بیگ بنگ: محققان شواهد جدیدی از وجود بیوشیمی ابتدایی که بدون نیاز به فسفات رخ داده است، را کشف کردند. فسفات مولفه‌ای ضروری از ساختار اسید نوکلئیک‌های سازنده‌ی ترکیب ژنتیک ما است. این شواهد باعث بالا گرفتن بحث وجود حیات پیش از وجود متابولیسم شده است.

به گزارش بیگ بنگ، دانشمندان دانشگاه MIT و دانشگاه بوستون، تعدادی مسیرهای متابولیکی جایگزین که نیازی به فسفات ندارند را شناسایی کرده‌اند. این یافته‌ها می‌تواند شکاف موجود در دانسته‌های ما در مورد چگونگی تکامل شیمی آلی پیچیده به حیات بر روی زمین را پر کند. حیاتی که ما امروزه تعریف می‌کنیم عمدتا مبتنی بر جابه‌جایی های ناقص شیمیایی است. جابه‌جایی ناقص شیمیایی به یک نمونه برای کپی شدن و یک روش برای گرفتن انرژی مورد نیاز برای باز آرایی ترکیبات بر پایه‌ی کربن به شکل فرم‌های پیچیده‌تر نیاز دارد. سوال این است که کدام یک از این موارد اول وجود داشته‌اند؟ کد شیمیایی که از لحاظ پیچیدگی می‌تواند فرگشت پیدا کند یا مسیرهای پیچیده‌ای که می‌تواند با استفاده از انرژی، مواد شیمیایی ساده را به ترکیبات آلی پیچیده تبدیل می‌کند.

در فرضیه‌ای که به جهان ِ آر ان ای(RNA) معروف است رشته‌هایی از اسید ریبونوکلئیک شناور یا آر ان ای با ایفای نقش پلیمرها به عنوان نوع اولیه‌ای از نمونه‌ی اطلاعات و ماشین شیمیایی، پروسه‌ی حیات را تسهیل بخشیدند. مشکلی که این فرضیه دارد است که آر ان ای بدون داشتن یک منبع انرژی قادر به انجام این کار نیست. منبع انرژی نیازمند یک رشته از واکنش‌های شیمیایی است که می‌توان آن را شکلی ابتدایی از متابولیسم در نظر گرفت.

علاوه بر آن مولکول‌های RNA شامل فسفات است که در محیط قفل شده بود و امکان شرکت در ایجاد ترکیبات آلی را نداشت. فرضیه‌ی دیگر “پیش از حیات” پیشنهاد می‌دهد که اشکال اولیه‌ی شیمی متابولیک، انرژی را به شکل نور یا گرما از محیط جذب کرده و آن را در یک سوپ آلی آزاد شده توسط غشای سلول‌ها از یک واکنش شیمیایی به واکنش شیمیایی دیگری منتقل کردند.

نهایتا این متابولیسم ابتدایی با RNA جفت شده و سلول‌های اولیه را ساختند. متابولیسم در ارگانیسم‌های امروزی بر پایه‌ی ترکیباتی چون آدنوزین تری فسفات(ATP) و نیکوتین دی نوکلئوتید فسفات آدنین(NADP) است که اینها هم شامل مولکول فسفات می‌باشند. مسیر‌های متابولیکی جایگزین که محققان از آن سخن می‌گویند بر پایه‌ی مولکول‌هایی است که با استفاده از سولفور ساخته شده است. سولفور میلیاردها سال پیش در اقیانوس‌های زمین به میزان فراوان وجود داشته است.

دانیل سگرا از دانشگاه بوستون می‌گوید: « اهمیت این تحقیق در آن است که تلاش‌های آتی برای فهم منشاء حیات باید این احتمال را در نظر بگیرند: فرایندهای بر پایه‌ی فسفات که امروزه ضروری می‌باشند، ممکن است زمانی که فرآیندهای مشابه با حیات برای اولین بار شکل گرفتند در دسترس نبوده باشند.» ایده‌ی نقش سولفور در متابولیسم‌های اولیه، ایده‌ای جدید نیست. پیش از این شیمیدان قرن بیستم آلمانی به نام گونتر وشترهویزر پیشنهاد داده بود که ترکیبات سولفید آهن و سولفید نیکل می‌توانند همچون کاتالیزور برای تثبیت کربن در دهانه‌ی آتشفشان‌های اعماق اقیانوس عمل کرده و متابولیسمی ساده برای ارگانیسم‌های پیشگام است.

شواهد قطعی که انواع واکنش‌های درگیر با “فرضیه‌ی جهان آهن-سولفور”را به هم ربط می‌داد بسیار کم بودند. سگرا می‌گوید:« آنچه تا امروز نمیدانستیم شواهد داده محور مبنی بر این بود که فرایند‌های اولیه بیش از واکنش‌های پراکنده قادر به تشکیل شبکه‌ی متابولیک اولیه‌ی نسبتا غنی و بسیار متصل بوده‌اند.» بنابراین سگرا و تیمش با استفاده از سیستم‌های زیست‌شناسی محاسباتی – رهیافتی تئوری که با استفاده از مدل‌های ریاضی مسیرهای با انشعاب‌های گوناگون را بررسی می‌کند – مجموعه‌ای از 8 ترکیب بدون فسفات را شناسایی کردند که در اقیانوس‌های گذشته به فراوانی وجود داشته است.

آنها سپس الگوریتی برای شبیه‌سازی متابولیسم‌ اولیه بر اساس این ترکیبات به کار گرفتند که شامل آهن سولفید و ترکیباتی شامل سولفور به نام تیواستر بود و به آنها اجازه میداد تا نحوه‌ی رخ دادن دسته‌ای از واکنش‌های مختلف را ارزیابی کنند. محققان پی برده‌اند که شبکه‌‌ای از 315 واکنش که شامل 260 متابولیسم است می‌تواند از تولید طیف گسترده‌ای از ترکیبات آلی پیچیده‌ی ضروری برای حیات شامل آمینواسید‌ها و کربوکسیلیک اسیدها، پشتیبانی کند.

از آنجایی که بیوشیمی، توان به جا گذاشتن اثرات زیادی در فسیل‌ها نداشته است، باید قطعات مختلف را با مدل‌های ریاضی این‌چنینی به هم وصل کنیم. گرچه این اثباتی برای آغاز حیات بدون فسفات نیست اما شواهدی به احتمال شکل‌گیری حیات از ترکیباتی که دیگر موجودی به آن وابسته نیست، اضافه می‌کند. کاربرد تحقیقات این‌چنینی بسیار بیشتر از یافتن نحوه‌ی شکل‌گیری حیات اولیه است. ایده‌ی تحلیل متابولیسم همچون یک سطح اکوسیستم یا حتی پدیده‌ی سیاره‌ای به جای یک پدیده‌ی ارگانیسمی می‌تواند تاثیراتی بر روی فهم ما از جوامع میکربی داشته باشد. این تحلیل در ژورنال سل منتشر شده است. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Cell منتشر شده است.

ترجمه: معصومه رحیمی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: sciencealert.com