نظرية جديدة مختلفة جذريّا تعيد كتابة قصة بداية الحياة على الأرض

بقلم: مايكل مارشال

ترجمة: د. ليلى الموسوي

 قبل 4.5 بليون سنة عندما تشكلت الأرض، كانت كرةً عقيمة من الصخور، تصطدم بها النيازك، وتتسربل بثوران البراكين. وفي غضون بليون سنة صارت مأهولة بالكائنات الحية الدقيقة. أما اليوم، فالحياة تغطي كل سنتيمتر من الكوكب، من أعلى الجبال إلى أعمق البحار. ومع ذلك، يبدو كل كوكب آخر في النظام الشمسي خاليا من الحياة. ماذا حدث على كوكبنا اليافع؟ كيف أدت صخوره القاحلة ورماله ومواده الكيميائية إلى بزوغ الحياة؟

اقترح العلماء العديد من الأفكار لشرح كيف بدأت الحياة. ويعتمد معظمها على افتراض أن الخلايا معقدة للغاية كي تتشكل دفعة واحدة، لذلك يجب أن تكون الحياة قد بدأت بمكون واحد فقط نجا وولّد بطريقة ما العناصر الأخرى من حوله. ولكن عند وضع هذه الافتراض موضع التطبيق في المختبر، فإن هذه الأفكار لا تنتج أي شيء يشبه الواقع. وقد بدأ بعض الباحثين يدركون أن الأمر يشبه محاولة بناء سيارة من خلال صنع هيكل، ثم الانتظار آملين بأن تظهر العجلات والمحرك فطريا.

أما البديل القائل إن الحياة نشأت بشكل كامل، فيبدو أكثر احتمالًا. بل لعل الأكثر إثارة للدهشة هو خطان من الأدلة اللذان بدآ يتلاقيان معا ليقترحا أن هذا هو بالضبط ما حدث. إذ اتضح أن جميع جزيئات الحياة الرئيسية قد تنشأ من الكيمياء البسيطة نفسها والقائمة على الكربون. بل أكثر من ذلك أنها تتحد بسهولة لصنع “خلايا أولية” Protocells نابضة بالحياة بشكل مذهل. وإضافة إلى شرح كيف بدأت الحياة، فإن فكرة “كل شيء أولاً” Everything-first  التي تتناول أصول الحياة تشير ضمنيا إلى المواقع الأكثر احتمالا لنشوء الحياة خارج كوكب الأرض.

وفهم أصل الحياة يستعصي علينا لأننا لا نعرف ما كانت عليه الحياة الأولى. فأقدم الأحافير المتفق عليها يبلغ عمرها 3.5 بليون سنة، لكنها لا تساعدنا كثيرًا. فقد عثر عليها في التكوينات الصخرية القديمة في غرب أستراليا، وتُعرف بالستروماتوليت Stromatolites، وهي كائنات دقيقة وحيدة الخلية مثل البكتيريا الحديثة. فهذه كائنات معقدة نسبيًا: فحتى أبسط أنواع البكتيريا الحديثة لديها أكثر من 100 جين. ولكن الكائنات الحية الأولى ينبغي أن تكون أبسط بكثير. أما الفيروسات، فلديها جينات أقل، ولكن لا يمكنها التكاثر إلا عن طريق إصابة الخلايا والاستيلاء عليها، لذلك لا يمكن أن يأتي أولاً.

الضروريات الأساسية مع عدم وجود أدلة مادية، يبدأ الباحثون في أصل الحياة بطرح سؤالين: ما هي العمليات الأساسية التي تقوم عليها الحياة؟ وما المواد الكيميائية التي تستخدمها هذه العمليات؟ وهذه أسئلة يمكن الإجابة عنها.يمكن اختصار الحياة إلى ثلاثة أنظمة أساسية. أولاً، أن تمتاز بتكامل هيكلي Structural integrity: أي أن كل خلية لها غشاء خارجي يجمعها ككل. ثانيًا، قادرة على القيام بعمليات الأيض (التمثيل الغذائي) Metabolism، وهي مجموعة من التفاعلات الكيميائية التي تحصل على الطاقة من محيطها. أخيرًا، يمكن للحياة أن تتكاثر باستخدام الجينات التي تحتوي على تعليمات لبناء الخلايا، وتُنقل من الآباء إلى الأبناء.ويعرف علماء الكيمياء الحيوية أيضًا المواد الكيميائية التي تقوم عليها هذه العمليات. فهناك أغشية خلايا مصنوعة من الدهون Lipids وجزيئات تحتوي على سلاسل طويلة من ذرات الكربون. أما الأيض؛ فيُدار من قبل البروتينات – سلاسل الأحماض الأمينيةAmino acids ، الملتوية في أشكال تشبه كعك البريتزل، خصوصا الإنزيمات التي تساعد على تحفيز التفاعلات الكيميائية وتسريعها. وجينات مُرمَّزة على شكل جزيئات تسمى الأحماض النووية Nucleic acids، مثل حمض النووي الريبي منقوص الأكسجين Deoxyribonucleic acid، الشهير بالحمض النووي DNA.لكن متى ما تجاوزنا ذلك، يتزايد تعقيد الأمور. إذ تتشابك العمليات الأساسية الثلاث للحياة فيما بينها. فالجينات تحمل التعليمات لصنع البروتينات، مما يعني أن البروتينات موجودة فقط بسبب الجينات. ولكن البروتينات ضرورية أيضًا للحفاظ على الجينات ونسخها، لذلك الجينات موجودة فقط بسبب البروتينات. والبروتينات التي تصنعها الجينات  ضرورية لبناء الدهون للأغشية. وهكذا، فأي فرضية تشرح أصل الحياة يجب أن تأخذ هذا كله بالاعتبار. لكن، إذا افترضنا أنه من غير المحتمل أن الجينات والأيض والأغشية قد نشأت في وقت واحد، فإن هذا يعني أن أحدهما يجب أن يكون قد تطور أولاً و”اخترع” العمليتين الأخريين.

وضعت فكرةٌ مبكرة البروتيناتِ موضع التحكم. ففي خمسينات القرن العشرين اكتشفت عالمة الكيمياء الحيوية سيدني فوكس Sidney Fox أن تسخين الأحماض الأمينية يجعلها تترابط في سلاسل. بعبارة أخرى، شكلت بروتينات، حتى وإن كان ذلك بتسلسل عشوائي من الأحماض الأمينية بدلاً من تكوينها بروتينا تحدده شيفرة جينية. وأطلقت عليها فوكس اسم “بروتينويدات” Proteinoids، ووجدت أنه يمكنها أن تشكل كريات تشبه الخلايا وتحفِّز التفاعلات الكيميائية. ومع ذلك، فإن البروتينويدات لم تصل إلى ما هو أبعد من ذلك بكثير. ولا يزال بعض الباحثين يبحثون عن سلوك شبيه بالحياة في البروتينات البسيطة، لكن فكرة أن البروتينات تبدأ الحياة من تلقاء نفسها قد رُفضت رفضا قاطعا.

في الآونة الأخيرة ركزت الكثير من الأبحاث على فكرة تسمى عالَمRNA . فمثل الحمض النووي DNA، يحمل الحمض RNA (الحمض النووي الريبي Ribonucleic acid) جينات.

أما اكتشاف أن بعض أنواع الحمض RNA يمكنها أيضًا تحفيز التفاعلات الكيميائية،  فقد أشار إلى أن جزيئات الحمض RNA الأولى ربما كانت عبارة عن إنزيمات تصنع نسخًا من نفسها وهكذا بدأت الحياة. ومع ذلك، فقد أمضى علماء الكيمياء الحيوية عقودًا يكافحون لدفع الحمض RNA ليقوم بالتجميع الذاتي أو ينسخ نفسه في المختبر، وهم الآن يقرّون بأنه يحتاج إلى الكثير من المساعدة للقيام بأي من ذلك.

ربما، إذاً، جاءت الأغشية أولاً. ودافع ديفيد ديمر David Deamer من جامعة كاليفورنيا University of California، سانتا كروز، عن هذا الخيار. ففي سبعينات القرن العشرين اكتشف هو وفريقه أن الدهون الموجودة في أغشية الخلايا يمكن تصنيعها بمزج مادتين كيميائيتين بسيطتين، السياناميد Cyanamide والغليسرول Glycerol،  مع الماء وتسخين المزيج حتى 65 درجة سيليزية. وإذا أضيفت هذه الدهون لاحقًا إلى الماء المالح ورجت،

فإنها تشكل فقاعات كروية محاطة بطبقتين خارجيتين من الدهون، تمامًا مثل الخلايا. ويقول ديمر: “إن أبسط وظيفة هي التجميع الذاتي على شكل أغشية. إنه أمر عفوي”. ومع ذلك، فهو يقبل الآن أن هذا لا يكفي، لأن الدهون لا يمكن أن تحمل الجينات أو تصنع الإنزيمات.

ودفع قصور هذه النماذج البسيطة لأصل الحياة ديمر وآخرين إلى استكشاف ما يبدو بديلا أقل منطقية، ألا وهو أن جميع الأنظمة الثلاثة ظهرت معًا في شكل مبسط للغاية. وهذه ليست فكرة جديدة. ففي عام 1971 كتب عالم الكيمياء الحيوية الهنغاري تيبور غانتي Tibor Gánti كتابًا تخيل فيه أبسط شيء قد ينظر علماء الأحياء إليه على أنه على قيد الحياة. وتألف “كيموتون” Chemoton غانتي من عمليات أيض بسيطة قائمة على إنزيمات تصنع جيناتٍ وغشاء. وعندما تنسخ الجينات نفسها، فإنها تطلق منتجات ثانوية ينتهى بها الأمر لتترسب في الغشاء، أي كيموتون ينمو وينقسم في النهاية. وفشلت أفكار غانتي في الحصول على اعتراف حتى أوائل عام 2000، ولكن، بحلول ذلك الوقت توصل آخرون بشكل مستقل إلى شيء مشابه. والآن، تكتسب فرضية ‘كل شيء أولاً’  Everything firstزخمًا.

يأتي الخط الأول من الدعم لهذه النظرية من الكيمياء الحيوية لأنظمة الحياة الثلاثة الرئيسية. فالأحماض النووية مثل الحمض  RNAمختلفة كيميائيًا جدًا عن البروتينات، والتي تختلف بدورها عن الدهون. لذلك، حتى وقت قريب، كان علماء الكيمياء الحيوية يفترضون أنه من غير المحتمل أن تتشكل هذه المكونات الثلاثة للحياة في المكان نفسه ومن المواد الكيميائية الأولية نفسها. غير أن هذا الافتراض يبدو خاطئا الآن.

جاء دليل مبكر من النيازك، وكثير منها قديم قدم الأرض، ومن ثم فهي قد تخبرنا كيف كان شكل الكوكب عندما كان يافعا. ونيزك مورشيسون Murchison meteorite الذي ضرب أستراليا في عام 1969 هو من أكثر النيازك خضوعا للدراسة. ففي عام 1985 وجد ديمر جزيئات شبيهة بالدهون عليه، والتي يمكنها أن تشكل أغشية. كما وجد آخرون أحماضا أمينية، وفي عام 2008 عثرت زيتا مارتينس Zita Martins ، كانت تعمل حينها في جامعة إمبريال كوليدج لندن Imperial College London، على أحد مكونات الحمض RNA في نيزك مورشيسون. ولم يكن أي من هذه المواد الكيميائية وفيرًا، لكنهما أشارا إلى أنها يمكن أن تتشكل معًا.

مكونات بسيطة

في غضون ذلك أمضى إرنستو دي مورو Ernesto Di Mauro ، من جامعة سابينزا في روما Sapienza University of Rome بإيطاليا، عقدين من الزمن في استكشاف كيف يمكن أن يحدث ذلك على الأرض. ويركز دي مورو أبحاثه على مادة الفورماميد Formamide، وهي مادة كيميائية قريبة من السيانيدCyanide ، ولكن بست ذرات فقط في كل جزيء. وهي موجودة في جميع أنحاء الكون وربما كانت شائعة على الكوكب المتشكل حديثًا. وفي عام 2001 وجد فريقه أن الفورماميد قد يؤدي إلى ظهور العديد من مكونات الحمض RNA إذا سُخِّن إلى 160 درجة سيليزية في وجود فلزات مثل الحجر الجيري Limestone. واكتشف الباحثون لاحقًا أن نوعًا شائعًا من الطمي هو المونتموريلونايت  Montmorillonite يساعد على ذلك. كما قد يولد الفورماميد أيضًا الأحماض الأمينية، اللبنات الأساسية للبروتينات. ويقول دي مورو: “إنها تنتج مخاليط معقدة.” والفورماميد ليس المادة الكيميائية الوحيدة القادرة على مثل هذه ذلك. فعن طريق الجمع بين مركب عضوي مماثل يسمى السياناميد cyanamide مع مواد كيميائية بسيطة أخرى، أنشأ جون ساذرلاند John Sutherland،  من المختبر إم آر سي للبيولوجيا الجزيئية MRC Laboratory of Molecular Biology in في كيمبريدج بالمملكة المتحدة، النيوكليوتيدات Nucleotides، اللبنات الأساسية للحمض RNA. ويتطلب التفاعل ضوءًا فوق بنفسجي وتسخينًا وتجفيفًا وترطيبًا بالماء. ووجد فريق ساذرلاند أن المواد الكيميائية الأولية نفسها يمكنها أيضًا أن تصنع سلائف Precursors الأحماض الأمينية والدهون. واستنتج ساذرلاند “أن جميع الأنظمة الفرعية الخلوية ربما نشأت في وقت واحد من كيمياء مشتركة”. والمفتاح هو ما يطلق عليه ساذرلاند “كيمياء غولديلوكس”: خليط به تنوع كافٍ لحدوث تفاعلات معقدة، ولكن ليس كثيرًا من التنوع حتى لا يتحول الأمر إلى فوضى مختلطة.

“جزيئات الحياة الرئيسية يمكن أن تتشكل معًا

بفضل كيمياء غولديلوكس”

لذلك، هناك طرق تسمح بنشوء جزيئات الحياة الرئيسية معًا. لكن، كيف جُمِعت بعد ذلك في خلية بدائية؟ لا يزال ديمر يجادل في أن الدهون الأولى شكلت تلقائيًا خلايا أولية قائمة على الغشاء، لكنه الآن يعتقد أن المجموعات الثلاث من الجزيئات الكيميائية تعمل معًا بشكل وثيق. وتساعد حاويات الدهون الحمضَ RNA والبروتينات على النشوء، وتساعد الحمض  RNA ليتكاثر، والحمض RNA يعمل على استقرار الأغشية الدهنية. ويقول إنه إذا كان كل شيء موجودًا، فإن النظام يعمل بشكل أفضل.

وخَطا جاك زوستاك Jack Szostak، من كلية الطب بجامعة هارفارد Harvard Medical School، خطوات مدهشة نحو الكشف عن كيفية حدوث ذلك. فبدءًا من عام 2003  قام فريقه ببناء خلايا نموذجية بطبقات خارجية من الأحماض الدهنية تحيط بمساحة داخلية يمكنها أن تستضيف الحمض .RNA وتشكلت هذه الخلايا الأولية بسرعة  خصوصا في وجود جزيئات دقيقة من المونتموريلونيت، والتي غالبًا ما صارت محصورة داخلها، حاملة الحمض RNA إلى الداخل معها. وكلما زاد عدد جزيئات الحمض RNA الذي حصلت عليه الخلية الأولية، زاد نموها: لقد كانت تتنافس. وإضافة إلى ذلك، يمكن أن تنقسم لتشكل خلايا وليدة، كما تفعل الخلايا الحديثة. وكتب الفريق قائلا: “النمو والانقسام قد ينتجان من قوى فيزيائية كيميائية بسيطة، من دون أي آلية كيميائية حيوية معقدة”. بل تمكن فريق زوستاك من دفع الحمض RNA لنسخ نفسه داخل الخلايا الأولية.

النظام الوحيد الذي لا يزال مفقودًا من هذه الخلايا الأولية هو الأيض. وهذا يمثل تحديًا خاصًا لأنه يعني ابتداع تسلسل كامل من التفاعلات الكيميائية. ففي الكائنات الحية الحديثة، تتحكم مجموعات من الإنزيمات البروتينية في هذا، ومن غير الممكن أنها كانت موجودة عندما بدأت الحياة. ومع ذلك، بدأ باحثون آخرون بإيجاد طرق لإطلاق تفاعلات كيميائية أيضية

من دون بروتينات.  واتضح أن العديد من التفاعلات الرئيسية قد تكون مدفوعة بفلزات مثل الحديد، وغالبًا مقترنا بالكبريت، الذي كان دائمًا وفيرًا على الأرض. مؤخرًا أظهر زوستاك وآخرون أن عناقيد Clusters من الحديد والكبريت يمكنها التشكل داخل الخلايا الأولية، مدفوعة بالأشعة فوق البنفسجية. يبقى أن نرى ما إذا كانت التفاعلات الأيضية ممكنة في هذه الخلايا الأولية.

نموذج أولي خام

ومع ذلك، فإن خلايا زوستاك الأولية هي أفضل نموذج لدينا حتى الآن لما قد بدت عليه الكائنات الحية الأولى. فعلى الرغم من أنها لا تحتوي إلا على حفنة من المواد الكيميائية، فهي تنمو وتتكاثر وتحمل “جينات” الحمض RNA التي يمكنها نسخ نفسها. لكن، لا يزال الوقت مبكرا للقول ما إذا كانت قد نشأت من أنواع الكيمياء التي نادى بها دي مورو، أو ما إذا كان ساذرلاند أقرب إلى الصواب. وهذا يعتمد على البيئة التي نشأت فيها الحياة، والتي لا يمكننا أن نعرفها على وجه اليقين. ومن المثير للاهتمام أن الكيمياء نفسها تساعدنا على تضييق الخيارات.

“المكان الأكثر احتمالاً  للعثور على حياة أخرى،

أو على الأقل على دليل أحفوري عليها، هو المريخ “

إذا كانت فكرة كل شيء معا صحيحة، فإن التكوين حدث في ظل ظروف محددة. فمعظم تفاعلات ساذرلاند ودي مورو الكيميائية تعتمد على الأشعة فوق البنفسجية وتتطلب بعض الخطوات الرئيسية من التجفيف. وهذا يشير ضمنيا إلى أنه لكي تبدأ الحياة؛ فإنها في حاجة إلى سطح فلزي صلب يشتمل، مثاليا، على طمي مثل المونتموريلونايت، وأشعة الشمس مع القليل من الأشعة فوق البنفسجية، ودفء كافٍ لتبخير الماء بشكل دوري. ويبدو أن هذا يستبعد الفكرة الشائعة القائلة إن الحياة نشأت في الفوهان الحرارية المائية Hydrothermal vents الغنية بالمواد الكيميائية في أعماق البحار. وبدلاً من ذلك، يعتقد باحثون ‘كل شيء أولا’ أن الحياة بدأت في برك غنية بالمواد الكيميائية على الأرض. فقد طور ساذرلاند سيناريوها يتضمن تيارات من المياه في قاع فوهة تشكلت بفعل اصطدام نيزك. ففي حين يفضل ديمر البرك الحرارية الأرضية Geothermal ponds في المناطق البركانية ويركز أبحاثه عليها. فعلى سبيل المثال، أظهر أن الدهون يمكن أن تشكل خلايا أولية في مياه هذه البرك، ولكن ليس في مياه البحر.

إضافة إلى المساعدة على تحديد المكان الذي نشأت فيه الحياة على الأرض، تقترح فكرة ‘كل شيء أولاً’ مكان البحث عنها في مكان آخر في المجموعة الشمسية. إذ تستبعد المتطلبات البيوكيميائية  اثنين من المتسابقين الحاليين في المقدمة: قمر كوكب المشتري ” يوروبا”  وقمر كوكب زحل ” إنسيلادوس”. ويُعتقد أن كليهما له محيطات عميقة تحت طبقة من الجليد. وهذه المحيطات قد تكون فيها حياة إذا أُحضرت إليها، ولكنها ليست موقعًا واعدًا لنشوئها. وبدلاً من ذلك، المكان الأكثر احتمالا للعثور على الحياة، أو على الأقل أدلة أحفورية على الحياة،

هو المريخ. اليوم، جوّه بارد ويفتقر إلى المياه السائلة على السطح، ولكن قبل بلايين السنين ربما سالت أنهار فوق صخوره. وكان أيضًا نشطًا بركانيًا، لذلك ربما كانت لديه أحواض حرارية جوفية مثل تلك التي يستكشفها ديمر.

بالطبع، كل هذا يعتمد على صحة فكرة كل شيء أولاً. فخلايا زوستاك الأولي والكيمياء الحيوية الجديدة استحوذا على أفكار العديد من الباحثين، لكن بعض أجزاء اللغز ما زالت مفقودة. ولعل الحجة الأكثر إقناعا هي أن الأفكار الأبسط لا تعمل. كما هي الحال مع أشياء كثيرة في الحياة، ربما كانت البداية أكثر تعقيدا مما كنا نظن.

مايكل مارشال Michael Marshall كاتب مستقل مقيم في ديفون بالمملكة المتحدة. نُشر كتابه The بحث الخليقةGenesis Quest  في المملكة المتحدة في 20 أغسطس، وفي الولايات المتحدة في 22 أكتوبر.

© 2020, New Scientist, Distributed by Tribune Content Agency LLC