة إلى المستحضرات الصيدلانية، فقد تكون التأثيرات سامة أو حتى مميتة في بعض الأحيان.

لا بد أن بعض الأحداث أو سلسلة من الأحداث في وقت مبكر من تاريخ الحياة قد "كسرت المرآة"، على حد تعبير علماء الكيمياء الحيوية، مما أدى إلى عدم التماثل الجزيئي في الحياة. لقد ناقش العلماء لماذا أصبحت الحياة متجانسة، وما إذا كان من الضروري أن تحدث أم أنها مجرد صدفة. هل تأثرت التفضيلات الكيرالية في بداية الحياة من خلال عينات متحيزة من الجزيئات القادمة من الفضاء، أم أنها تطورت بطريقة ما من مخاليط بدأت كأجزاء متساوية من اليد اليمنى واليسرى؟

قال: "لقد حيرت العلماء بهذه الملاحظة". سوميترا أثافالي، أستاذ مساعد في الكيمياء العضوية بجامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس. "لقد توصلوا إلى جميع أنواع المقترحات على مر السنين، ولكن من الصعب التوصل إلى مقترحات ذات صلة جيولوجية بالفعل." علاوة على ذلك، في حين أن العديد من النظريات يمكن أن تفسر سبب تحول نوع واحد من الجزيئات إلى متجانسة، لم تفسر أي منها سبب تحول شبكات كاملة من الجزيئات الحيوية إلى ذلك.

في الآونة الأخيرة، نشرت مجموعة من جامعة هارفارد سلسلة من الأوراق البحثية التي تقدم حلاً مثيرًا للاهتمام لكيفية ظهور المثلية الجنسية في الحياة. يقترحون أن الأسطح المغناطيسية للمعادن الموجودة في المسطحات المائية على الأرض البدائية، والتي كانت مشحونة بالمجال المغناطيسي للكوكب، يمكن أن تكون بمثابة "عوامل لا انطباقية" تجذب بعض أشكال الجزيئات أكثر من غيرها، مما يؤدي إلى تضخيم عملية عدم انطباقية الجزيئات. الجزيئات البيولوجية، بدءًا من سلائف الحمض النووي الريبي (RNA) وصولاً إلى البروتينات وما بعدها. ستشرح آليتهم المقترحة كيف يمكن للتحيز في تركيبة جزيئات معينة أن يتدفق إلى الخارج ليخلق شبكة واسعة من الكيمياء اللولبية التي تدعم الحياة.

إنها ليست الفرضية الوحيدة المعقولة، ولكنها "واحدة من أروع الفرضيات لأنها تربط الجيوفيزياء بالكيمياء الجيولوجية، والكيمياء ما قبل الحيوية، [و] في نهاية المطاف بالكيمياء الحيوية"، كما قال. جيرالد جويس، عالم الكيمياء الحيوية ورئيس معهد سالك الذي لم يشارك في الدراسة. كما أنه منبهر أيضًا بأن الفرضية مدعومة بـ "تجارب فعلية" وأنهم "يقومون بذلك في ظل ظروف واقعية".

تأثير كيبك

تعود جذور النظرية الجديدة حول المثلية الجنسية إلى ما يقرب من ربع قرن رون نعماناكتشف أستاذ الفيزياء الكيميائية في معهد وايزمان للعلوم في إسرائيل، وفريقه التأثير الحاسم للجزيئات اللولبية. ركز عملهم على حقيقة أن الإلكترونات لها خاصيتان رئيسيتان: أنها تحمل شحنة سالبة، ولديها "دوران"، وهي خاصية كمومية تشبه الدوران الجوهري في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة. عندما تتفاعل الجزيئات مع جزيئات أو أسطح أخرى، يمكن لإلكتروناتها إعادة توزيع نفسها، واستقطاب الجزيئات عن طريق إنشاء شحنة سالبة في وجهتها وشحنة موجبة عند نقطة البداية.

اكتشف نعمان وفريقه أن الجزيئات الكيرالية تقوم بتصفية الإلكترونات بناءً على اتجاه دورانها. سوف تتحرك الإلكترونات ذات الاتجاه الدوراني بكفاءة أكبر عبر الجزيء اللولبي في اتجاه واحد أكثر من الاتجاه الآخر. تتحرك الإلكترونات ذات الدوران المعاكس بحرية أكبر في الاتجاه الآخر.

لكي تفهم السبب، تخيل أنك ترمي طبقًا طائرًا يطل من جدار الردهة. إذا اصطدم الفريسبي بالحائط الأيمن، فسوف يرتد للأمام فقط إذا كان يدور في اتجاه عقارب الساعة؛ وإلا فإنه سوف يرتد إلى الوراء. سيحدث العكس إذا ضربت الفريسبي بالحائط الأيسر. وبالمثل، فإن الجزيئات اللامركزية "تشتت الإلكترونات وفقًا لاتجاه دورانها"، كما قال نعمان. أطلق هو وفريقه على هذه الظاهرة اسم تأثير انتقائية الدوران المستحث (CISS).

وبسبب هذا التشتت، تنتهي الإلكترونات ذات الدوران المغزلي بالتجمع عند أحد قطبي الجزيء اللامركزي (وتتجمع النسختان اليمنى واليسرى من الجزيء بسبينات متضادة عند قطبيهما). لكن إعادة توزيع السبينات تؤثر على كيفية تفاعل الجزيئات اللولبية مع الأسطح المغناطيسية، لأن الإلكترونات التي تدور في اتجاهين متعاكسين تجذب بعضها البعض، وتلك التي تدور في نفس الاتجاه تتنافر.

وبالتالي، عندما يقترب جزيء حلزوني من سطح مغناطيسي، فإنه سينجذب أقرب إذا كان للجزيء والسطح انحياز دوران معاكس. إذا كانت دوراتهم متطابقة، فسوف يتنافرون. (نظرًا لوجود تفاعلات كيميائية أخرى أيضًا، لا يمكن للجزيء أن ينقلب ببساطة لإعادة تنظيم نفسه.) لذلك يمكن للسطح المغناطيسي أن يعمل كعامل مراوان، ويتفاعل بشكل تفضيلي مع مقابل واحد فقط من المركب.

في عام 2011، وبالتعاون مع فريق من جامعة مونستر في ألمانيا، قام نعمان وفريقه قياس الدوران من الإلكترونات أثناء تحركها عبر الحمض النووي المزدوج، مما يؤكد أن تأثير كيبك حقيقي وقوي.

وقال نعمان إن ذلك هو الوقت الذي بدأت فيه الأبحاث حول هذا التأثير وتطبيقاته المحتملة "تزدهر". على سبيل المثال، قام هو وفريقه بتطوير عدة طرق لاستخدام تأثير CISS لإزالة الشوائب من الأدوية الحيوية، أو استبعاد المتصاوغات الضوئية الخاطئة من الأدوية لمنع حدوث آثار جانبية كبيرة. لقد استكشفوا أيضًا كيف يمكن أن يساعد تأثير CISS في تفسير آليات التخدير.

لكنهم بدأوا العمل بجدية على فكرة أن تأثير CISS يلعب دورًا في ظهور المثلية البيولوجية بعد أن تمت دعوتهم للتعاون في فرضية من قبل فريق في جامعة هارفارد بقيادة عالم الفلك. ديميتار ساسيلوف وطالبه المتخرج إس فوركان أوزتورك.

منظور الفيزياء

واجه أوزتورك، المؤلف الرئيسي الشاب للأوراق البحثية الأخيرة، مشكلة التجانس في عام 2020 عندما كان طالب دراسات عليا في الفيزياء في جامعة هارفارد. وبسبب عدم رضاه عن أبحاثه حول المحاكاة الكمومية باستخدام الذرات فائقة البرودة، فقد تصفح مجلة علمية تتضمن تفاصيل 125 من أكبر الألغاز في العالم وتعرف على المثلية الجنسية.

وقال: "لقد بدا الأمر وكأنه سؤال في الفيزياء لأنه يتعلق بالتماثلات". بعد التواصل مع ساسيلوف، وهو مدير مبادرة أصول الحياة بجامعة هارفارد والذي كان مهتمًا بالفعل بمسألة المثلية الجنسية، تحول أوزتورك ليصبح طالبًا في مختبره.

وسرعان ما توصل أوزتورك وساسلوف إلى فكرة تعتمد على تأثير كيبك (CISS). لقد تخيلوا بيئة بدائية مثل بحيرة ضحلة حيث توجد أسطح مليئة بالمعادن المغناطيسية ويحتوي الماء على خليط من السلائف اللولبية للنيوكليوتيدات. لقد افترضوا أن الضوء فوق البنفسجي كان من الممكن أن يخرج العديد من الإلكترونات من الأسطح المغناطيسية، وكان للعديد من تلك الإلكترونات نفس الدوران. ربما تكون الإلكترونات المقذوفة قد تفاعلت بشكل تفضيلي مع متصاوغات محددة، وربما تكون التفاعلات الكيميائية الناتجة قد جمعت بشكل تفضيلي سلائف الحمض النووي الريبوزي (RNA) اليمنى.

في أبريل 2022، سافر أوزتورك إلى مختبر نعمان في إسرائيل، وكان سعيدًا باحتمال اختبار فرضيتهم. كانت حماسته قصيرة الأجل. خلال الشهر التالي، أثناء عمله مع نعمان، انهارت الفكرة. قال أوزتورك: "لم ينجح الأمر"، فعاد إلى منزله حزينًا.

ولكن بعد ذلك كان لدى أوزتورك فكرة أخرى. ماذا لو لم يكن تأثير كيبك مستمرًا كعملية كيميائية بل كعملية فيزيائية؟

وقد أظهرت مجموعة نعمان أنهم يستطيعون استخدام الأسطح المغناطيسية لبلورة المتصاوغات الضوئية بشكل تفضيلي. وستكون التبلور هي الطريقة الأسهل لتجميع المجموعات النقية من المتبلورات الضوئية. ذكر أوزتورك ذلك ل جون سوثيرلاندوقال ساذرلاند، المتعاون معهم في مختبر MRC للبيولوجيا الجزيئية في المملكة المتحدة: "وقلت، اتركوا كل ما يتعلق بالإلكترونات وركزوا فقط على التبلور".

كان ساذرلاند متحمسًا لجانب التبلور لأنه هو وفريقه اكتشفوا بالفعل بشكل مستقل أن سلائف الحمض النووي الريبي (RNA) التي تسمى ريبو أمينوكسازولين (RAO) يمكنها تصنيع اثنين من اللبنات الأساسية الأربعة للحمض النووي الريبي (RNA). وقال ساذرلاند إن RAO "يتبلور بشكل جميل أيضًا". بمجرد أن تتشكل بذرة بلورية من المصاوغ المقابل الذي ينجذب إلى السطح، تنمو البلورة بشكل تفضيلي من خلال دمج المزيد من نفس المصاوغ.

يتذكر أوزتورك أن ساذرلاند أخبره أن "اللعبة ستنتهي" إذا نجحت فكرة تأثير كيبك. قال أوزتورك: "لأن الأمر كان بسيطاً للغاية". "لقد تم ذلك على جزيء كان أساسيًا جدًا لأصل كيمياء الحياة، فإذا تمكنت من جعل هذا الجزيء متجانسًا، فيمكنك جعل النظام بأكمله متماثلًا."

حصل أوزتورك على العمل في مختبر هارفارد. وضع أسطح المغنتيت على طبق بتري وملأه بمحلول يحتوي على كميات متساوية من جزيئات RAO اليسرى واليمنى. ثم وضع الطبق على المغناطيس، ووضع التجربة في الثلاجة وانتظر ظهور البلورات الأولى. في البداية، وجد الفريق أن 60% من البلورات كانت بيد واحدة. عندما كرروا العملية، كانت بلوراتهم 100% من نفس اللاتماثلية.

كما أفادوا في دراسة نشرت في يونيو علم السلفإذا قاموا بمغنطة السطح بطريقة واحدة، فقد قاموا بإنشاء بلورات كانت يمينية بحتة؛ إذا قاموا بمغنطتها في الاتجاه الآخر، فإن البلورات كانت أعسر بحتة. قال أوزتورك: "لقد كنت مندهشًا جدًا، لأنني على دراية تامة بالتجارب التي لا تنجح". لكن هذا "كان بمثابة السحر".

خلف مكتبه، يحتفظ أوزتورك بزجاجة الشمبانيا الفارغة التي شاركها ساسيلوف والفريق في حفل عشاء احتفالي.

الضرب والتضخيم

لكنهم ما زالوا يواجهون مشكلة كبيرة: المغناطيس الذي استخدموه في تجربتهم كان أقوى بحوالي 6,500 مرة من المجال المغناطيسي للأرض.

لذلك عاد أوزتورك إلى معهد وايزمان في نوفمبر الماضي، وعمل هو ونعمان بعد ذلك على تجربة متابعة لم يستخدموا فيها مجالًا مغناطيسيًا خارجيًا على الإطلاق. بدلاً من ذلك، وجدوا أنه عندما تم امتصاص الجزيئات اللولبية على الأسطح المغناطيسية، فإنها خلقت مجالًا مغناطيسيًا محليًا للغاية على السطح يصل إلى 50 مرة أقوى من المجال المغناطيسي للأرض. وقد تم قبول النتائج التي توصلوا إليها من قبل مجلة خاضعة لمراجعة النظراء، ولكن لم يتم نشرها بعد.

وقال جويس: "إنك تجبر المنطقة على أن تكون ممغنطة، مما يجعل من الأسهل على البلورات أن تستمر في التشكل". وأضاف أن هذا التأثير الذاتي الدوام يجعل السيناريو معقولا.

يوافق أثافالي. وقال إن حقيقة أنك لا تحتاج إلى مجال مغناطيسي عالي حتى يحدث تأثير CISS هي "جميلة حقًا، لأنك الآن رأيت بيئة جيولوجية محتملة".

لكن المفتاح الحقيقي لخلق التجانس هو النظر في كيفية تضخيم التأثير عبر شبكة من الجزيئات المتفاعلة. قال ساسيلوف: "الجانب الأكثر أهمية في كل هذا ليس أننا تمكنا من إيجاد طريقة أخرى للحصول على منتج كيرالي، ولكن مجموعته وجدت طريقًا لإنشاء شبكة متجانسة".

في ورقة ظهرت على غلاف مجلة الفيزياء الكيميائية وفي أغسطس، اقترح أوزتورك وساسلوف وسوذرلاند نموذجًا لكيفية انتشار المعلومات اللامركزية عبر شبكة ما قبل الحيوية. كان ساذرلاند وفريقه قد أظهروا سابقًا أن نظائر جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) الناقلة باليد اليمنى - التي تربط الأحماض الأمينية وتنقلها إلى الريبوسوم لتكوين البروتينات - ترتبط بالأحماض الأمينية اليسرى أسرع بعشر مرات من تلك التي تستخدم اليد اليمنى. تشير النتائج إلى أن الحمض النووي الريبوزي (RNA) يصنع بشكل تفضيلي بروتينات ذات طبيعة عكسية، كما هو الحال في الطبيعة. كما كتب الباحثون في ورقتهم البحثية: "لذلك، قد يتم تقليل مشكلة التفرد البيولوجي إلى ضمان إمكانية جعل سلائف RNA مشتركة واحدة (على سبيل المثال، RAO) متجانسة."

وقال أوزتورك إن الدراسة لم تشرح بشكل مباشر سبب كون النيوكليوتيدات المفضلة في الحياة أيمنية والأحماض الأمينية أعسر. لكن هذه النتائج الجديدة تشير إلى أن العامل الحاسم هو المغنطة الناجمة عن مجال الأرض. وأشار أثافالي إلى أنه حتى لو حدثت عملية التبلور في 100 بحيرة بدائية، فإن المجال المغناطيسي للأرض سيضمن أن جميعها تنتج سلائف بنفس الطريقة بدلاً من خليط.

أشار جويس إلى أن هناك "تطورًا بسيطًا" إذا أعطى المجال المغناطيسي مثل هذا التحيز: إذا بدأت الحياة في نصف الكرة الشمالي وفضلت الجزيئات ذات اليد الواحدة، فإنها كانت ستظهر الاتجاه المعاكس إذا نشأت في نصف الكرة الجنوبي.

وأشار أثافالي إلى أن انتشار اللامركزية بين عائلات الجزيئات لا يزال افتراضيًا إلى حد كبير، على الرغم من أنه من الجيد جعل الناس يفكرون. يوافق ساسيلوف. وقال: "إن فكرة هذه الورقة هي تحفيز الناس على إجراء هذه التجارب".

وينتاو ماوقال الباحث في أصول الحياة بجامعة ووهان في الصين، إن الأوراق الجديدة تمثل "تقدمًا مثيرًا للاهتمام". لكنه سيحتاج إلى رؤية تأثير CISS يؤدي إلى بلمرة الحمض النووي الريبي (RNA) لرؤيته كإجابة كاملة. وقال: "إذا تمكنوا من تحقيق هذه النتيجة، أعتقد أننا لسنا بعيدين عن... الحل".

قال: "أنا حقًا أحب تأثير كيبك مستمر". نويمي جلوبس، عالم فيزياء فلكية يعمل على مشكلة التجانس. وقالت إن الأمر الأكثر إقناعًا هو أن يتحقق الباحثون مما إذا كانت النيازك التي تحتوي على فائض من الأحماض الأمينية ذات درجة معينة من التحكم (التي تم العثور عليها من قبل) تحتوي أيضًا على جزيئات مغناطيسية زائدة. وأشارت أيضًا إلى أن الآليات النظرية المختلفة يمكن أن تكون جميعها هي التي خلقت تجانسًا متجانسًا في جزيئات مختلفة.

جيفري بادا، وهو أستاذ فخري في معهد سكريبس لعلوم المحيطات في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو، يشكك في هذه الفكرة. وهو لا يعتقد أنه كان من الممكن تصنيع الحمض النووي الريبوزي (RNA) في الظروف البدائية كأول جزيء يتضاعف ذاتيًا. وقال: "لم يصنع أحد الحمض النووي الريبي (RNA) في سياق ما قبل الحيوي"، لأن هناك العديد من المشكلات المتعلقة باستقرار الجزيء.

لا يزال فريق ساذرلاند يعمل على إظهار إمكانية تصنيع النوعين الآخرين من النيوكليوتيدات من جزيء الحمض النووي الريبوزي (RNA). قال ساذرلاند: "أعتقد أننا قريبون جدًا". "لكن مجموعتي ستخبركم أنني أقول ذلك منذ 22 عامًا."

سواء كان تأثير CISS يمثل الحل، أو جزءًا من الحل، أو لا يوجد حل على الإطلاق، فهناك خطوات تالية واضحة لاختباره. قال أثافالي: "إنها تحتوي على جميع جوانب الفرضية الرائعة حيث تتوصل إلى شيء إبداعي، شيء ممكن، ثم شيء يمكن اختباره في النهاية". ويعتقد أن الخطوة التالية الأكثر إقناعًا هي إظهار الأدلة الجيولوجية التي تشير إلى إمكانية حدوث العملية خارج المختبر.

خلال مكالمة عبر تطبيق Zoom، حمل أوزتورك صخرة سوداء مسطحة التقطها أثناء رحلة إلى أستراليا، وهو مكان مليء بصخور الحديد المغناطيسية التي يأمل في تكرار تجاربه عليها. كما يريد أيضًا أن يجعل الاختبارات المستقبلية للفكرة أكثر ديناميكية: فالبحيرات البدائية، حيث يعتقد أن الجزيئات المبكرة التي تشكلت، كان بها تيارات وتدفقات من المواد، بالإضافة إلى دورات "الرطب والجاف" الطبيعية التي تقودها الأمطار ودرجات الحرارة المرتفعة، والتي سيسمح للبلورات بالتشكل والذوبان والتشكل والذوبان.

ملاحظة المحرر: وقد تلقى ساسيلوف ومجموعته، وكذلك جويس وساذرلاند، تمويلًا من منظمة مؤسسة سايمونز، والتي تمول هذا أيضًا مجلة مستقلة تحريريا. لا تؤثر قرارات تمويل مؤسسة Simons على تغطيتنا.