منشا حیات 6: اولین مولکول های خودتکثیر شونده

سردبیر

بسم الله الرحمن الرحیم

منشا حیات 6

منشا اولین مولکول های خودتکثیر شونده

نظریه جهان RNA

برای مشاهده ی سایر قسمت ها، اینجا را کلیک نمایید.

در یک سمینار کارشناسی که توسط « استنلی میلر» تدریس شد و من (کیسی لاسکین) به عنوان دانشجو در دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو شرکت کردم، دکتر میلر به ما آموخت که "ساخت ترکیبات و ایجاد زندگی دو چیز متفاوت هستند." (1) آزمایش‌های بسیار زیادی از نوع آزمایش «میلر» تلاش کردند تبدیل گازهای مواد شیمیایی غنی از انرژی را به اسیدهای آمینه و دیگر مونومرهای زیست مولکولی نشان دهند؛ اما این برای ایجاد حیات کافی نیست.

هر توضیحی درباره منشأ حیات باید شامل مسیرهای بیوشیمیایی قابل قبولی از بلوک‌های سازنده زیستی تک و تنها - مانند اسیدهای آمینه یا اسیدهای نوکلئیک- به زنجیره‌های کاربردی - مانند پروتئین‌ها و DNA- باشد. توضیح منشا حیات همچنین باید شامل راه هایی برای سرعت بخشیدن به واکنش های شیمیایی باشد که به طور طبیعی کند هستند.

در سلول‌های زنده، زنجیره‌های بلندی از اسیدهای آمینه تا می‌شوند و به ساختارهای سه بعدی تبدیل می‌شوند که به آن‌ها اجازه می‌دهد تا به عنوان آنزیم‌هایی عمل کنند که واکنش‌های شیمیایی را بسیار تسریع می‌کنند، همانطور که در شکل زیر مشاهده می‌شود. چگونه ممکن است اینها قبل از وجود حیات به وجود بیایند؟

مهم‌تر از آن، هر مدل خاستگاه زندگی باید به توالی بسیار خاصی از مولکول ها برسد - به عنوان مثال، ترتیب و توالی اسیدهای آمینه در پروتئین ها و بازهای نوکلئوتیدی در RNA و DNA بسیار اهمیت دارد و همین است که به آن‌ها اجازه می دهد تا به درستی عمل کنند. این به معنای توضیح یک جنبه حیاتی از زندگی است: منشا اطلاعات آن، یا آنچه نظریه‌پردازان طراحی هوشمند (Intelligent Design ) آن را «مشکل توالی اطلاعات» می‌نامند.

نظریه جهان RNA

{شکل‌ها از چپ به راست: توالی درست آمینواسیدها به آن‌ها اجازه می‌دهد شکل سه‌بعدی مناسب برای کارکرد خود را بگیرند و دارای پیچش های مناسب شوند و به یک زنجیره‌ی پروتئینی تبدیل شوند و در نهایت در شکل آخر، چندین زنجیره‌ی پروتئینی در کنار هم یک ساختار پیچیده‌ی مهم -مانند هموگلوبین- را ایجاد می‌کنند.}

محبوب ترین پیشنهاد

مساله‌ی منشاء حیات برای برخی از نظریه پردازان، به عنوان منشا یک سیستم طبیعی خودتکثیرشونده که قادر به انجام فرآیند تکامل داروینی باشد، تعریف می شود. (2) محبوب ترین پیشنهاد برای اولین مولکول خودتکثیر شونده، مولکول RNA است. طبق این پیشنهاد که «جهان RNA » نام دارد، زندگی ابتدا بر اساس RNA بوده است که هم اطلاعات ژنتیکی (مشابه DNA امروزی) و هم عملکردهای کاتالیزوری (مشابه آنزیم های امروزی) را انجام می داده است.

قبل از اینکه عمیقاً به آن بپردازیم، آموزنده است که نگاهی به مجموعه مقالات یک کنفرانس بیندازیم که توسط انجمن بین المللی مطالعه خاستگاه زندگی (ISSOL) در دانشگاه برکلی کالیفرنیا، در سال 1986 سازماندهی شده بود تا پیشرفت در تحقیقات منشأ زندگی را از سال 1952-1986 برررسی کند.

من (والتر بردلی) در این کنفرانس شرکت کردم و یکی از جلسات عمومی را تماشا کردم که بحثی پرشور در بین دانشمندانی برقرار بود که معتقد بودند اولین زندگی از DNA ساخته شده است (اول-DNA) و دانشمندانی که معتقد بودند اولین مولکول های زیستی، پروتئین ها (اول-پروتئین) هستند. هیچ یک از دو گروه، هنوز قادر به سنتز پروتئین یا DNA در شرایط قابل قبول نبودند. پروتئین ها به عنوان یک کاتالیزور شیمیایی عمل می‌کنند؛ و DNA یک مخزن اطلاعاتی است که برای ساخت پروتئین‌ها استفاده می شود. یکی از نتایج کنفرانس این بود که نه اول-پروتئین و نه اول-DNA مسیرهای امیدوارکننده ای برای توضیح خاستگاه زندگی نیستند.

این دشواری در نشان دادن یک مسیر بیوشیمیایی قابل قبول برای منشاء حیات از طریق فرضیات اول-DNA یا اول-پروتئین، فرصتی را برای احتمالات جایگزین جدید ایجاد کرد. در سال 1986، فرضیه‌ی «جهان RNA» به عنوان یک جایگزین محبوب برای مدل‌های اول-پروتئین یا اول-DNA، در حال ظهور بود.

در جلسه عمومی پایانی، رابرت شاپیرو -محقق برجسته منشاء حیات- به جهان RNA پرداخت و مقالات بیوشیمیایی مربوط به ساخت و سنتز مولکول‌های RNA را نشان داد که در شرایطی انجام شده بود که تصور می‌شود بیانگر شرایط اولیه زمین است. نتایج، شوکه کننده بود. او به مقاله ای در سال 1986 اشاره کرد که نشان می‌دهد سنتز RNA در شرایط پیشازیستی (پری بیوتیک) به طور مکرر نشان داده شده است، که آن مقاله به مقاله‌ای در سال 1985 استناد کرده بود و اشاراتی به مقالات دیگر نیز داشت. اما آن مقاله‌ی مربوط به سال 1985، چنین موضوعی را نشان نداده بود - بلکه خودش به مقاله‌ای در سال 1984 استناد کرده بود و مقاله 1984 هم دوباره این موضوع را نشان نداده بود و فقط استناد به قبل کرده بود و در پایان این استنادهای آبشاری، ما به مقاله‌ای در سال 1968 می‌رسیم! مطالعه دقیق مقاله 1968 نشان داد که نویسندگان فکر می‌کردند ممکن است مولکول های RNA را در شرایط پیشازیستی سنتز کرده باشند اما در واقع هیچ موردی را پیدا نکرده بودند.

پنج مانع عظیم

سخنرانی شاپیرو در ادامه، پنج مانع عظیم را بر سر راه این مسیر بیوشیمیایی از شیمی پیشا-زیستی تا اولین سامانه‌های زنده ارائه داد. در پایان ارائه پرشور او، اتاق اکثر فعال‌ترین محققان خاستگاه زندگی در جهان ساکت شد. رئیس جلسه، که همچنین سردبیر مجله معروف «خاستگاه زندگی و تکامل زیست‌کره» بود، مکرراً از حضار حیرت زده درخواست می‌کرد سؤالات خود را بپرسند. این تنها بار در طول زندگی حرفه ای من (والتر بردلی) بود که در یک جلسه عمومی از دانشمندان و مهندسان شرکت کردم که در آن هیچ پرسشی وجود نداشت. رئیس، جلسه را بدون هیچ پرسشی به اتمام رساند و او با این نظر پایان داد: «رابرت، آیا باید این‌قدر بدبین باشی؟» رابرت پاسخی نداد، اما ممکن بود در ذهنش این بوده باشد که به شواهد و داده‌ها اجازه داده صحبت کنند، و شواهد، داستانی بسیار بدبینانه را روایت می‌کنند.

سال‌های بعد، نشان داد که بدبینی شاپیرو درست بوده است. با وجود این مشکلات، تا به امروز، جهان RNA محبوب ترین مدل برای منشا حیات باقی مانده است. اما مشکلات عمده‌ای در مورد فرضیه جهان RNA و این ادعا که یک مولکول RNA خودتکثیر شونده، به طور کاملا تصادفی پدیدار شده است، وجود دارد.

نخست، هیچ آزمایشی نشان نداده است که RNA بتواند در آزمایشگاه بدون کمک یک شیمی‌دان ماهر که به طور هوشمندانه فرآیند را هدایت می کند، از مونومرهای خود، ساخته شود. استیون بِنر، نظریه‌پرداز منشأ حیات، توضیح می‌دهد که یک مانع بزرگ بر سر راه تولید طبیعی RNA این است که "RNA برای عملکرد به آب نیاز دارد، اما RNA نمی‌تواند در آب پدید بیاید و نیز خود آب باعث اثرات خورندگی سریع و برگشت‌ناپذیر بر روی RNA می‌شود، و به همین دلیل بدون تعمیر شدن نمی‌تواند در آب، پایدار باقی بماند"(3). در این «تناقض آب»، بنر توضیح می‌دهد که «به نظر می‌رسد زندگی به ماده‌ای (یعنی آب) نیاز دارد که ذاتاً برای پلیمرها (مانند RNA) سمی است اما برای زندگی، ضروری است».(4)

برای غلبه بر چنین مشکلاتی، بنر و سایر شیمی‌دانان مراحل آزمایشگاهی خود را کاملا دقیق طراحی می کنند تا برای تولید RNA مطلوب باشد. اما رابرت شاپیرو توضیح می‌دهد که این آزمایش‌ها نمی‌توانند شرایط طبیعی را شبیه‌سازی کنند زیرا:

«در اساس و منطق خود نقص دارند – که این کنترل‌های آزمایشگاهی که توسط محققان در یک آزمایشگاه مدرن انجام می‌شود می‌توانسته‌اند در زمین اولیه {بدون هیچ کدام از این شرایط} در دسترس بوده باشند.»(5)

دکتر «جیمز تور» -شیمی‌دان- نیز با بررسی تلاش‌ها برای ساخت RNA در آزمایشگاه دریافت که «شرایط مورد استفاده آن‌ها هوشمندانه انتخاب شده است»، اما در دنیای طبیعی، «شرایط کنترل‌شده‌ی مورد نیاز برای تولید RNA به‌طور دردناکی غیرممکن است».(6)

مایکل رابرتسون و جرالد جویس -نظریه‌پردازان منشأ حیات- نیز منشاء طبیعی RNA را «کابوس یک شیمی‌دان پیشازیستی» نامیده‌اند، زیرا «این آزمایش‌های طراحی‌شده برای شبیه‌سازی شیمی زمین اولیه، موجب تولید ترکیبات غیر قابل کنترل می‌شوند».

در پایان، این آزمایش‌ها تنها یک چیز را نشان می‌دهند: RNA تنها با طراحی هوشمند می‌تواند تشکیل شود.

مشکل دوم

امروزه، RNA قادر به حمل اطلاعات ژنتیکی است، اما طرفداران جهان RNA ادعا می‌کنند که در گذشته، RNA می‌توانسته انواع نقش‌های کاتالیزوری را نیز که امروزه بر عهده‌ی آنزیم هاست انجام دهد. مشکل دوم با جهان RNA این است که مولکول های RNA بسیاری از خواص پروتئین ها را نشان نمی دهند، خواصی که اجازه می دهد پروتئین ها به عنوان مولکول های کارگر در سلول عمل کنند. در حالی که RNA می‌تواند چند نقش را ایفا کند، هیچ مدرکی مبنی بر اینکه بتواند تمام عملکردهای سلولی لازم را انجام دهد وجود ندارد.(8) همانطور که یک مقاله بیان کرده است "پروتئین‌ها برای نقش کاتالیزگری، یک میلیون برابر بهتر از RNA هستند و قابلیت‌های کاتالیزوری RNA بسیار محدود است."(9)

خاستگاه اطلاعات

اساسی‌ترین مشکل با فرضیه‌ی جهان RNA ناتوانی آن در توضیح منشاء اطلاعات در اولین مولکول RNA خودتکثیرشونده است - که کارشناسان معتقدند باید حداقل 100 نوکلئوتید طول داشته باشد، یا شاید حتی طول آن باید حداقل بین 200 تا 300 نوکلئوتید باشد.(10)

چگونه بازهای نوکلئوتیدی در RNA به درستی مرتب شده‌اند تا زندگی را پدید آورند؟ هیچ قانون شیمیایی یا فیزیکی شناخته‌شده‌ای وجود ندارد که بتواند این کار را انجام دهد. برای توضیح چگونگی ترتیب یافتن نوکلئوتیدها در اولین مولکول RNA خودتکثیرشونده، نظریه‌پردازان خاستگاه حیات هیچ توضیحی جز شانس کور ندارند. همانطور که اشاره شد، نظریه‌پردازان طراحی هوشمند، این مانع را مسئله توالی اطلاعات می‌نامند، اما نظریه‌پردازان متعددی از جریان اصلی نیز به محاسبه‌ی بسیار نامحتملی برای تولید طبیعی یک توالی RNA دقیق مورد نیاز برای همانندسازی رسیده‌اند. شاپیرو مشکل را اینگونه بیان می کند:

"یک مشکل عمیق با ایده‌ی RNA، یا هر تکثیر کننده‌ی دیگری، در آغاز زندگی وجود دارد. تکثیرکننده‌های موجود می‌توانند به عنوان الگوهایی برای ساخت نسخه‌های کپی شده از خودشان، عمل کنند، اما آن‌ها نمی‌توانند برای تهیه‌ی اولین مولکول از این دست استفاده شوند زیرا چنین مولکولی باید به طور خود به خود، از یک مخلوط سازمان نیافته ایجاد شود. تشکیل یک هوموپلیمر حاوی اطلاعات، از طریق سنتز شیمیاییِ غیر جهت دار، بسیار نامحتمل به نظر می رسد."11

شاپیرو در جای دیگر خاطرنشان می‌کند: "ظهور ناگهانی یک مولکول بزرگ خودتکثیر شونده مانند RNA، به شدت غیرممکن بوده است" و چنین احتمالی "آن قدر ناچیز است که حتی اگر فقط یک بار در یک نقطه از کل جهان قابل مشاهده‌ی ما اتفاق بیفتد به عنوان یک خوش‌شانسی استثنایی به حساب می‌آید."

مقاله‌ای در سال 2020 در مجله‌ی "Scientific Reports" به طور مشابهی می‌نویسد:

"پیدایش اطلاعات از ماده‌ی غیر زنده که به شکل RNA ذخیره شده باشد، یک مشکل حل نشده‌ی مهم در مورد خاستگاه زندگی است" زیرا "تشکیل چنین پلیمر درازی با یک توالی نوکلئوتیدی صحیح توسط واکنش‌های تصادفی، از نظر آماری، بعید به نظر می‌رسد." 13

استیون بنر به «تناقض نیاز به اطلاعات» اشاره می‌کند، که در آن مولکول‌های RNA خودتکثیرشونده "بیش از حد طولانی هستند که به‌طور خودبه‌خودی از بلوک‌های ساختمانی موجود پدید آمده باشند"14

هم‌چنین بنر یک مشکل منطقی دیگر را بیان می‌کند و آن اینکه تولید یک مولکول RNA که قادر به کاتالیز کردن همانندسازی خود باشد، بسیار کمتر احتمال ایجاد شدن دارد نسبت به مولکول‌های RNA تولید شده‌ای که تخریب RNAها را کاتالیز می‌کنند. این به یک مشکل وخیم اشاره دارد که نظریه‌پردازان جهان RNA با آن مواجه هستند، یعنی "یک نظریه‌ی شیمیایی که به جای ایجاد زندگی، نابودی را به عنوان نتیجه‌ی طبیعی خود ارائه می‌دهد."15

یک مشکل حل نشدنی

مقاله‌ی "Scientific Reports" راه حلی را برای این معضلات پیشنهاد کرد، اما همین راه حل نشان می دهد که مشکل منشأ اطلاعات حیات تا چه حد برای ماتریالیست‌ها غیرقابل حل می‌باشد: مقاله به این نتیجه رسید که چون تشکیل یک مولکول RNA خودتکثیر شونده در جهان قابل مشاهده‌ی ما عملا غیرممکن است، بنابراین جهان باید بسیار بزرگ‌تر از آن چیزی باشد که ما مشاهده می کنیم، یعنی یک "جهان تورمی" که منابع احتمالاتی را افزایش می‌دهد تا چنین رویداد نامحتملی محتمل شود. این درست مانند پاسخ ماتریالیستی به تنظیم دقیق فیزیک است؛ وقتی پیچیدگی مشاهده شده در طبیعت به نظر می‌رسد که نشان‌دهنده‌ی طراحی باشد، در اینجا باز هم، چندجهانی اختراع می‌شود تا بر مشکلات احتمالاتی غلبه شود. وقتی نظریه‌پردازان جهان RNA برای جلوگیری از ابطال نظریه‌شان به نسخه‌ی چندجهانی از منشأ حیات متوسل می‌شوند، واضح است که نظریه‌ی آن‌ها دارای مشکلات مهلکی است.

بعدی: «هنوز ناشناخته: اولین سلول زنده»

یادداشت ها

اظهارات استنلی میلر در سخنرانی او برای کلاس سمینار UCSD Origins of Life در 19 ژانویه 1999 (سخنرانی توسط نویسنده این مقاله شرکت و یادداشت شد).

استیون ای. بنر، «پارادوکس‌ها در منشأ حیات»، ریشه‌های زندگی و تکامل بیوسفرها 44 (2014)، 339-343.

بنر، «پارادوکس‌ها در منشأ زندگی».

رابرت شاپیرو، به نقل از ریچارد ون نوردن، "دنیای RNA ساده تر ایجاد می شود"، Nature News (13 مه 2009)، http://www.nature.com/news/2009/090513/full/news.2009.471.html ( مشاهده شده در 18 نوامبر 2020).

جیمز تور، «آیا پیشنهادهای حاضر در مورد مکانیسم‌های تکاملی شیمیایی دقیقاً به سمت حیات اول اشاره می‌کنند؟»، تکامل خداباورانه: نقد علمی، فلسفی و الهیاتی، ویرایش‌های. ویرایش شده توسط J.P. Moreland، Stephen C. Meyer، Christopher Shaw، Ann K. Gauger و Wayne Grudem (Wheaton, IL: Crossway, 2017)، 165-191.

مایکل پی رابرتسون و جرالد اف. جویس، "ریشه های جهان RNA"، چشم اندازهای هاربر سرد در زیست شناسی 4 (مه 2012)، a003608.

استفن سی. مایر، امضا در سلول: DNA و شواهد برای طراحی هوشمندانه (نیویورک: هارپروان، 2009)، 304 را ببینید.

هارولد اس برنهارت، "فرضیه جهان RNA: بدترین نظریه تکامل اولیه زندگی (به جز همه موارد دیگر)،" Biology Direct 7 (2012)، 23.

جک دبلیو. شوستاک، دیوید پی. بارتل و پی. لوئیجی لوئیسی، «ترکیب زندگی»، طبیعت، 409 (18 ژانویه 2001)، 387-390; تومونوری توتانی، "ظهور حیات در جهان تورمی"، گزارش های علمی 10 (2020)، 1671.

رابرت شاپیرو، «تکثیرگر در منشأ حیات دخیل نبود»، IUBMB Life 49 (2000)، 173-176.

رابرت شاپیرو، «منشا ساده‌تر برای زندگی»، ساینتیفیک امریکن (ژوئن 2007)، 46-53.

توتانی، «ظهور حیات در جهان تورمی».

بنر، «پارادوکس‌ها در منشأ زندگی».

🔴مقالات پیش رو، مجموعه‌ مقالاتی از والتر بردلی (Walter Bradley) و کیسی لاسکین (Casey Luskin) است که سعی دارد توضیحی ارائه ‌دهد برای این پرسش حیاتی که «آیا زندگی در ابتدا توسط عوامل کاملاً طبیعی به وجود آمده است؟».

این ششمین مقاله از این مجموعه بود، که گزیده ای اصلاح شده از کتاب اخیرا منتشرشده‌ی " راهنمای جامع علم و ایمان: کاوش در سؤالات نهایی درباره زندگی و کیهان" (The Comprehensive Guide to Science and Faith: Exploring the Ultimate Questions About Life and the Cosmos) می باشد.

🌍برای مشاهده ی سایر قسمت ها، اینجا را کلیک نمایید.🌏

(کیسی لاسکین)