دانشمندان یک استراتژی جدید برای درک منشاء حیات ترسیم می کنند

14 آگوست 2023 -توسط کالج اوبرلین-اعتبار: Unsplash/CC0 دامنه عمومی

اولین اشکال زندگی چگونه بودند؟ در یک مقاله جدید، دانشمندان با مطالعه اولین تکامل زنجیره های انتقال الکترون، یک استراتژی متابولیک جهانی با تاریخچه بسیار کهن، راهبردی را برای پاسخ به این سوال شرح می دهند. این مقاله در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.

علیرغم چندین دهه پیشرفت، منشا حیات یکی از مشکلات بزرگ حل نشده در علم باقی مانده است. آرون گلدمن، دانشیار استاد زیست شناسی در کالج اوبرلین می‌گوید: «اصلی‌ترین ویژگی‌های زیست‌شناسی، این که موجودات از سلول‌ها ساخته شده‌اند، اطلاعات ژنتیکی را از طریق DNA منتقل می‌کنند، از آنزیم‌های پروتئینی برای اجرای متابولیسم خود استفاده می‌کنند..

درک چگونگی شکل‌گیری اولیه‌ترین سیستم‌های بیولوژیکی نه تنها به ما بینش بیشتری در مورد نحوه عملکرد حیات در اساسی‌ترین سطح می‌دهد، بلکه در وهله اول زندگی واقعاً چیست و چگونه می‌توانیم آن را فراتر از زمین جستجو کنیم.»

این سؤال که چگونه زندگی برای اولین بار پدیدار شد، معمولاً از طریق آزمایش‌های آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار می‌گیرد که محیط‌های اولیه زمین را شبیه‌سازی می‌کنند و به دنبال شیمی‌هایی می‌گردند که می‌توانند همان نوع مولکول‌های زیستی و واکنش‌های متابولیکی را ایجاد کنند که امروزه در موجودات زنده می‌بینیم. این به عنوان یک رویکرد “از پایین به بالا” شناخته می شود زیرا با موادی کار می کند که در زمین پری بیوتیک وجود داشته اند. در حالی که این آزمایش‌های موسوم به «شیمی پری بیوتیک» با موفقیت نشان داده‌اند که زندگی «ممکن است» چگونه سرچشمه گرفته باشد، آنها نمی‌توانند به ما بگویند که زندگی واقعاً چگونه به وجود آمده است.

در همین حال، تحقیقات دیگر از تکنیک‌های زیست‌شناسی تکاملی برای بازسازی شکل‌های اولیه حیات بر اساس داده‌های زندگی امروزی استفاده می‌کنند. این روش به عنوان رویکرد «بالا به پایین» شناخته می‌شود و می‌تواند درباره تاریخچه زندگی روی زمین به ما بگوید.

با این حال، تحقیقات از بالا به پایین تنها می تواند نگاهی به گذشته داشته باشد، زیرا ژن هایی وجود دارند که هنوز در موجودات امروزی حفظ شده اند، و بنابراین نه تا سرچشمه حیات. علیرغم محدودیت‌هایشان، تحقیقات از بالا به پایین و پایین به بالا به هدف مشترک کشف منشأ حیات می‌پردازند و در حالت ایده‌آل، پاسخ‌های آنها باید بر روی یک مجموعه شرایط مشترک همگرا باشد.

مقاله جدیدی که توسط گلدمن، لوری بارج دانشمند پژوهشگر در اختر زیست شناسی در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL) و همکارانش منتشر شده است، تلاش می کند این شکاف روش شناختی را پر کند. نویسندگان استدلال می کنند که ترکیب تحقیقات آزمایشگاهی از پایین به بالا در مسیرهای قابل قبول به سمت منشاء حیات با بازسازی تکاملی از بالا به پایین اشکال اولیه حیات می تواند برای کشف چگونگی پیدایش حیات واقعاً در زمین اولیه مورد استفاده قرار گیرد.

نویسندگان در مقاله خود، “زنجیره های انتقال الکترون به عنوان پنجره ای به اولین مراحل تکامل”، یک پدیده اصلی در زندگی امروزی را توصیف می کنند که می تواند با ترکیب تحقیقات از پایین به بالا و از بالا به پایین مورد مطالعه قرار گیرد: زنجیره های انتقال الکترون.

زنجیره‌های انتقال الکترون نوعی سیستم متابولیک هستند که توسط ارگانیسم‌ها در سراسر درخت زندگی، از باکتری‌ها گرفته تا انسان‌ها، برای تولید اشکال قابل استفاده انرژی شیمیایی استفاده می‌شود. انواع مختلفی از زنجیره‌های انتقال الکترون برای هر شکل از زندگی و متابولیسم انرژی که آنها استفاده می‌کنند تخصصی هستند: برای مثال، میتوکندری ما حاوی یک زنجیره انتقال الکترون است که به متابولیسم انرژی هتروتروف (مصرف غذا) ما مرتبط است. در حالی که گیاهان دارای یک زنجیره انتقال الکترون کاملاً متفاوت هستند که به فتوسنتز (تولید انرژی از نور خورشید) مرتبط است.

در سراسر جهان میکروبی، موجودات زنده از طیف گسترده ای از زنجیره های انتقال الکترون مرتبط با انواع متابولیسم های مختلف انرژی استفاده می کنند. اما، علی‌رغم این تفاوت‌ها، نویسندگان شواهدی را از تحقیقات از بالا به پایین توصیف می‌کنند که نشان می‌دهد این نوع استراتژی متابولیک توسط اولین اشکال زندگی استفاده می‌شده است و آنها چندین مدل برای زنجیره‌های انتقال الکترون اجدادی ارائه می‌کنند که می‌تواند به تاریخ بسیار اولیه تکامل بازگردد. آنها همچنین شواهد فعلی از پایین به بالا را بررسی می کنند که نشان می دهد حتی قبل از ظهور حیاتی که ما می شناسیم، شیمی زنجیره انتقال الکترون مانند می تواند توسط مواد معدنی و آب اقیانوس های اولیه زمین تسهیل شده باشد.

با الهام از این مشاهدات، نویسندگان استراتژی‌های تحقیقاتی آینده را ترسیم می‌کنند که تحقیقات از بالا به پایین و پایین به بالا را در مورد قدیمی‌ترین تاریخ زنجیره‌های انتقال الکترون ترکیب می‌کنند تا به درک بهتری از متابولیسم انرژی باستانی و منشاء حیات به طور گسترده‌تر دست یابند.

این تحقیق نقطه اوج پنج سال کار قبلی این تیم بین‌رشته‌ای چند مؤسسه‌ای به رهبری Barge در JPL است تا بررسی کند که چگونه واکنش‌های متابولیکی می‌تواند در تنظیمات زمین‌شناسی در زمین اولیه پدیدار شود.

کار قبلی این تیم، به رهبری جسیکا وبر، محقق برای مثال، واکنش‌های زنجیره انتقال الکترون خاص را که توسط کانی‌ها هدایت می‌شود، بررسی کرده است JPL چگونه آنزیم های باستانی ممکن است شیمی پری  بیوتیک را در آن گنجانده باشند.

بارج می گوید: ظهور متابولیسم یک سوال بین رشته ای است و بنابراین ما به یک تیم بین رشته ای برای مطالعه این موضوع نیاز داریم. کار ما از تکنیک های شیمی، زمین شناسی، زیست شناسی و مدل سازی محاسباتی برای ترکیب این رویکردهای بالا به پایین و پایین به بالا استفاده کرده است و این نوع همکاری برای مطالعات آینده مسیرهای متابولیک پری بیوتیک مهم خواهد بود.