أصل الحياة (التولد الذاتي)، ودراسة جديدة لردم جزء من هذه الفجوة

كُتبت في: 29/09/2021

منذ خمسة أيام نشرت مجلة Nature مقالًا يساهم في ردم فجوة "نشوء الحياة على الأرض"؛ لفهم هذه الفجوة وما أضافته هذه الدراسة الجديدة اقرأ هذا المقال..

في عالم المعرفة والعلوم توجد العديد من الفجوات العلمية والمعرفية التي تعمل البشرية على ردمها، وتختلف طرق سد هذه الفجوات باختلاف العقليات، فمنها العقليات المثابرة الصادقة مع نفسها في البحث عن الحقيقة مهما كان البحث صعبًا والحقيقة غير مرضية للعواطف أو التوقعات؛ ومنهم العقليات التي تسعى لسد هذه الفجوات بأي جواب بغض النظر عن صحته إما لتقليل عبء الجهل الذي تحس به وعدم تقبلها لحقيقة أننا لا نعرف ولن نعرف كل شيء، أو لكي تروج لإيديولوجيا ومعتقدات تعتقد بها وتعرف أن كشف حقيقة الجواب سيضر بمعتقداتها..

وباستغلال هذه الفجوات العلمية نشأ عندنا العديد من مروجي العلوم الزائفة Pseudoscientists ومروجي المعتقدات الدينية والفلسفية الخاطئة باستخدام ما يعرف بمغالطات التوسل بالمجهول Appeal to Ignorance ونقل عبء الإثبات Shifting the Burden of Proof وإله الفجوات God of the Gaps، والذين لا يقدمون أي دليل على أي طرح يطرحون بل يكتفون بمحاولة نقض أي تفسير منطقي أو علمي لما يدعون أن لا تفسير له إلا بوجود قوى سحرية خفية؛ والنقض لأي تفسير علمي هو أمر ضروري ومن شروط أي دليلٍ علمي أن يكون قابلًا للنقض Falsifiable على أن يتم النقض بطريقة علمية لا بطريقة اعتباطية قائمة على الادعاءات الزائفة أمثال ما يقوم به بعض دعاة العلم الزائف ومروجي زيف الضبط الدقيق Fine Tuning والتصميم الذكي Intelligent Design من خلقيين وغيرهم أمثال معهد Discovery Institute ومروجي العلم الزائف أمثال Michael Behe وStephen C. Meyer وWilliam A. Dembski وغيرهم ومن تبعهم واجتر ادعاءاتهم من دعاة العلم الزائف الشرقيين..

إحدى أكبر الفجوات كانت ولا زالت سؤال "كيف بدأت الحياة"..

يوجد مجال كامل في العلم يهتم بما يسمى "أصل الحياة" أو بالمصطلح العلمي "التولد الذاتي/التلقائي" Abiogenesis وفيه يستخدم العلماء مزيج من علم الأحياء الجزيئي وعلم الأحياء القديمة وعلم الأحياء الفلكي وعلم المحيطات والفيزياء الحيوية والجيوكيمياء والكيمياء الحيوية، لدراسة كيفية تشكل الحياة من المادة اللاحية. انطلاقًا من تحول المواد الكيميائية اللاعضوية إلى عضوية ومن ثم اكتسابها القدرة على الازدياد والتجمع والتكاثر.

عمليًا تم طرح "التولد الذاتي/التلقائي" Abiogenesis لأول مرة من قبل Alexander Oparin وJohn Haldane عام 1924، حيث طرحا أن غازات الغلاف الجوي المبكرة مثل بخار الماء والأمونيا والميثان والهيدروجين تجتمع بسبب البرق أو الإشعاع أو الحرارة لتشكيل مركبات عضوية بسيطة تسمى مونوميرات Monomers. توجد هذه المونوميرات في المحيط وتشكل "حساءًا بدائيًا Primordial Soup" عضويًا يؤدي إلى تكوين بوليمرات Polymers أكبر، وفي النهاية، تشكل جزيء له القدرة على تكرار نفسه.

تم دعم هذه الفرضية من خلال تجربة Miller-Urey عام 1952، حيث قاموا بمحاكاة الغلاف الجوي البدائي في المختبر، وحفزوا الخليط باستخدام شرارات كهربائية. في غضون أسبوع، احتوى الخليط على أحماض أمينية، وهي اللبنات الأساسية للبروتينات. على الرغم من أن هذه التجربة ولا أي من التكرارات التالية قد أسفرت عن تكرار ذاتي، إلا أنها دعمت فكرة تشكل الأحماض الأمينية من اختزالية بسيطة، والذي توضح لاحقًا في عام 2007 أنه تم إنتاج 20 حمض أميني مختلف من هذه التجربة.

تم طرح العديد من الفرضيات حول أصل الحياة أذكر منها:

- تحت الجليد Beneath the Ice:

تشير بعض الأدلة إلى أنه منذ حوالي ثلاثة مليارات سنة كانت محيطات الأرض مغطاة بالجليد. ربما كان هذا الجليد يبلغ سمكه مئات الأمتار. وتقول هذه الفرضية أن الجليد ربما يكون قد حمى المركبات مما سمح لها بالتفاعل وبالتالي بدء ظهور الحياة.

- الكهرباء Electricity:

كما تبين في تجربة Miller-Urey فقد ثبت أن الكهرباء يمكن أن تنتج السكريات البسيطة والأحماض الأمينية من عناصر بسيطة في الغلاف الجوي. ويؤدي هذا إلى الفرضية القائلة بأن البرق ربما كان مسؤولاً عن نشأة الحياة، وذلك في المقام الأول من خلال ضرب السحب البركانية الغنية بالمركبات الأولية.

- پانسپيرميا Panspermia:

وهي الاقتراح القائل بأن الحياة على الأرض لم تبدأ فعليًا على الأرض على الإطلاق. وإنما جاءت مع صخور النيازك وغيرها من الحطام الذي اصطدم بالأرض. في الواقع، تم العثور على صخور من المريخ هنا على الأرض، ويقول الطرح أن أيًا من هذه الصخور كان من الممكن أن يجلب ميكروبات يمكن أن تكون قد بدأت الحياة. أي أننا جميعًا كائنات فضائية بالنسبة للأرض.

- الحمض النووي الريبي RNA:

يشتهر حمض الريبونوكليك (RNA) اليوم بدوره في التعبير عن الجينات. تنص هذه الفرضية على أن الحياة كلها نشأت من عالم RNA معقد Complex RNA World. وهذا أمر معقول، لأن الحمض النووي الريبي أكثر تنظيمًا ذاتيًا، وإن كان أقل كفاءة، من الحمض النووي DNA.

- التمثيل الغذائي البسيط وردود الفعل Simple Metabolism and Reactions:

على عكس فرضية الحمض النووي الريبي، يشير هذا النهج إلى أن الحساء البدائي استمر ببساطة في التفاعل مع نفسه بمرور الوقت، مما أدى إلى إنتاج المزيد والمزيد من الجزيئات المعقدة، مما أدى في النهاية إلى الحياة. وهذه أبسط الفرضيات الدائمة ويصعب استبعادها.

- أرض النمو الطينية Clay Breeding Ground:

وهي فرضية مفادها أن الحياة على الأرض ربما تكون قد تطورت في الطين. يُقترح أن الطين قد يكون بمثابة منطقة نشاط كيميائي مركّز، مما يوفر أرضًا خصبة للحمض النووي والمكونات الأخرى، والذي قد يعتقد البعض أنها قريبة لبعض الطروح الدينية التي بدأت بالطرح المصري القديم للخلق من الطين ولكن هذا غير صحيح فالخلق الديني يتم عبر تشكيل الجسد الكامل المتكامل للإنسان ومن ثم نفخ الروح فيه ولو أن البعض سيحاول استخدامها من مبدأ "الرمد أفضل من العمى" وسيقبلون بأن البشر وجدوا طبيعيًا وتطوروا المهم من طين! للاطلاع على فكرة الروح والخلق من طين اقرأ مقال ماهية الروح.

- الفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار Submarine Hydrothermal Vents:

تحتوي الفتحات المائية الحرارية في أعماق البحار، على أنظمة بيئية واسعة ومتنوعة. البيئة الغنية بالمغذيات المليئة بالغازات التفاعلية والعوامل المحفزة، تخلق موطنًا يعج بالحياة. تشير الدراسات إلى أن الحياة ربما نشأت من داخل هذه الفتحات، وهي فرضية لا يمكن تجاهلها، وهي فرضية قد ترتبط في الواقع بفرضية الجليد في بداية هذا المقال.

أما آليات التشكل لهذه المكونات المعقدة فهنالك عدة طروح أذكر منها:

- البروتينات أولًا Proteins First:

كما رأينا أسفرت تجربة Urey-Miller عن أحماض أمينية ومركبات عضوية أخرى، مما يدل على أن الظروف مثل تلك التي كانت الموجودة في الأرض المبكرة يمكن أن تخلق أحماض أمينية، وهي اللبنات الأساسية للبروتينات. لكن الانتقال من خليط من الأحماض الأمينية في محلول إلى بروتين سليم وفعال يحيط به بعض المشاكل. على سبيل المثال، مع مرور الوقت، تميل البروتينات الموجودة في الماء إلى التفكك بدلاً من التجمع في سلاسل جزيئية أطول. كذلك، فإن السؤال عما إذا ظهرت البروتينات أو الحمض النووي DNA أولًا يشبه موضوع من أتى أولًا الدجاجة أم البيضة (ولو أن هذه المشكلة حُلت". يمكن للبروتينات أن تحفز التفاعلات الكيميائية، ويمكن للحمض النووي أن يخزن المعلومات الجينية. ومع ذلك، لا تكفي أي من هذه الجزيئات وحدها للحياة؛ يجب أن يتواجد الـDNA والبروتينات.

- الحمض النووي الريبي أولًا RNA First:

أحد الحلول الممكنة هو ما يسمى بعالم الحمض النووي الريبي RNA World والذي ذكرته أعلاه، حيث يأتي RNA قبل البروتينات أو الحمض النووي. هذا الحل جذاب لأن الحمض النووي الريبي يجمع بين بعض ميزات البروتينات والحمض النووي. يمكن أن يحفز الحمض النووي الريبي التفاعلات الكيميائية تمامًا مثل البروتينات، ويمكنه تخزين المعلومات الجينية تمامًا مثل الحمض النووي. والآلية الخلوية التي تستخدم الحمض النووي الريبي لتخليق البروتين مصنوعة جزئيًا من الحمض النووي الريبي وتعتمد على الحمض النووي الريبي للقيام بوظيفتها. يشير هذا إلى أن الحمض النووي الريبي ربما لعب دورًا مهمًا في التاريخ المبكر للحياة.

- توليف الحمض النووي الريبي RNA Synthesis:

بالرغم مما ذكر في الآلية السابقة، إلا أن إحدى مشكلات فرضية RNA World هي طبيعة RNA نفسها. RNA عبارة عن بوليمر أو سلسلة من النيوكليوتيدات. ليس من الواضح تمامًا كيف تشكلت هذه النيوكليوتيدات أو كيف اجتمعت معًا لتشكيل البوليمرات في ظل ظروف الأرض المبكرة.

في عام 2009، اقترح العالم البريطاني John Sutherland حلاً عمليًا من خلال الإعلان عن أن مختبره قد وجد عملية يمكنها بناء النيوكليوتيدات من "لبنات البناء" التي ربما كانت موجودة على الأرض في وقت مبكر. من المحتمل أن تكون هذه العملية قد أدت إلى ظهور النيوكليوتيدات، والتي تم ربطها بعد ذلك من خلال التفاعلات.

- التمثيل الغذائي أولًا Metabolism First:

على الرغم من أن سيناريو RNA First يحظى بشعبية كبيرة بين علماء أصل الحياة، إلا أن هناك تفسيرًا آخر يقترح أن التمثيل الغذائي يأتي قبل RNA أو DNA أو البروتين. يشير هذا السيناريو الأول لعملية التمثيل الغذائي إلى أن الحياة نشأت بالقرب من بيئات ذات ضغط مرتفع ودرجات حرارة عالية مثل أعماق البحار وفتحات المياه الساخنة. دفعت هذه الظروف التفاعلات المحفزة بالمعادن وأدت إلى ظهور خليط غني من المركبات العضوية. أصبحت هذه المركبات بدورها اللبنات الأساسية للبوليمرات مثل البروتينات والحمض النووي الريبي. ومع ذلك،لا توجد أدلة كافية تشرح بشكل قاطع ما إذا كان نهج التمثيل الغذائي أولاً أو نهج RNA World صحيحًا.

إذًا كما نرى هنالك العديد من الطروحات والفرضيات حول نشوء الحياة وأغلبها يحاول حل الأسئلة الآتية:

- كيف تشكلت المركبات العضوية من المركبات اللاعضوية (الرابك بين الكيمياء والبيولوجيا)؟

وهذا تم حله في تجربة  العالم Friedrich Wöhler عام 1828 عندما أنتج اليوريا (مادة عضوية) من مواد لاعضوية هي سيانات الفضة وكلور الأمونيوم (مقال حول التجربة).

- كيف تشكلت مركبات معقدة بنائية من مواد عضوية ولا عضوية بسيطة؟

وهذا تم حله كم تحدثت أعلاه في تجربة Urey-Miller.

- كيف تم الحفاظ على هذه المركبات دون أن تتفكك؟

- كيف بدأت بالتكاثر الذاتي (والذي يعطي معنى الحياة وهي القدرة على النمو والتكاثر الذاتي بالإضافة إلى تفاصيل أخرى أدت إلى تطور معنى الحياة).

كما نرى فإن الأسئلة الأربعة التي تعرف أصل الحياة ("التولد الذاتي/التلقائي" Abiogenesis) هذه لا هلاقة لها بالتطور Evolution الذي يشرح الاستنواع وأصل الأنواع وتعددها Speciation والتي يخلط بينهم البعض؛ وأن السؤالين الأولين تمت إجابتهم..

الجديد أن الدراسة التي نشرتها مجلة Nature منذ 5 أيام فقط أجابت على السؤال الثالث..

فتقول الدراسة لمجراة في جامعة هيروشيما اليابانية Hiroshima University والمعنونة بـ"القطرات المتماسكة المتكاثرة كحلقة مفقودة بين الكيمياء والبيولوجيا في أصول الحياة" Proliferating coacervate droplets as the missing link between chemistry and biology in the origins of life:

أن الفرضية القائلة بأن الجزيئات البسيطة ما قبل نشوء الحياة "بريبايوتك" Prebiotic Molecules قد تحولت إلى بوليمرات تطورت إلى تجمعات جزيئية متكاثرة وفي النهاية تم اقتراح خلية بدائية، قد طُرحت لأول مرة منذ حوالي 100 عام. وعلى حد علمنا، لم يتم حتى الآن إدراك أي نموذج لنظام البريبايوتك المتكاثر لأن توليد البوليمر والتجميع الذاتي يحتاجان ظروفًا مختلفة. في هذه الدراسة، نحدد الظروف المناسبة لتوليد الببتيد المتزامن Concurrent Peptide Generation والتجميع الذاتي Self-Assembly، ونوضح كيف يمكن إنشاء قطيرة متكاثرة قائمة على الببتيد باستخدام ثيويستر الأحماض الأمينية المركبة كمونوميرات بريبايوتك. ويتكون Oligopeptides المتولد من المونومرات تلقائيًا قطرات من خلال آلية فصل الطورين السائلين liquid–liquid phase separation في الماء. خضعت القطرات لدورة نمو وانقسام ثابتة عن طريق الإضافة الدورية للمونومرات من خلال التكاثر الذاتي التحفيزي. التخصيب غير المتجانس للحمض النووي الريبي والدهون داخل القطرات مكّن الحمض النووي الريبي من حماية القطرة من الذوبان بواسطة الدهون. وتوفر هذه النتائج بنيات تجريبية لأبحاث أصول الحياة وتفتح الاتجاهات في تطوير المواد القائمة على الببتيد.

لشرح الموضوع بشكل مبسط:

كما ذكرت سابقًا فقد تم اقتراح التطور الكيميائي- الحيوي لأول مرة في عشرينيات القرن الماضي بفكرة أن الحياة نشأت لأول مرة مع تكوين الجزيئات الكبيرة من جزيئات صغيرة بسيطة، وأن تلك الجزيئات الكبيرة شكلت تجمعات جزيئية يمكن أن تتكاثر. ومنذ ذلك الحين، تم إجراء العديد من الدراسات للتحقق من فرضية عالم الحمض النووي الريبي RNA world hypothesis - حيث كانت المواد الجينية ذاتية التكاثر فقط موجودة قبل تطور الحمض النووي والبروتينات. ومع ذلك، فإن أصل التجمعات الجزيئية التي تتكاثر من الجزيئات الصغيرة ظل لغزًا لما يقرب من مائة عام منذ ظهور سيناريو التطور الكيميائي، وقد شكل الحلقة المفقودة بين الكيمياء والبيولوجي في أصل الحياة.

للإجابة على السؤال الذي مضى عليه قرن من الزمن: كيف تحولت المواد الكيميائية ذات الشكل الحر إلى حياة؟ ومثل العديد من الباحثين، اعتقدوا في البداية أن الأمر يتعلق بالبيئة: (المكونات تتشكل تحت ضغط عالٍ ودرجة حرارة، ثم تبرد في ظروف أكثر ملاءمة للحياة). لكن المشكلة كانت في ازدياد والتجمع دون تحلل.

عمليًا الازدياد المتسارع في عدد الجزيئات الصغيرة المتجمعة يتطلب إنتاج البوليمر العفوي والتجميع الذاتي في ظل نفس الظروف. وفي هذه الدراسة صنع الباحثون مونومير بريبايوتك جديد من مشتقات الأحماض الأمينية كمقدمة للتجميع الذاتي للخلايا البدائية. عند إضافتها إلى الماء في درجة حرارة الغرفة عند الضغط الجوي، تتكثف مشتقات الأحماض الأمينية، وتتحول إلى ببتيدات، والتي تشكل بعد ذلك قطرات بشكل تلقائي. نمت القطرات من حيث الحجم والعدد عند تغذيتها بمزيد من الأحماض الأمينية. ووجد الباحثون أيضًا أن القطرات يمكن أن تركز الأحماض النووية - المادة الوراثية - وكانوا أكثر عرضة للبقاء والاستمرار ضد المنبهات الخارجية بعد أن أظهروا هذه الوظيفة. وهنا لا أبد أن أذكر مجددًا بمقالي حول امتساب صفات ووظائف منبثقة عبر التجمع والتفاعل Emergence يمكنك قراءة المقال هنا أو الاستماع لشرح كامل عنها وبشكل أوسع بالتسجيل هنا.

من الممكن أن تكون الخلية الأولية القائمة على القطيرات بمثابة رابط بين الكيمياء والبيولوجيا "خلال نشأة الحياة". وقد تفيد هذه الدراسة في تفسير ظهور الكائنات الحية الأولى على الأرض البدائية. ويخطط الباحثون لمواصلة التحقيق في عملية التطور من مشتقات الأحماض الأمينية إلى الخلايا الحية البدائية، بالإضافة إلى تحسين منصتهم للتحقق من أصول الحياة والتطور المستمر ودراستها. فمن خلال بناء قطيرات الببتيد التي تتكاثر مع التغذية على مشتقات الأحماض الأمينية الجديدة، أوضحت الدراسة بشكل تجريبي اللغز الطويل الأمد لكيفية تمكن أسلاف البريبايوتك من التكاثر والبقاء على قيد الحياة من خلال التركيز الانتقائي للمواد الكيميائية البريبايوتك. وبدلاً من عالم الحمض النووي الريبي RNA world، وجدوا أن "عالم القطيرات Droplet World" قد يكون وصفًا أكثر دقة، حيث تشير نتائجهم إلى أن القطيرات أصبحت تكتلات جزيئية قابلة للتطور والذي قد يكون أصبح أحدها سلفنا المشترك الأول LUCA.

مما سبق نجد أن الفجوات العلمية والألغاز التي لا نعرف جوابها لا يحلها إلا العلم وبتفسيرٍ علمي وأن من يراهن على جهلنا بالأجوبة ويعتمد على فجوات الجهل ليمرر تخيلاته وخرافاته هو جاهل بمدى قدرة الإنسان العلمية ويراهن رهانًا خاسرًا..

إنجاز علمي مهم يضاف لرحلة التعلم الإنسانية التي لا تنتهي ويمكنكم أن تقرؤوا تفاصيله في المصدر أدناه..

في الختام قد لا تكون هذه الدراسة الجواب على هذا السؤال ولا زال طريق الإجابة طويلًا خاصةً أننا لن نستيع معرفة الآلية الحقيقية لعدم امتلاكنا شيئًا بمكننا المقارنة به أو هكذا نظن لما نملكه الآن ولكن أهمية هذه الدراسة تأتي من إظهارها أنه لا يوجد سؤال صحيح لا إجابة عليه وأن من يراهن على استحالة وجود إجابة طبيعية لا سحرية ما ورائية هو شخصٌ جاهل..

...........................

المصدر:

Matsuo, M., Kurihara, K. Proliferating coacervate droplets as the missing link between chemistry and biology in the origins of life. Nat Commun 12, 5487 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-25530-6