جست‌وجوی پاسخ برای راز چند میلیارد ساله زندگی روی زمین

به گزارش ایسنا، منشا حیات روی زمین رازی است که دانشمندان مدت‌ها سعی داشته‌اند به آن پی ببرند. پرسش کلیدی آنها، یک بخش گمشده از تاریخ حیات روی زمین است.

به نقل از ساینمگ، این کاملا متداول است که یک گونه به واسطه یک واکنش بیوشیمیایی تقریبا متوقف شود و اگر این اتفاق در تعداد کافی از گونه‌ها رخ دهد، حیات روی زمین احتمالا چنین واکنش‌هایی را به طور موثر فراموش می‌کند اما اگر تاریخ بیوشیمی مملو از واکنش‌های فراموش‌شده باشد، آیا راهی برای گفتن آن وجود دارد؟

این پرسش، الهام‌بخش پژوهشگران «موسسه علوم زمین-حیات»(ELSI) در «موسسه فناوری توکیو»(Tokyo Tech) و «موسسه فناوری کالیفرنیا»(CalTech) شد. استدلال آنها این است که شیمی فراموش‌شده در مسیری که شیمی از مولکول‌های ساده ژئوشیمیایی به مولکول‌های پیچیده بیولوژیکی طی می‌کند، به صورت ناپیوستگی یا شکست ظاهر می‌شود.

زمین اولیه سرشار از ترکیبات ساده‌ای مانند سولفید هیدروژن، آمونیاک و دی‌اکسید کربن بود؛ یعنی مولکول‌هایی که معمولا با حفظ حیات مرتبط نیستند اما میلیاردها سال پیش، زندگی اولیه بر این مولکول‌های ساده به عنوان منبع مواد خام متکی بود.

با تکامل زندگی، فرآیندهای بیوشیمیایی به تدریج این پیش‌سازها را به ترکیباتی تبدیل کردند که هنوز هم یافت می‌شوند. این فرآیندها نشان‌دهنده اولین مسیرهای متابولیک هستند.

به منظور مدل‌سازی تاریخ بیوشیمی، «هریسون اسمیت»(Harrison Smith)، «لیام لونگو»(Liam Longo) و «شاون ارین مک‌گلین»(Shawn Erin McGlynn) از موسسه علوم زمین-حیات با همکاری «جاشوا گلدفورد»(Joshua Goldford) از موسسه فناوری کالیفرنیا به ابداع همه واکنش‌های بیوشیمیایی شناخته‌شده نیاز داشتند تا درک کنند که چه نوع حیات شیمیایی قادر به انجام دادن واکنش‌هاست.

آنها به «دانشنامه ژن و ژنوم کیوتو»(KEGG) مراجعه کردند که بیش از 12 هزار واکنش بیوشیمیایی را فهرست‌بندی کرده است. آنها با در دست داشتن واکنش‌ها، مدل‌سازی توسعه تدریجی متابولیسم را آغاز کردند.

تلاش‌های پیشین برای مدلسازی تکامل متابولیسم به این روش، به طور مداوم در تولید گسترده‌ترین و پیچیده‌ترین مولکول‌های مورد استفاده در زندگی معاصر شکست خورده بود. با وجود این، دلیل شکست آن کاملا مشخص نبود. زمانی که پژوهشگران به اجرای مدل خود پرداختند، درست مانند قبل متوجه شدند که تنها چند ترکیب را می‌توان تولید کرد.

یکی از راه‌های حل کردن مشکل این است که با ارائه دستی ترکیبات جدید، شیمی متوقف‌شده تحت فشار قرار بگیرد. پژوهشگران یک روش متفاوت را انتخاب کردند. آنها می‌خواستند تعیین کنند که چه تعداد واکنش از دست رفته است. این کار، آنها را به سوی یکی از مهم‌ترین مولکول‌ها در کل بیوشیمی هدایت کرد که «آدنوزین تری‌فسفات»(Adenosine triphosphate) نام دارد.

آدنوزین تری‌فسفات جریان انرژی سلول است زیرا می‌توان از آن برای هدایت واکنش‌هایی مانند ساخت پروتئین‌ها استفاده کرد که در غیر این صورت در آب رخ نمی‌دهند. این مولکول یک ویژگی منحصربه‌فرد دارد. واکنش‌هایی که خود آدنوزین تری‌فسفات را تشکیل می‌دهند، به آن نیاز دارند. به عبارت دیگر، باید آدنوزین تری‌فسفات از قبل وجود داشته باشد. در غیر این صورت، هیچ راه دیگری در زندگی امروزی برای ساخت آدنوزین تری‌فسفات وجود ندارد. این وابستگی چرخه‌ای، دلیل توقف مدل‌سازی‌های پیشین بود.

چگونه می‌توان مشکل آدنوزین تری‌فسفات را حل کرد؟ همان طور که به نظر می‌رسد، بخش واکنش‌پذیر آدنوزین تری‌فسفات به طور قابل توجهی شبیه به ترکیب معدنی پلی‌فسفات است.

با فرصت دادن به واکنش‌های مولد آدنوزین تری‌فسفات برای استفاده از پلی‌فسفات به جای آدنوزین تری‌فسفات و در مجموع با اصلاح تنها هشت واکنش، تقریبا می‌توان به همه متابولیسم هسته جدید دست یافت. سپس، پژوهشگران می‌توانند سن نسبی همه متابولیت‌های رایج را تخمین بزنند و پاسخی را برای پرسش‌های خود درباره تاریخچه مسیرهای متابولیک بیابند.

یکی از پرسش‌ها این است که آیا مسیرهای بیولوژیکی به صورت خطی ساخته شده‌اند یا این که واکنش‌های هر مسیر به صورت موزاییکی ظاهر شده‌اند.

در ساختار خطی، واکنش‌ها یکی پس از دیگری به صورت متوالی اضافه می‌شوند و در ساختار موزاییکی، واکنش‌ها بسیار متفاوت به یکدیگر متصل می‌شوند تا یک چیز جدید را تشکیل دهند. پژوهشگران توانستند کمیت این موضوع را بررسی کنند و دریافتند که هر دو نوع مسیر تقریبا به یک اندازه در همه متابولیسم مشترک هستند.

اکنون به پرسشی بازمی‌گردیم که الهام‌بخش این پژوهش بود. چه مقدار بیوشیمی به مرور زمان از دست می‌رود؟ اسمیت گفت: ما هرگز نمی‌توانیم پاسخ دقیق رابدانیم اما بررسی‌های ما شواهد مهمی را نشان دادند. تنها هشت واکنش جدید که همگی واکنش‌های بیوشیمیایی رایج را یادآوری می‌کنند، برای پل زدن بین ژئوشیمی و بیوشیمی مورد نیاز هستند.

این ثابت نمی‌کند که فضای بیوشیمی گمشده کوچک است اما نشان می‌دهد حتی واکنش‌هایی را که منقرض شده‌اند، می‌توان از سرنخ‌های باقی‌مانده در بیوشیمی مدرن دوباره کشف کرد.

این پژوهش در مجله «Nature Ecology & Evolution» به چاپ رسید.