چگونه کدهای زندگی از ساختارهایی اولیه به نسل کنونی انتقال یافته‌اند

در حالی که برخی از دانشمندان به پدید آوردن شرایطی که باعث ظهور زندگی شده می‌پردازند عده‌ای دیگر به فرآیندی که باعث تکامل سلول‌های ساده به پیچیده‌تر شده علاقه‌مند هستند. یکی از آرزوهای بزرگ دانشمندان ایجاد سلول‌های مصنوعی است که بتوانند روش کار سلول‌های طبیعی را تقلید کنند تا به وسیله‌ی آن‌ها فرآیند این تکامل در شرایط آزمایشگاهی و در برابر دیدگان دانشمندان تکرار شود. ما تنها یک مورد شناخته شده از زندگی را تا کنون داشته‌ایم؛ در سیاره‌ی خودمان زمین، اما وجود حیات میکروبی در بسیاری از مناطق دیگر در منظومه‌ی شمسی و فراتر از آن امکان‌پذیر است، از جمله در مریخ، ماه یخ زده‌‌ی مشتری، اروپا و انسلادوس ماه زحل که آب فشان‌هایش حلقه‌های زیبای این سیاره را پدید آورده است.

ماه آب فشان زحل، انسلادوس

یکی از تحقیقات اخیر شامل پیش سلول‌ها می‌شود، پیش سلول‌ها شکلی اولیه از سلول‌های پیچیده‌ای است که امروز در سراسر کره‌ی زمین پراکنده شده است، پیش سلول‌ها هسته و اکثر عناصر سلول‌هاییوکاریوتی رایج در سلول‌های مدرن را ندارند اما در آن‌ها لیپیدها مانند ملکول‌های ویتامین و چربی وجود دارند. در زیست شناسی یکی از وظایف لیپیدها کمک به شکل‌گیری غشا سلولی برای حفظ محتویات سلول است. تولید یک سلول مصنوعی کاری بسیار پیچیده خواهد بود. مشخص کردن اینکه چگونه وراثت کار می‌کند و چگونه صفات پیش سلول پدر و مادر به نسل بعدی منتقل می‌شود یکی از بزرگترین مشکلات بر سر راه تولد چنین سلولی است. سال گذشته پژوهشی مبنی بر ساخت رشته اطلاعاتی از پلیمر که به سلول‌ها دستورالعمل تقسیم و سوخت و ساز را انتقال بدهد منتشر شد.

مشکلات تکراری

طبیعت بسیار خلاق است و برای حل مشکلات پیش روی خود از روش‌هایی استفاده می‌کند که هیچ مهندسی تصور آن را نمی‌تواند بکند. به عنوان مثال در انتقال اطلاعات از DNA به سلول‌های فرزند پیش از این تصور می‌شد که اطلاعات در راهی یک‌طرفه از DNA به RNA و سپس از آنجا به غشاء پروتئینی و سلول‌های بعدی منتقل می‌شود اما اخیراً مشخص شده که گاهی اوقات RNA هم می‌تواند اطلاعات را به DNA بفرستد و حتی DNA می‌تواند اطلاعات را از پروتئین استخراج کند و به این ترتیب در دستورالعمل‌های ژنتیکی تغییراتی ایجاد شود. اما پیچیدگی ارث‌بری تنها قسمتی از مشکلات پیش رو است و پس از آن دو مشکل بزرگتر پیش روی محققان خواهد بود. پلیمرهای اطلاعاتی مولکول‌هایی هستند که در آب از هم می‌پاشند و آب بخشی اساسی در هر موجود زنده است، چگونه این رشته‌های اطلاعاتی باید در آب حفظ شوند؟ مشکل دیگر این که سلول‌ها در کنار آنزیم‌ها (پروتئین‌هایی که زیر بنای فرآیندهای پیچیده را تشکیل می‌دهند) کپی‌هایی را از خود می‌سازند اما پیش سلول‌ها نمی‌توانند آنزیمی تولید کنند، پس آن‌ها چگونه تکثیر شده و تکامل یافته‌اند! محققان احتمال می‌دهند فرآیندی به نام بستن (Ligation) در پیش سلول‌ها صورت می‌گیرد که به وسیله‌ی آن رشته ملکول‌های کوتاه به بلندترها متصل می‌شوند و در کنار آن با مولکول بلندتر تطبیق نیز پیدا می‌کنند. بستن فرآیندی است که می‌تواند بدون حضور آنزیم اتفاق بیفتد، به این ترتیب با وجود دو مولکول آلی و یک فرآیند پیوند شیمیایی سلول پیچیده‌تری ایجاد می‌شود.

محیط زیست مولکولی

پیش سلول‌ها در هر محیطی می‌توانند تکثیر شوند، در زمین و شاید در مریخ

شبیه سازی کامپیوتری تکثیر این رشته‌ها برای محققان شگفت‌آور بود زیرا همانگونه که انتظار می‌رفت عمل تکرار و تکثیر رشته‌های اطلاعاتی انجام شد، اما جالب‌تر این که رشته‌های کوتاه‌تر و بلندتر در الگوهایی کاملاً منظم این عمل را تکرار می‌کردند. از آن جایی که محققان الگویی به این شبیه سازی نداده بودند پس ملکول‌ها خودشان الگوی خود را از طریق تعامل با یکدیگر خلق کرده‌اند؛ رشته‌ها شبکه‌ای از ملکول‌ها را تشکیل داده‌اند که در آن هر مولکول به مولکول‌های دیگر به وسیله‌ی واکنش‌های شیمیایی کمک می‌کند. به این ترتیب فرم اولیه‌ای از متابولیسم ایجاد می‌شود که می‌تواند فرآیند‌های شیمیایی لازم برای شکل‌گیری حیات را ایجاد کند.

با‌گذشت زمان شبیه سازی نشان داد که اطلاعات به نسبت مساوی در رشته‌های کوتاه و بلند تکثیر می‌شوند، برای اینکه دانشمندان از نتیجه‌ی تحقیقات خود اطمینان حاصل کنند تا ۵۰۰۰ شبیه سازی را روی سیستم‌های کاملاً متفاوت انجام دادند اما در تمامی آن‌ها نتیجه یکی بود. این شبیه سازی‌ها به محیط وابسته نبودند و این یعنی رشته‌های بنیادی در هر محیطی، چه اسیدی یا قلیایی و یا چشمه‌های آب گرم یا حتی محیط‌های فرازمینی می‌تواند به همین صورت تکثیر شوند.

آیا به زودی ماشین‌های هوشمند مریخ را برای ورود انسان آماده خواهند کرد

در پژوهش‌های بعدی دانشمندان بر عناصر حیاتی پیچیده‌تر مانند RNA تمرکز خواهند کرد. این تحقیقات نه تنها به روشن شدن منشاء حیات کمک می‌کند بلکه می‌تواند منجر به ساخته شدن سیستم‌های هوشمندی شود که قابلیت‌های فوق‌العاده‌ای مانند خود تعمیری و یا تکامل را داشته باشند. این ماشین‌های شبه بیولوژیکی می‌توانند روبات‌هایی کاوش‌گر در ماه و مریخ باشند که بدون نیاز به ارسال لوازم یدکی و کمک از زمین خود را بازسازی کرده و کاوش‌های فضایی را ارزان‌تر و محیط سیارات دیگر را برای ورود انسان آماده کنند.