نوشته

دانشمندان با ارائه شواهد قانع‌کننده جدید در حمایت از فرضیه (RNA World) «دنیای RNA» درک جدیدی از چگونگی پیدایش حیات بدست آوردند. در این پژوهش، یک آنزیم RNA کشف شده است که توانایی ایجاد کپی‌های دقیق از دیگر رشته‌های Functional RNA را دارد. این آنزیم همچنین امکان پدیدار شدن نسخه‌های جدیدی از این مولکول را در طول زمان فراهم می‌کند. این قابلیت‌های چشمگیر نشان می‌دهد که اولین اشکال تکامل (evolution) ممکن است در مقیاس مولکولی و درون ساختار خود RNA رخ داده باشند. این یافته همچنین دانشمندان را یک گام به بازآفرینی حیات  (autonomous RNA-based life) خودمحور مبتنی بر RNA در آزمایشگاه نزدیک‌تر می‌کند.

چارلز داروین تکامل را اینگونه تعریف کرد: "تبارزایی همراه با تغییر". اطلاعات ژنتیکی به شکل توالی‌های DNA کپی شده و از نسلی به نسل دیگر منتقل می‌شود. اما این فرآیند باید تا حدودی منعطف هم باشد تا امکان بروز تغییرات جزئی در ژن‌ها در طول زمان فراهم شده و صفات جدیدی وارد جمعیت شوند.

اما همه‌ی این‌ها چگونه آغاز شد؟ در مراحل شکل‌گیری حیات، بسیار پیش از سلول‌ها، پروتئین‌ها و DNA، آیا امکان شکل‌گیری نوع مشابهی از تکامل در مقیاسی ساده‌تر وجود داشته است؟ دانشمندان در دهه‌ی 1960 میلادی، ازجمله لزلی اورگل از موسسه سالک (Salk Fellow)، نظریه‌ای را مطرح کردند که بر اساس آن، حیات با "دنیای RNA" شکل گرفت - دوره‌ای فرضی که در آن مولکول‌های کوچک و رشته‌ای RNA بر زمین اولیه حاکم بوده و اصول تکامل داروینی را پایه‌گذاری کرده‌اند.

اکنون تحقیقات جدید در موسسه سالک (Salk Institute) بینش تازه‌ای درباره‌ی چگونگی پیدایش حیات ارائه می‌دهد و شواهد قانع‌کننده‌ای در حمایت از فرضیه دنیای RNA به دست می‌دهد. این مطالعه، که در تاریخ ۴ مارس ۲۰۲۴ در نشریه "مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم" (PNAS: Proceedings of the National Academy of Sciences) منتشرشده، از یک آنزیم RNA پرده برمی‌دارد که می‌تواند نسخه‌های دقیقی از دیگر رشته‌های Functional RNA بسازد، درحالی‌که امکان پدیدار شدن نسخه‌های جدیدی از مولکول RNA را نیز در طول زمان فراهم می‌کند. این توانایی‌های قابل‌توجه نشان می‌دهد که نخستین اشکال تکامل ممکن است در مقیاس مولکولی و درون خود مولکول‌های RNA رخ‌داده باشند.

این یافته‌ها همچنین دانشمندان را یک گام به بازآفرینی حیات مبتنی بر RNA در محیط آزمایشگاه نزدیک‌تر می‌کند. دانشمندان با شبیه‌سازی این محیط‌های ابتدایی در آزمایشگاه، قادر خواهند بود فرضیه‌های مربوط به چگونگی آغاز حیات در زمین، یا حتی سیارات دیگر را به‌طور مستقیم آزمایش کنند.

جرالد جویس (Gerald Joyce)، مدیر ارشد سالک و نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید: "ما در تعقیب سرآغاز تکامل هستیم. با آشکارسازی این قابلیت‌های جدید RNA، در حال کشف منشاء احتمالی خود حیاتیم و دریچه‌ای به سوی درک این امر میگشاییم که چگونه مولکول‌های ساده می‌توانستند راه را برای پیچیدگی و تنوعی که امروزه در حیات شاهدش هستیم، هموار کرده باشند."

دانشمندان می‌توانند از DNA برای ردیابی تاریخ تکامل استفاده کنند؛ از گیاهان و جانوران امروزی گرفته تا نخستین موجودات تک‌سلولی. اما آنچه قبل از آن وجود داشته همچنان مبهم است. مارپیچ‌های دو رشته‌ای DNA برای ذخیره‌ی اطلاعات ژنتیکی عالی هستند. بسیاری از این ژن‌ها درنهایت به کدهایی برای پروتئین‌ها تبدیل می‌شوند- ماشین‌های پیچیده مولکولی که انواع عملکردها را به عهده‌دارند تا سلول‌ها را زنده نگه دارند. آنچه RNA را منحصربه‌فرد می‌کند این است که این مولکول‌ها می‌توانند برخی از کارهای هر دو را انجام دهند. آن‌ها از رشته‌های توسعه‌یافته‌ی نوکلئوتیدی، مشابه DNA، ساخته‌شده‌اند و همچنین می‌توانند مانند پروتئین‌ها، نقش آنزیم را برای سرعت بخشیدن واکنش‌ها داشته باشند. پس آیا این امکان وجود دارد که RNA به‌عنوان ماده‌ی اولیه شکل‌گیری حیاتی باشد که ما می‌شناسیم؟

دانشمندانی همچون جویس (Joyce) سال‌هاست که این ایده را با تمرکز ویژه بر روی ریبوزیم‌های RNA پلیمراز (RNA polymerase ribozymes) مورد بررسی قرار می‌دهند. این‌‌ها مولکول‌های RNA هستند که توانایی ساختن کپی از سایر رشته‌های RNA را دارند. جویس و تیم او در طول دهه‌ی گذشته در آزمایشگاه مشغول به ساخت RNA پلیمراز ریبوزیم‌ها بوده‌اند و از نوعی تکامل هدایت‌شده برای تولید نسخه‌های جدیدی استفاده می‌کنند که قابلیت همانندسازی مولکول‌های بزرگتر را دارند. اما اکثر این مولکول‌ها با یک نقص اساسی مواجه‌ بوده‌اند: آن‌ها قادر نیستند تا توالی‌ها را با دقت کافی کپی کنند. در طول نسل‌های متوالی، خطاهای زیادی در توالی‌ها ایجاد می‌شود تا جایی که رشته‌های RNA جدید هیچ شباهتی به توالی اولیه ندارند و عملکرد خود را به‌طور کامل از دست می‌دهند.

اما این روند دیگر ادامه نیافت. آخرین RNA پلیمراز ریبوزیمی که در آزمایشگاه ساخته شد، دارای چندین جهش کلیدی است که باعث شده تا با دقت بسیار بالاتری، یک رشته RNA را کپی کند.

در این آزمایش‌ها، رشته RNA که در حال کپی شدن بود، نوعی "زیست‌مولکول چکشی" (hammerhead) محسوب می‌شود؛ مولکولی کوچک که مولکول‌های دیگر RNA را به قطعاتی تجزیه می‌کند. پژوهشگران با شگفتی دریافتند که این RNA پلیمراز ریبوزیم نه‌تنها زیست‌مولکول چکشی کاربردی را با دقت همانندسازی می‌کند، بلکه با گذشت زمان، گونه‌های جدیدی از زیست‌مولکول‌های چکشی شروع به ظهور کرده‌اند. این گونه‌های جدید عملکرد مشابهی داشتند، اما جهش‌های آن‌ها باعث شده بود همانندسازی‌شان ساده‌تر شود. این مسئله شایستگی تکاملی آن‌ها را افزایش داد تا جایی که درنهایت به ساختار غالب زیست‌مولکول چکشی در جمعیت موجود در آزمایشگاه تبدیل شدند.

نیکولاس پاپاستاورو (Nikolaos Papastavrou)، پژوهشگر فوق دکتری که از نویسندگان اصلی این پروژه در آزمایشگاه جویس است می‌گوید: "همیشه این پرسش برای ما وجود داشته که حیات در ابتدای پیدایش خود تا چه حد ساده بوده و چه زمانی توانایی بهبود بخشیدن به خود را پیدا کرده است. یافته‌های این مطالعه نشان می‌دهد که سرآغاز تکامل می‌توانسته بسیار زودتر از تصور و در عین حال ساده رخ داده باشد. حتی اجزایی در سطح مولکول‌های منفرد قادرند تکامل داروینی را شکل دهند و این رویداد احتمالا جرقه‌ای بوده که حیات را به سمت پیچیدگی بیشتر هدایت کرده است؛ مسیری از مولکول‌ها به سوی سلول‌ها و موجودات چند سلولی."

این یافته‌ها بر اهمیت اساسی دقت در همانندسازی (replication) برای تحقق‌پذیر شدن تکامل، تاکید می‌کنند. دقت کپی‌برداری RNA پلیمراز برای حفظ اطلاعات قابل‌انتقال در نسل‌های متمادی، باید از آستانه‌ای حیاتی تجاوز کند. هرچه RNA‌های در حال تکامل از نظر اندازه و پیچیدگی رشد می‌کرده‌اند، ضرورت عبور از این آستانه نیز افزایش یافته است.

تیم جویس در تلاش است تا این فرایند را در لوله‌های آزمایشگاهی بازآفرینی کند. آن‌ها با وارد کردن فشار انتخابیِ فزاینده بر روی سیستم، در جستجوی تولید پلیمرازهای کارآمدتر هستند. هدف نهایی ساخت یک RNA پلیمراز با توانایی همانند‌سازی خود است. این دستاورد نشانه‌ی آغاز شکل‌گیری حیاتِ خودمختار مبتنی بر RNA در محیط آزمایشگاه خواهد بود که به گفته‌ی پژوهشگران، دستیابی به آن در دهه‌ی پیش رو امکان‌پذیر است.

دانشمندان همچنین علاقه‌مندند تا دریابند چه اتفاقات دیگری پس از حصول استقلال بیشتر توسط این "دنیای کوچک RNA" رخ خواهد داد.

دیوید هورنینگ (David Horning)، پژوهشگر حاضر در آزمایشگاه جویس و یکی از نویسندگان این تحقیق می‌گوید: "ما شاهد بوده‌ایم که فشار انتخابی می‌تواند RNA‌هایی با عملکرد مشخص را بهبود ببخشد، اما اگر اجازه دهیم سیستم موردبحث با جمعیت‌های گسترده‌تری از مولکول‌های RNA به مدت بیشتری تکامل یابد، آیا امکان ابداع عملکردهای جدید وجود دارد؟ مشتاقیم تا دریابیم حیات اولیه با کمک ابزارهای توسعه داده شده در اینجا در موسسه‌ی سالک، چگونه می‌توانسته سطح‌ پیچیدگی خود را افزایش دهد."

روش‌های به‌کاررفته در آزمایشگاه جویس همچنین راه را برای آزمایش‌های آینده و بررسی دیگر نظرات مرتبط با پیدایش حیات هموار می‌کند. برای مثال، این روش‌ها می‌توانند در کشف شرایط محیطیِ بهینه‌ای که تکامل RNA را پشتیبانی کرده، مورد استفاده قرار گیرند. این موضوع هم از منظر حیات بر روی کره‌ی زمین و هم در ارتباط با دیگر سیارات قابل بررسی است.

نوشتار دکتر هادی صمدی پژوهشگر فلسفه و تکامل برای این موضوع

حیات چگونه آغاز شد؟

از معماهای علم چگونگی آغاز حیات است. نظریه‌های متنوعی وجود دارد که از معروف‌ترین آنها «فرضیه‌ی جهان آر.ان.ای» است. مطابق این فرضیه قبل از پیدایی نخستین تک‌سلولی‌ها، آر.ان.ای‌هایی با قابلیت همانندسازی وجود داشته‌اند.

طرح مسئله: نظریه‌ی داروین توضیح می‌دهد که وقتی نخستین تک‌سلولی‌ها شکل گرفتند چگونه جهان زیستی از طریق فرایندهای تکاملی تنوع یافت. اما داروین به ما نمی‌گفت که حیات چگونه آغاز شده است. با این حال، تکامل‌دانان بعدی در قرن بیستم تلاش کردند که سازوکارهای تکاملی را برای شکل‌گیری حیات بر روی زمین نیز به‌کار گیرند.

در اَشکالِ رایجِ تکامل، زادگانِ موجودات زنده خصیصه‌هایی را از والدین خود به ارث می‌برند. هرچند این توارث عموماً کامل نیست و با «خطاهایی» همراه است اما آن‌قدر کامل است که خصیصه‌های کارآمد حفظ شوند. در نتیجه، زادگان به والدین شباهت دارند، و در جنبه‌هایی نیز با آنها متفاوت‌اند. توارث و تنوع، هر دو برای انتخاب طبیعی لازم‌اند. 

حالا اگر قرار باشد برای تولیدمثل، در جهانِ پیشاسلولیِ مملو از آر.ان.ای‌ها، تبیینی تکاملی عرضه کنیم باید توضیح دهیم که اولاً چگونه آر.ان.ای در این جهان همانندسازی می‌کرده و ثانیاً این همانندسازی در مواردی کامل نبوده و به تنوع‌های جدید، اجازه‌ی شکل‌گیری می‌داده است. قسمت دوم مشکل‌ساز نبوده است؛ زیرا وجود خطا در همانندسازی اجتناب‌ناپذیر است. از زمان عرضه‌ی این نظریه، طی شش دهه‌ی گذشته، مشکل اصلی در بخش نخست وجود داشته است: اینکه چگونه ممکن است همانندسازی آر.ان.ای به میزانی کم‌خطا باشد که طی زمانی کوتاه و با چندبار همانندسازی به‌طورکلی تبدیل به توالی‌های جدیدی نشود و کارکردهای اولیه را به مقدار زیادی حفظ کند؟

راه‌حل: مقاله‌‌ی جدید از طراحی نوعی ریبوزوم خبر می‌دهد که قادر است این کار را انجام دهد. بنابراین این یافته نشان می‌دهد که انتخاب طبیعی چگونه می‌توانسته در جهان آر.ان.ای کار کند. اکنون مکانیسمی داریم برای توضیح اینکه چگونه یک آر.ان.ای کوچک می‌تواند خود را به نحوی نسبتاً کامل بازتولید کند.

اهمیت این یافته: اگر مدل عرضه شده در این مقاله در عمل و در محیط آزمایشگاهی کار کند اولاً گام مهمی است برای تبیین چگونگی آغاز حیات؛ و ثانیاً گامی برای خلق حیات در محیط آزمایشگاهی خواهد بود.

حالا دیگر آغاز پیدایی حیات بر روی زمین کمتر رازآلود است و تبیین‌های طبیعی‌گرایانه‌ی قوی‌تری در اختیار داریم. 

 کانال تلگرامی "تکامل و فلسفه"