منشأ اصلي حيات كجاست؟
مهدي صارمي فر
msaremif@hamshahri.org
|
|
يكي از مهم ترين سؤالاتي كه هميشه ذهن دانشمندان را مشغول كرده، منشأ پيدايش حيات است. مهم ترين نظريه در اين مورد، اين است كه عناصر اصلي تشكيل حيات، ميلياردها سال پيش و در بدو تشكيل منظومه شمسي به وجود آمده اند. بنابراين، براي حل اين معما بايد به سراغ اجسام باقي مانده از 5 يا 6 ميليارد سال پيش رفت؛ ستاره هاي دنباله دار. به نظر مي رسد در آينده اي نزديك جوابي مطمئن براي اين معما پيدا شود. اين كه مولكول هاي اصلي تشكيل دهنده سلول ها در چه زماني به وجود آمده اند، منشأ حيات را مشخص خواهد كرد.
تقارن هاي طبيعت
اصول پايستگي محك اصلي يك نظريه فيزيكي است؛ يعني يك تئوري فيزيكي، پيش از هر چيز و حتي آزمايش بايد از اين اصول تبعيت كند. پايستگي انرژي، اندازه حركت، اندازه حركت زاويه اي و پايستگي بار چهار اصل پايستگي هستند كه اگر نظريه اي آنها را نقض كند، به سرعت راهي سطل زباله خواهدشد. خانم امي نودر (Emmy Noether) رياضيدان آلماني در سال ???? در مقاله اي نشان داد كه هر اصل پايستگي در طبيعت ناشي از يك نوع تقارن است. مثلاً پايستگي انرژي ناشي از تقارن زماني است و يا تقارن در چرخش پايستگي اندازه حركت زاويه اي را نشان مي دهد. به هر حال مي توان تقارن ها را به عنوان اصول اساسي طبيعت فرض كرد يا پايستگي ها را. در هر صورت اين دو را مي شود از هم نتيجه گيري كرد. اما چند تقارن ديگر هم در طبيعت وجود دارد كه در بعضي از موارد خاص به هم مي ريزد. به هم ريختگي اين تقارن ها، گاهي ريشه اي هستند مثل شكست تقارن بين چپ و راست در برهم كنش هاي ضعيف هسته اي يا گاهي هم ناشي از شرايط اوليه سيستم هستند، مثل اينكه جهان تا جايي كه ما مي دانيم از ماده تشكيل شده و نه از ضدماده در حالي كه اين دو غير از علامت بار در هيچ چيزديگري با هم فرق ندارند. پيدا كردن منشأ اصلي به هم خوردن اين تقارن ها به بسياري از پرسش هاي پايه اي دانش پاسخ خواهد داد. به نظر مي رسد با كشف علت چپ گردي اسيد هاي آمينه كه يكي از همين مثال هاي به هم خوردن تقارن است، به كشف منشأ مولكولي حيات نزديك شده ايم.
اساس مولكولي ارگانيسم هاي زنده
ارنست نايگل (Ernest Nagel) از پايه ريزان مكتب تحويل گرايي (Reductionism) در فلسفه علم است. اين مكتب فلسفي، دستاورد هاي علومي مثل جامعه شناسي را به روانشناسي، روانشناسي را به فيزيولوژي و علوم اعصاب و اين علوم را به زيست شناسي مولكولي و زيست شناسي مولكولي را به بيوشيمي و بيوشيمي را به شيمي و شيمي را به فيزيك اتمي (مكانيك كوانتومي) قابل تحويل مي داند. تحول گرايان معتقدند كه با حل كامل فيزيك اتمي مي توان احكام علوم غيردقيقه را استخراج كرد. هر چند كه اين ديدگاه به خصوص بعد از رونق گرفتن علوم شناختي (Cognative Science) و سيستم هاي پيچيده در سال هاي اخير به پررنگي گذشته نيستند، اما به هر حال شكي نيست كه موجودات زنده از مولكول هاي بي جان تشكيل شده اند. بارزترين صفت موجود زنده در مقابل اشياي بي جان، پيچيدگي فوق تصور آن است. اين پيچيدگي نه تنها در اجزاي دروني سلول ها بلكه به شكل تعدد بي شمار گونه ها نيز مشاهده مي شود. هر بخش سازنده ارگانيسم زنده هدفي دارد. اين نه تنها در اندام هاي ماكروسكوپيك ديده مي شود، بلكه براي مولكول هاي اصلي حيات يعني هيدرات هاي كربن، ليپيد ها، پروتئين ها و اسيد هاي نوكلئيك هم وجود دارد. ارگانيسم زنده نه تنها مي تواند با استفاده از انرژي به حفظ و ترميم خود بپردازد، بلكه قادر به توليدمثل بسيار دقيق نيز هست.
اينكه يك نيروي اسرارآميز از كنار هم قرار دادن مولكول هاي بي جان حيات ذي شعوري را به وجود آورده است، اصالت حيات (Vitalism) خوانده مي شود، ديدگاهي كه امروزه خريدار چنداني ندارد. در زمانه ما بيوشيمي و فيزيولوژي مولكولي اين رسالت را بر عهده گرفته اند كه مشخص سازند آيا حيات چيزي وراي برهم كنش تعدادي مولكول ساده و بي جان است يا خير؟ پروژه هاي ژنوم و پروتيوم (Proteom) مهم ترين بخش اين شاخه از علم است كه قصد دارند نقش دقيق آنزيم ها و پروتئين ها را در انواع فعاليت حياتي مثل تنفس، سوخت و ساز، حركت، شادي، خشم، حسرت و... مشخص سازند. اين كه حيات از كجا و چگونه در مدت به ظاهر كوتاه چهار، پنج ميليارد ساله عمر زمين در آن به وجود آمده و در نهايت منجر به ظهور بشر بر روي زمين شده است يكي از مهم ترين سؤالاتي است كه ظاهراً با كشف علت به هم ريختگي تقارن در واحدهاي سازنده پروتئين ها يعني اسيد هاي آمينه به جواب آن نزديك تر شده ايم.
پروتئين ها
چهار دسته مولكول آلي در بدن وجود دارد كه عبارتند از: هيدرات هاي كربن كه وظيفه تامين انرژي را بر عهده دارند، ليپيد ها كه به عنوان غشا به كار مي روند، پروتئين ها كه فعاليت هاي حياتي را كنترل مي كنند و اسيدهاي نوكلئيك كه اطلاعات مورد نياز براي تمام واكنش هاي موجود زنده را در خود ذخيره مي كنند. پروتئين ها فراوان ترين مولكول هاي آلي در سلول هستند و بيش از ??درصد از وزن خشك يك سلول را تشكيل مي دهند. ميليون ها پروتئين در تمام جنبه هاي كاركرد و ساختار يك موجود زنده، نقش اساسي ايفا مي كنند كه اكثرشان ناشناخته اند. اما همه آنها به صورت زنجيره هايي از تعداد محدودي زير واحد تشكيل شده اند. ??اسيد آمينه در طبيعت وجود دارند كه همه پروتئين ها از آنها ساخته شده اند. در حقيقت اين ترتيب قرارگرفتن پشت سر هم اسيد هاي آمينه است كه در ژن ها ذخيره مي شود و به همين ترتيب است كه در نهايت شكل اصلي پروتئين را در محيط سلول مشخص مي كند. كاركرد پروتئين به شدت وابسته به شكل سلول است.
اسيد هاي آمينه چپ گرد
اسيد هاي آمينه از خود فعاليت هاي نوري نشان مي دهند. به اين معني كه وقتي در مقابل نور قرار مي گيرند، گروهي صفحه نور را به سمت چپ و گروهي آن را به سمت راست مي چرخانند. بر همين اساس اسيد هاي آمينه را راست گرد يا چپ گرد مي گويند و به اين خاصيت ايزومريسم فضايي يا (Chirality) مي گويند.اين خاصيت در همه اتم هاي كربن كه غيرمتقارن باشند، ديده مي شود. كربن هايي را غيرمتقارن مي گويند كه با چهار عامل يا عنصر مختلف پيوند داشته باشند، به علت چهار وجهي بودن اتم كربن مركزي اين چهار عامل مي توانند با داشتن دو توالي مختلف فضايي به دور اتم كربن دو ايزومر فضايي به وجود آورند. در اسيدهاي آمينه اين دو ايزومر فضايي غير از اينكه نور قطبيده راست گرد يا چپ گرد را بازمي تابانند، در تمام خواص ديگر كاملاً با هم مشترك هستند. اين راست گردي و چپ گردي هيچ نوع مزاحمتي براي فعاليت هاي حياتي پروتئين ايجاد نمي كند. وقتي اسيد هاي آمينه را در آزمايشگاه و توسط روش هاي شيميايي توليد مي كنيم و در مقابل نور قرار مي دهيم، هيچ نوع خاصي از قطبش در نور بازتابيده ديده نمي شود. اين نكته بيانگر آن است كه از هر دو نوع راست گرد و چپ گرد به تعداد مساوي توليد شده است. اما نكته جالب اينجا است كه وقتي يك پروتئين طبيعي را به اسيد هاي آمينه تجزيه مي كنيم فقط اسيد هاي آمينه چپ گرد در محيط پيدا مي شوند، يعني در طبيعت تنها اسيدهاي آمينه چپ گرد حضور دارند. اين به هم ريختگي تقارن همواره از سؤال هاي اساسي بيوشيمي دانان بود تا اين كه به تازگي نشريه نيوساينتيست (New Scientist) در گزارشي اعلام كرد كه گروهي از محققين فرانسوي به سرپرستي دكتر يوماير هنريش (Vwe Meierhenrich) به دليل اصلي اين به هم خوردگي تقارن طبيعت پي برده اند.
منشأ مولكولي حيات
در سال ???? گروهي از پژوهشگران با شبيه سازي محيط كره زمين در بدو شكل گيري آن در حدود ? تا ? ميليارد سال پيش و تاباندن نور به آن در يك محيط ايزوله اسيدهاي آمينه را توليد كردند. اما جالب اين جا بود كه اين اسيد هاي آمينه هم به تعداد مساوي از هر دو نوع ايزومر فضايي داشتند. اين آزمايش اين حدس را كه مولكول هاي اصلي و پايه اي حيات روي زمين شكل گرفته اند را تا حدودي زير سؤال برد.
يكي از مهم ترين نظرات در مورد منشأ حيات اين است كه مولكول هاي پايه براي تشكيل حيات مثل اسيد هاي آمينه توسط شهاب سنگ ها بر روي زمين فرود آمده اند. به همين دليل گروه تحقيقاتي دكتر ماير هنريش محيطي را شبيه سازي كردند كه به جاي محيط مرطوب سطح زمين در ? ميليارد سال پيش، شبيه ديسك غبار اوليه اي بود كه منشأ اصلي سيارات و اجرام سامانه خورشيدي (منظومه شمسي) بود. چون در آن زمان پيك نور محيط (يعني بيشترين ميزان تشعشع الكترومغناطيسي) در طول موج ??? نانومتر بوده، آنها محيط را تحت نور قطبيده با همين طول موج قرار دادند و نتيجه بسيار شگفت آور بود. تنها اسيد آمينه هاي چپ گرد تشكيل شدند! يعني امواج الكترومغناطيسي با طول موج ??? نانومتر فقط اسيد آمينه هاي چپ گرد را توليد مي كنند. در آزمايش سال???? كه پيش از اين ذكر شد، از امواج فرابنفش با پيك نوري در طول موج ???نانومتر استفاده شده بود، زيرا طول موج هاي كوتاه تر نمي توانند در آب نفوذ كنند و جذب مي شوند. بنابراين به نظر مي رسد كه اسيد هاي آمينه در زماني پيش از شكل گرفتن سطح زمين به وجود آمده اند. پروفسور ماير هنريش براي تاييد نظريه خود به دو مورد از كشف اسيد هاي آمينه روي شهاب سنگ هاي يخي كه در زمان غبار اوليه پيش ستاره اي شكل گرفته بودند، اشاره مي كند كه همگي چپ گرد هستند. وي قصد دارد براي تاييد نظريه خود از آزمايش هايي كه توسط سينكروترون انجام مي شود، كمك بگيرد اما تاييد نهايي اين نظريه كه مولكول هاي اصلي حيات از فضا بر روي كره زمين فرود آمدند، موكول به زماني خواهد شد كه قرار است فضاپيماي بدون سرنشين آژانس فضايي اروپا يعني روزتا (Rosetta) به روي سنگ آسماني VP4 فرود آيد و مواد آن را آناليز كند. اين ماموريت كه براي سال ???? ترتيب داده شده است، مي تواند براي هميشه به اين سؤال پاسخ دهد كه آيا حيات در مقياس مولكولي، روي زمين به وجود آمده در فضا شكل گرفته و توسط اجرام آسماني به روي زمين كه محيط مناسبي براي رشد و تكثير و تكامل آن بوده است، منتقل شده است. براي همين پروفسور ماير هنريش وسيله اي را براي نصب روي فضاپيماي روزتا آماده كرد كه در صورت كشف اسيد هاي آمينه روي اين سنگ آسماني كه در زمان هاي اوليه منظومه شمسي شكل گرفته، معين كند كه آيا اين اسيدهاي آمينه فقط چپ گردند يا از هر دو نوع.
براي آشنايي بيشتر با موضوع اين مقاله مي توانيد به سايت پروفسور ماير هنريش مراجعه كنيد: www.chiralitaet.de
|