في فجر الحياة، هل سبق الأيضُ كل شيء؟

يقترح بعض العلماء أن الكيمياء الجيولوجية مهدت الطريق للكيمياء الحيوية في بدايات الحياة، من دون الحاجة إلى وجود مادة وراثية. ولم يظهر الحمض النووي الريبي RNA والحمض النووي DNA إلا في مرحلة لاحقة.

قبل أربعة مليارات عام، كان كوكبنا مجرد ماء وصخور قاحلة. ومن هذا العالم البسيط بدأت كيمياء شديدة التعقيد تتشكل، ربما في بركة مائية أو عند فتحة حرارية عميقة في قاع المحيط. ومع مرور الوقت، ربما أصبحت تلك التفاعلات الكيميائية محاطة بأغشية، وظهرت خلية بدائية، ثم خرجت الحياة من ذلك المزيج البدائي.

لكن كيف حدث ذلك؟ من بين الألغاز الكثيرة المتعلقة بأصل الحياة، هناك مشكلة تشبه معضلة الدجاجة والبيضة. فالبروتينات التي تُعرف باسم الإنزيمات، والتي تبدأ التفاعلات الكيميائية داخل الخلايا وتسرّعها، تُصنع وفق تعليمات موجودة في المادة الوراثية، أي DNA أو RNA. لكن هذه الجزيئات نفسها لم تكن موجودة في البداية، لأن تصنيعها يتطلب وجود الإنزيمات.

فما الذي بدأ العملية إذن؟

إحدى الأفكار التي طرحها العلماء منذ فترة طويلة تقول إن المادة الوراثية ظهرت أولًا، على هيئة جزيء يسمى RNA، وهو قريب كيميائيًا من DNA. وتكمن روعة RNA في تعدد وظائفه، إذ يستطيع تحفيز التفاعلات الكيميائية وتخزين المعلومات الوراثية في الوقت نفسه. وربما تجمعت الجزيئات في بركة على سطح الأرض نتيجة التبخر، ثم ارتبطت ببعضها لتكوين أولى سلاسل RNA.

لكن العلماء لم يتمكنوا حتى الآن من إنتاج جزيئات RNA في تجارب تحاكي الخلطات البسيطة من المواد الكيميائية التي يُعتقد أنها كانت موجودة على الأرض في بداياتها. ويقول ألبرت فارنباخ، وهو كيميائي عضوي في جامعة نيو ساوث ويلز في سيدني: «ظهرت بالفعل تقارير تشرح كيفية القيام بذلك، لكنها تبدو دائمًا مصطنعة بعض الشيء»، مع أنه يضيف أن أنصار هذه الفكرة يرون أن هذه الصعوبة أمر متوقع في مثل هذه العملية.

ويرى روبرت باسكال، وهو كيميائي يدرس أصل الحياة وظهورها في جامعة إيكس مرسيليا في فرنسا، أنه من الصعب تصور أن نظامًا من سلاسل RNA القادرة على نسخ نفسها كان يمكن أن ينتظم تلقائيًا. ويقول: «أعتقد أنه في الحقيقة لا أحد يؤمن الآن بأنه كان من الممكن حدوث ذلك».

وهناك احتمال آخر، وهو أن الكيمياء الحيوية جاءت أولًا، وأنها تطورت من الكيمياء الجيولوجية خارج الخلايا. ففي البداية، كانت التفاعلات الكيميائية ستستمر من دون إنزيمات وبسرعة بطيئة جدًا. وكانت التفاعلات تتقدم تدريجيًا لأنها مفضلة من الناحية الديناميكية الحرارية، وربما ساعدت الحرارة أو المعادن على تسريعها. وبعد ذلك، ظهرت إنزيمات بدائية عملت على تسريع تلك الكيمياء الأولية التي شكلت أساس الحياة.

وعلى مدى الأزمنة الجيولوجية، أصبحت الكيمياء الجيولوجية أسرع وأكثر تعقيدًا، مع إضافة تفاعلات جديدة إلى الشبكة الموجودة. وفي مرحلة ما، ظهرت أغشية الخلايا ونظام للوراثة على هيئة RNA أو DNA. وهكذا تحولت الكيمياء الجيولوجية تدريجيًا إلى كيمياء حيوية.

ولم تكن هذه الفرضية الثانية تمتلك أدلة تجريبية أساسية حتى وقت قريب نسبيًا. لكن خلال السنوات القليلة الماضية، تمكن الباحثون من اختبار أعداد هائلة من التركيبات الكيميائية والظروف المختلفة في المختبر، وحددوا طرقًا لتكرار تفاعلات أيضية أساسية تحدث داخل الخلايا، وكل ذلك من دون استخدام الإنزيمات.

وتقول سوزان لانغ، وهي عالمة جيوكيمياء في مؤسسة وودز هول لعلوم المحيطات في ماساتشوستس: «إن فكرة أن الكيمياء الجيولوجية سبقت الكيمياء الحيوية فكرة قوية جدًا». وتضيف: «وأعتقد أن العلماء قدموا قدرًا كبيرًا من الأدلة لدعمها».

أصول غير عضوية

في وقت يعود إلى عام 1910، خلص عالم الأحياء الروسي كونستانتين سيرجييفيتش ميريشكوفسكي إلى أن الخلايا الأولى لا بد أنها كانت تنتج الجزيئات العضوية، أي المواد التي تتكون منها الحياة، من مواد غير عضوية. وبشكل أكثر تحديدًا، كان عليها استخدام الهيدروجين H2 وثاني أكسيد الكربون CO2 لإنتاج جزيئات عضوية مثل الأحماض الدهنية والسكريات والأحماض الأمينية.

وقبل نحو 20 عامًا، اقترح عالم الأحياء الدقيقة التطوري بيل مارتن من جامعة دوسلدورف في ألمانيا، وعالم الجيوكيمياء مايك راسل من مختبر الدفع النفاث التابع لوكالة ناسا في كاليفورنيا، أن الحياة بدأت في موقع مناسب لحدوث هذه التفاعلات الأساسية، وهو الفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار.

داخل هذه الفتحات، يتفاعل الحديد الموجود في الصخور مع الماء لإنتاج الهيدروجين. ويمكن للهيدروجين بدوره أن يتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون لإنتاج جزيئات عضوية بسيطة تشكل جزءًا أساسيًا من كيمياء الخلايا الحيوية، مثل الفورمات الذي يحتوي على ذرة كربون واحدة، والأسيتات الذي يحتوي على ذرتي كربون، والبيروفات الذي يحتوي على ثلاث ذرات كربون.

وانطلاقًا من هذه الفكرة، أكدت لانغ وفريقها عام 2010، أثناء عملهم في منطقة لوست سيتي، وهي حقل من الفتحات الحرارية المائية يقع في وسط المحيط الأطلسي، أن الجزيئات العضوية الصغيرة تتكون بالفعل داخل هذه الفتحات، بصورة مستقلة تمامًا عن نشاط الكائنات الدقيقة التي تعيش في هذه البيئات القاسية.

مسار ميكروبي

لاحظ العلماء أيضًا أن خطوات هذه التفاعلات الجيوكيميائية داخل الفتحات الحرارية المائية مطابقة للطريقة التي تستخدمها الخلايا الميكروبية التي تعيش بالقرب من هذه الفتحات لإنتاج الجزيئات العضوية من ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين. وقد انسجم ذلك بشكل كبير مع الفكرة القائلة إن المسارات الكيميائية الحيوية بدأت أصلًا كتفاعلات جيوكيميائية، ثم تطورت الإنزيمات في مرحلة لاحقة.

وقد أظهر مارتن وزملاؤه أن هذه المجموعة المحددة من التفاعلات، والمعروفة باسم مسار أسيتيل مرافق الإنزيم A، أو مسار Acetyl CoA، قديمة جدًا. فهذا المسار موجود لدى مجموعتين أساسيتين من أشكال الحياة، هما البكتيريا والعتائق، ولذلك فإنه يعود في جذوره إلى السلف المشترك الأخير لجميع أشكال الحياة على الأرض.

لكن الخلايا الميكروبية الحالية تحتاج إلى 127 إنزيمًا كاملًا لإنتاج جزيء البيروفات الذي يحتوي على ثلاث ذرات كربون. فهل يستطيع العلماء إعادة إنتاج هذا المسار في المختبر من دون إنزيمات، كما كان من المفترض أن يحدث في فجر الحياة؟ أظهر مارتن، وطالبته آنذاك مارتينا برينر، والكيميائي جوزيف موران، الموجود حاليًا في جامعة أوتاوا في كندا، وزملاؤهم أن ذلك ممكن بالفعل.

في إحدى الدراسات المنشورة عام 2020، أجرت برينر اختبارات داخل سلسلة من المفاعلات الكيميائية القادرة على الحفاظ على درجات حرارة مرتفعة. وضعت في هذه الحاويات ثاني أكسيد الكربون، إلى جانب أوعية تحتوي على الماء والحديد أو النيكل بنسب مختلفة، ثم تركتها تتفاعل طوال الليل.

وجاء الاختراق العلمي الذي حققته برينر عندما أدركت أن عليها تشغيل المفاعلات باستخدام معدن واحد في كل مرة، مع التحكم في مستويات الهيدروجين الموجودة فيها. وبعد ضبط هذه الظروف، بدأت المفاعلات تنتج بصورة موثوقة الفورمات والأسيتات والبيروفات والميثانول والميثان، وهي جميعًا مواد تنتجها البكتيريا.

ويقول مارتن: «هذه المعادن تحل محل 127 إنزيمًا، وتعطينا خمسة منتجات هي بالضبط منتجات المسار البيولوجي».

ويشير العلماء إلى أن الحديد والنيكل موجودان كلاهما في الفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار، حيث كان بإمكانهما المساعدة في توجيه التفاعلات التي سبقت ظهور الحياة.

والأكثر إثارة للاهتمام أن هذين المعدنين لا يزالان موجودين في أجزاء من الإنزيمات الحديثة التي تحفز مسار أسيتيل مرافق الإنزيم A داخل الخلايا. ويقول مارتن: «المعادن كانت موجودة أولًا، ثم أدمجت الإنزيمات هذه المعادن، لكن المعادن بقيت هي المحفزات الأساسية».

وكانت المعادن وفيرة على الكوكب البدائي. ويقول ماركوس رالسر، وهو باحث في أيض الخلايا في مستشفى شاريتيه الجامعي في برلين: «كان الحديد موجودًا في كل مكان تقريبًا». ويضيف: «لا يمكنك تجنب كيمياء الحديد، ولهذا نجدها في كل مكان ضمن الكيمياء التي تعمل داخل خلايانا».

التقدم من دون إنزيمات

إن البيروفات الذي أنتجته برينر ومارتن وموران في تجاربهم ضروري لجزء مهم آخر من أيض الخلايا، وهو إنتاج الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات. فالخلايا الحية تحتاج إلى الأحماض الأمينية لربطها معًا وتكوين البروتينات، كما تحتاج إلى النيوكليوتيدات لصنع DNA وRNA.

ويُعرف خط التجميع الأساسي الذي ينتج هذه المواد باسم دورة TCA العكسية، ويُعد البيروفات أحد المدخلات الأساسية في هذه الدورة.

وكان موران يعمل منذ الجزء الأكبر من عقد من الزمن على إعادة إنتاج دورة TCA العكسية خارج الخلايا. وعندما بدأ هذا العمل، كان الباحثون في مجال أصل الحياة يمتلكون العديد من الأفكار الرائعة، لكن القليل منهم كان ينجح في تحويل تلك الأفكار إلى تجارب عملية. وكان موران يريد توظيف خبرته في التحفيز الكيميائي للإجابة عن أسئلة أساسية في هذا المجال.

وكان التحدي الرئيسي، من وجهة نظر موران، يتمثل في أن تفاعلات دورة TCA العكسية ممكنة من الناحية النظرية، بمعنى أن الخصائص الكيميائية ستدفعها في النهاية إلى الأمام، تمامًا كما تجعل الجاذبية السير في اتجاه منحدر أمرًا أسهل، لكن بعض هذه التفاعلات تحتاج إلى دفعة كبيرة لكي تبدأ. فهي تمتلك ما يسمى «حاجز التنشيط» المرتفع، مثل تل صغير يجب تسلقه قبل أن يبدأ السير في المنحدر. فهل يمكن تجاوز هذه الحواجز من دون إنزيمات؟ وتحت أي ظروف يمكن أن يحدث ذلك؟

ويقول موران: «كانت طريقتي في التعامل مع المشكلة نابعة من عالم تطوير المحفزات الكيميائية وفحصها، أي أن نقول: دعونا لا نفكر في الأمر أكثر من اللازم، بل نصمم بعض التجارب التي يمكن تشغيلها، بحيث نستطيع إجراء عدد هائل من التجارب بالتوازي، ثم نبحث عنها تجريبيًا بطريقة فعالة للغاية».

وبدءًا من عام 2015، درس موران وفريقه، وكان موران آنذاك في جامعة ستراسبورغ في فرنسا ولا يزال يعمل هناك جزئيًا، كل واحد من التفاعلات الأساسية الأحد عشر في دورة TCA العكسية. واختبروا كل معدن وكل محفز غير عضوي تمكنوا من الحصول عليه، وتحت كل الظروف التي استطاعوا تصورها، بما في ذلك درجات حرارة وقيم مختلفة لدرجة الحموضة، وفي وجود معادن ومعادن خام مختلفة.

كانت بعض أنابيب الاختبار مخصصة لمحاولة إتمام الخطوة الأولى، وهي تحويل البيروفات إلى أوكسالوأسيتات. بينما كان أنبوب آخر يهدف إلى تنفيذ التفاعل التالي، أي تحويل الأوكسالوأسيتات إلى مالات، وهكذا. وإلى جانب التفاعلات الأساسية في دورة TCA العكسية، بدأ العلماء في الآونة الأخيرة بدراسة التفاعلات التي تتفرع من هذه الدورة لإنتاج النيوكليوتيدات والأحماض الأمينية وفوسفات السكريات.

واستخدم الفريق آلية آلية لتشغيل العينات على مدار 24 ساعة يوميًا، يومًا بعد يوم. ويقول موران: «واصلنا تنفيذ التجارب بلا توقف لمدة ثلاث سنوات».

وفي عام 2019، أعلن فريق موران أنه تمكن من إنتاج تسعة من أصل 11 ناتجًا أيضيًا في دورة TCA العكسية من دون إنزيمات. كما حددوا ظروفًا يمكن فيها لستة من التفاعلات الأحد عشر أن تعمل معًا داخل أنبوب الاختبار نفسه. ويقول موران: «بدا أن الغالبية العظمى من التفاعلات والأيض سهلة بما يكفي لكي تحدث فعلًا من دون إنزيمات». لكنه يضيف: «في الوقت نفسه، علينا أن نكون واقعيين ونقول إننا لم نحدد بعد أي ظروف تسمح بظهور عملية أيض كاملة، فنحن نجد ظروفًا تسمح بحدوث مقاطع صغيرة منها هنا، وتفاعلات محددة هناك».

ومع ذلك، يظل موران متفائلًا بشأن إمكانية إعادة إنشاء عملية أيض غير إنزيمية. ويقول إن الأمر سيتطلب قدرًا من الإبداع لتحديد الظروف التي يمكن فيها لبعض التفاعلات الأكثر تعقيدًا، مثل تحويل البيروفات إلى أوكسالوأسيتات، أن تحدث.

وتقول برينر، التي تقود الآن مجموعة بحثية في معهد ماكس بلانك لعلم الأحياء الدقيقة الأرضية في ماربورغ بألمانيا: «ما فعله جوزيف خلال العقد الماضي كان أمرًا رائعًا حقًا. لقد كان ذلك أحد أهم الأشياء التي قام بها أي شخص خلال السنوات الخمسين الماضية في مجال أصل الحياة، أي النظر بجدية في كيفية عمل بعض التفاعلات من دون إنزيمات».

أجزاء صغيرة لكنها بالغة الأهمية

مع استمرارهم في دراسة بداية كيمياء الحياة، اتجهت برينر وموران أيضًا إلى مواد كيميائية صغيرة تسمى العوامل المساعدة أو المرافقات الإنزيمية، وهي مواد تساعد الإنزيمات على تنفيذ تفاعلاتها.

وتؤدي هذه العوامل المساعدة أدوارًا بالغة الأهمية. فهناك عامل يسمى NAD+ ينقل الإلكترونات بين الجزيئات، وهي مهمة أساسية أثناء التفاعلات، بينما يقوم عامل آخر يسمى SAM بأخذ مجموعات الميثيل وإعطائها للمواد الكيميائية العضوية التي تخضع للمعالجة. وتقول برينر: «إنها تؤدي مهام بسيطة نسبيًا، لكنها مهام مركزية ومهمة جدًا في عملية الأيض». وتضيف أنه من الصعب تصور أن هذه الجزيئات، أو جزيئًا كيميائيًا شبيهًا بها، لم يكن له دور في المراحل المبكرة من ظهور الحياة.

«لقد كان ذلك أحد أهم الأشياء التي قام بها أي شخص خلال السنوات الخمسين الماضية في مجال أصل الحياة، أي النظر بجدية في كيفية عمل بعض التفاعلات من دون إنزيمات».

مارتينا برينر

ويريد العلماء معرفة الدور الذي يمكن أن تكون هذه العوامل المساعدة قد أدته في فجر الحياة، وكيف اندمجت أولًا في الكيمياء الجيولوجية، ثم في الكيمياء الحيوية.

ويكتشف العلماء أن العوامل المساعدة الموجودة اليوم يمكن أن تمتلك نشاطًا تحفيزيًا شبيهًا بالنشاط الذي تؤديه الإنزيمات. بل إن بعضها يستطيع حتى تحفيز إنتاج نفسه. ولذلك، يقول موران، من المنطقي أن تكون هذه العوامل المساعدة قد لعبت دورًا حاسمًا في تسريع التفاعلات الأيضية. وربما ساعدت على تسريع بعض المسارات الكيميائية أكثر من غيرها، وهو ما أسهم في تشكيل شبكة التفاعلات الكيميائية الحيوية.

ويعتقد العلماء أيضًا أن بعض هذه العوامل المساعدة لعبت دورًا في خطوة محورية من خطوات تطور الخلايا، وهي ظهور الجينات. ويشيرون إلى أن أحد هذه العوامل، وهو NADH، يتكون من نيوكليوتيدين، وهما الوحدتان البنائيتان اللتان يتكون منهما RNA وDNA.

وتقول برينر: «كما أتصور الأمر الآن، ربما كانت هذه الجزيئات تُنتج بكميات أكبر من اللازم على الأرض البدائية، ولذلك اكتسبت مهام مختلفة، فدخلت أجزاء منها في RNA، بينما دخلت أجزاء أخرى في عملية الأيض».

ويعرف الباحثون بالطبع أنهم لن يستطيعوا أبدًا معرفة الطريقة الدقيقة التي ظهرت بها الحياة. فهم أشبه بعلماء الآثار أو علماء الحفريات الذين يحاولون إعادة بناء الماضي السحيق من بقايا قليلة ومتهالكة. بل إن باسكال يشير إلى أنه لم يكن هناك شيء محتوم أو محدد مسبقًا في عملية الأيض التي استمرت في النهاية وانتشرت بين العديد من الأنظمة الكيميائية الأخرى القادرة على تحفيز نفسها. ويقول: «هذه النتيجة ليست الاحتمال الوحيد الممكن. لدينا احتمالات أخرى كثيرة».

ومع ذلك، أظهر العلماء أنه من الممكن إنشاء عملية أيض غير إنزيمية تشبه بصورة لافتة عملية الأيض الموجودة لدى الكائنات الدقيقة التي تعيش في الفتحات الحرارية المائية، وهو ما يقدم دليلًا ملموسًا وأساسيًا على فكرة نظرية عمرها قرن كامل حول أصل الحياة. وكما تربطنا الحفريات الموجودة في الصخور القديمة أو القطع الأثرية في مواقع الدفن القديمة بالماضي السحيق، فإن التفاعلات الكيميائية الحيوية داخل الخلايا الحية تربطنا بزمن يعود إلى ما قبل ظهور أبسط أشكال الحياة على كوكبنا بوقت طويل.

المصدر