تاریخچه تکاملی حیات؛ نخستین سلول‌ها

نیلوفر ترکزاده: آیا می‌دانستید اولین پلیمرها بعد از تشکیل می‌توانستند به‌صورت خود‌به‌خودی جمع شده و به ساختارهای پیچیده‌تری تبدیل شوند؟! دانشمندان توانسته‌اند پروتوبیونت‌های (سلول‌های اولیه) مختلفی را بسازند که اجتماعی از پلیمرهای غیرزیستی بودند. آن‌ها پروتوبیونت‌هایی را به‌دست آورده‌اند که از چندین لحاظ شبیه به سلول‌های زنده هستند. محققان همچنین سرنخ‌هایی دراین‌باره که چگونه تجمع مولکول‌های غیرزنده به سلول‌های زنده تبدیل شدند، به‌دست آوردند.

این پروتوبیونت‌ها بسیاری از خواص عملکردی و ساختاری سلول‌های زنده را نشان می‌دهند. وقتی آن‌ها به اندازه کافی رشد کردند، به دو نیم تقسیم می‌شوند. پروتوبیونت‌ها شرایط محیط شیمیایی درونی خود را که با محیط خارجی تفاوت دارد، حفظ می‌کنند و برخی از آن‌ها مراحل آغازین فرایندهای متابولیسمی را نشان می‌دهند. آن‌ها با وجود داشتن ترکیبی نسبتاً ساده، سطح بالایی از سازمان‌یافتگی را به نمایش می‌گذارند. 

برای خواندن کتاب «ماهی درونی شما» کلیک کنید

میکروسفرها (microspheres) انواعی از پروتوبیونت‌ها هستند که با اضافه نمودن آب به پلی‌پپتیدهای تولیدشده در سامانه‌های غیرزنده ایجاد می شوند. بعضی از میکروسفرها تحریک‌پذیر هستند؛ آن‌ها یک ظرفیت الکتریکی در عرض سطوح خود ایجاد می‌کنند که یادآور شیب‌های الکتروشیمیایی در سلول است. همچنین میکروسفرها می‌توانند موادی را از محیط اطرافشان جذب کنند و در مقابل تغییرات فشار اسمزی، چنان پاسخ دهند که گویی غشایی دورشان را احاطه کرده است؛ هرچند که آن‌ها فاقد چربی هستند.

از مطالعه پروتوبیونت نتیجه گرفتیم که پیش‌سلول‌های نسبتاً ساده برخی از ویژگی‌های حیات امروزی را دارا هستند و این یک قدم بزرگ برای گذر از مرحله تجمع مولکولی ساده مانند پروتوبیونت‌ها به‌سوی سلول‌های زنده محسوب می‌شود. این مسئله که چگونه پیش‌سلول‌ها به سلول‌های زنده تکامل یافتند، هنوز حل نشده است. یکی از مهم‌ترین مراحل در تاریخ حیات، تکامل تولید مثل مولکولی بود. 

تولید مثل مولکولی یک مرحله بسیار مهم در پیدایش سلول‌ها

در سلول‌های زنده اطلاعات ژنتیکی در اسید نوکلئیک ذخیره می‌شود و به‌صورت RNA پیامرسان رونویسی‌شده که سپس به‌نوبه‌خود به‌شکل آمینواسیدهای مناسب در پروتئین ها ترجمه می‌شود. هر سه ماکرومولکول در ترتیب، پروتئین DNA》RNA》دارای اطلاعات دقیق می‌باشند، ولی فقط DNA و RNA قادر به خودهمانندسازی هستند، هرچند این امر در حضور آنزیم‌های مناسب صورت می‌گیرد. به این دلیل که هم RNA و هم DNA می‌توانند با روند مشابهی در خاک رس تشکیل شوند، این سؤال پیش می‌آید که کدام یک از این مولکول‌های RNA یا DNA در دنیای پیش‌ از حیات برای اولین بار ظاهر شدند.

بسیاری از دانشمندان پیشنهاد کرده‌اند که RNA اولین مولکول اطلاعاتی بوده که در پیشرفت به‌سمت سلول‌های خودکفا و خودتکثیر تکامل یافته و پروتئین‌ها و DNA، بعدها ایجاد شده‌اند. مطابق مدلی که دنیای RNA نامیده می‌شود، شرایط شیمیایی زمین پیش از حیات، RNA خودهمانندسازی را ایجاد کرد که هم به‌عنوان آنزیم و هم به‌عنوان سوبسترا برای همانندسازی خود عمل می‌کرد. یکی از خصوصیات RNA این است که اغلب دارای خواص کاتالیتیک می باشد. چنین RNAهای آنزیمی را ریبوزیم (Ribozyme) می‌نامند. قبل از تکامل سلول‌های حقیقی، احتمالاً ریبوزیم‌ها در خاک رسی، آبگیر‌های کم‌عمق صخره‌ای و یا منافذ آب گرم که شاید حیات از آن نشأت گرفته، همانندسازی خود را کاتالیز می‌کردند.

وجود دنیای RNA اولیه در تاریخ حیات هرگز قابل اثبات نیست، اما آزمایش‌های مربوط به تکامل آزمایشگاهی که تکامل هدفمند نیز نامیده می‌شوند، امکان‌پذیر بودن آن را نشان داده‌اند. آیا مولکول‌های RNA می‌توانستند واکنش‌های شیمیایی مختلف مورد نیاز برای حیات را کاتالیز کنند؟ بله. RNA می‌تواند واکنش‌های زیستی مهم و متنوعی را کاتالیز کند. بعضی از مولکول‌های تک رشته‌ای RNA بر روی خود پیچ و تاب می‌خورند. این امر حاصل واکنش متقابل بین نوکلئوتیدهای تشکیل‌دهنده رشته RNA است.

بعضی مواقع شکل مولکول RNA در این پیچ و تاب به‌ صورتی درمی‌آید که می‌تواند اتصالات ضعیفی با آمینواسیدها برقرار کند. اگر آمینواسیدها توسط مولکول RNA در مجاورت هم قرار گیرند، ممکن است به‌هم متصل شده و پلی‌پپتید را ایجاد کنند. ما چگونگی تکامل مولکول‌های اطلاعاتی به RNA و سپس پروتئین را مورد مطالعه قرار می‌دهیم. اگر RNA خودهمانندساز، که قادر به رمز کردن پروتئین‌هاست، قبل از DNA به‌وجود آمده باشد، پس چگونه DNA که مولکول رایج وراثتی در سلول‌هاست، به وجود آمد؟

 شاید RNA کپی‌هایی دو رشته‌ای از خود ساخته که سرانجام به DNA تکامل یافته باشند. اضافه شدن DNA به سامانه انتقال اطلاعات، سودمند بود؛ چون مارپیچ دو رشته‌ای DNA بسیار پایدارتر از RNA تک‌رشته‌ای است. این پایداری در مولکولی که اطلاعات ژنتیکی را ذخیره می‌کند، یک مزیت مهم در دنیای پیش از حیات بود. بعد DNA تبدیل به مولکول ذخیره‌کننده اطلاعات شد و RNA به ساخت پروتئین ادامه داد و آنزیم‌های پروتئینی بسیاری از واکنش‌های سلولی شامل همانندسازی DNA، ساخت RNA و ساخت پروتئین را کاتالیز می‌کردند.  

RNA هنوز یک جزء ضروری در سامانه انتقال اطلاعات محسوب می‌شود، چون DNA قدرت کاتالیزکنندگی ندارد. بدین‌ترتیب انتخاب طبیعی در سطح مولکولی، توالی اطلاعات را به‌صورت پروتئین DNA》RNA》برگزید. وقتی DNA به این توالی ملحق شد، مولکول‌های RNA نقش فعلی خود را به‌عنوان یک واسطه در انتقال اطلاعاتی ژنتیکی پذیرفتند. قبل از تکامل سلول های زنده حقیقی از تجمعات ماکرومولکول‌ها لازم بود که چندین مرحله اضافی دیگر نیز اتفاق بیافتد. 

تکامل زیستی با سلول‌های اولیه آغاز شد

به نظر شما سلول های اولیه نخستین بار چه زمانی بر روی زمین ظاهر شدند؟ شواهد غیر سنگواره‌ای وجود حیات را در ۳.۸ میلیارد سال پیش نشان می‌دهند. ریزسنگواره‌ها که بقایای قدیمی زندگی میکروسکوپی هستند، نشان می‌دهند که سلول‌ها در حدود ۳.۵ میلیارد سال قبل به‌وجود آمدند، اگرچه تفسیر اولیه در مورد ریزسنگواره بودن ترکیبات غنی از کربن موجود در سنگ‌های قدیمی اخیراً با تردید مواجه شده است. قدیمی‌ترین سلول‌های سنگواره‌ای که مورد قبول قرار گرفته، حدود ۲ میلیارد سال قدمت دارند. اولین سلول‌ها پروکاریوت بودند. استروماتولیت‌ها نوع دیگری از شواهد سنگواره‌ای از اولین سلول‌ها هستند که به‌صورت ستون‌های صخره‌ مانند مرکب از لایه‌های بسیار ریز سلول‌های پروکاریوتی می‌باشند.

بر اثر گذشت زمان رسوبات در اطراف این سلول‌ها جمع شده و مملو از مواد معدنی می‌شدند. در این موقع یک لایه جدید از سلول‌های زنده بر روی لایه قدیمی‌تر حاوی سلول‌های مرده رشد می‌کرد. ریف‌های حاصل از سنگواره‌های استروماتولیت در مناطق جهان‌ شناسایی شده‌اند. برخی از سنگواره‌های استروماتولیت‌ها بسیار قدیمی هستند. ریف‌های استروماتولیت در چشمه‌های آب داغ و آبگیرهای گرم و کم‌عمق با آب‌های شور و شیرین هنوز زنده هستند. 

سلول‌های اولیه احتمالا هتروتروف بودند

به جاندارانی که قادر به ساخت ترکیبات آلی از ترکیبات معدنی نیستند، جانداران هتروتروف می‌گویند. ابتدایی‌ترین سلول‌ها، احتمالاً مولکول‌های آلی مورد نیاز خود را به‌جای این که بسازند، از محیط دریافت می‌کردند. هتروتروف‌های اولیه شاید انواع زیادی از مولکول‌های آلی را که به‌صورت خودبه‌خودی ساخته شده بودند، مصرف می‌کردند. آن‌ها با تخمیر این ترکیبات آلی، انرژی لازم را برای ادامه حیات تأمین می‌نمودند. تخمیر یک روند بی‌هوازی است و سلول‌های اولیه عمدتاً بی هوازی بودند. وقتی که منابع مولکول‌های آلی که به‌صورت خود‌به‌خودی تولید شده بودند پایان یافت، فقط برخی از موجودات زنده توانستند به حیاتشان ادامه دهند. جهش‌هایی که قبلاً رخ داده بود به برخی از سلول‌ها اجازه می‌داد تا انرژی خود را مستقیماً از نور خورشید بگیرند و ATP بسازند. 

ATP یک منبع انرژی سلول است

این سلول‌ها که به ترکیبات آلی غنی از انرژی در حال اتمام در محیط نیازمند نبودند، یک مزیت انتخابی مهم داشتند. فتوسنتز نه‌تنها به انرژی نور بلکه به یک منبع الکترونی برای احیای دی‌اکسید‌کربن جهت ساخت مولکول‌هایی مانند گلوکز نیاز دارد.

اتوتروف‌ها جاندارانی هستند که با استفاده از انرژی خورشید طی فرایندی که فتوسنتز نامیده می‌شود، قادر به تولید غذای خود می‌باشند. اولین اتوتروف‌های فتوسنتزکننده، از انرژی نور خورشید برای تجزیه مولکول‌های غنی از هیدروژن مانند H2S استفاده می‌کردند که در این فرایند عنصر گوگرد ازاد می‌شد. در واقع باکتری‌های گوگردی سبز و باکتری‌های گوگردی ارغوانی هنوز هم از H2S به‌عنوان منبع هیدروژن برای انجام فتوسنتز استفاده می‌کنند. سیانوباکتری‌ها اولین اتوتروف‌های فتوسنتزکننده بودند که هیدروژن را از تجزیه آب به‌دست می‌آوردند. آب در زمین اولیه همانند دوران کنونی بسیار فراوان بود و امتیازی که تجزیه آن به سیانوباکتری‌ها داد، باعث گسترش آن‌ها شد.

روند تجزیه آب، گاز اکسیژن را به‌وجود آورد. اکسیژن آزادشده طی فتوسنتز اول باعث اکسید شدن املاح در اقیانوس و پوسته زمین شد و بنابراین برای مدت زمانی طولانی اکسیژن در جو زمین متراکم نشد. ولی عاقبت سطح اکسیژن در اقیانوس‌ها و جو افزایش یافت. سنگواره‌های باقی‌مانده از آن دوران، بیانگر این موضوع است که اولین موجودات زنده فتوسنتزکننده در حدود ۳.۱ تا ۳.۵ میلیارد سال قبل ظاهر شدند؛ امری که نشان می‌دهد اشکال هتروتروفیک حتی قبل از این محدوده زمانی وجود داشته‌اند. 

هوازی‌ها بعد از افزایش اکسیژن در جو ظاهر شدند

حدود دو میلیارد سال، سیانوباکتری‌ها اکسیژن برای تغییر ترکیب جو تولید کردند. زیاد شدن اکسیژن جو تأثیر عمیقی بر حیات گذاشت. اکسیژن، جانداران بی‌هوازی اجباری را مسموم کرد و بدون شک بسیاری از گونه‌ها از بین رفتند. ولی بعضی از بی هوازی‌ها در محیط‌هایی که اکسیژن نفوذ نمی‌کرد، زنده ماندند و بقیه به‌نحوی سازش یافتند که بتوانند اکسیژن را خنثی کند تا برای آن‌ها مضر نباشد. 

بعضی از موجودات زنده که هوازی نامیده می‌شوند، مسیر تنفس را ایجاد نمودند تا از اکسیژن برای استخراج انرژی بیشتر از غذا استفاده کنند. پس این تنفس هوازی به فرایند بی‌هوازی موجود یعنی گلیکولیز اضافه شد. موجوداتی که به‌صورت هوازی تنفس می‌کردند، انرژی خیلی بیشتری را از یک مولکول گلوکز نسبت به تخمیر بی‌هوازی به‌دست می‌آورند. در نتیجه موجودات زنده هوازی که به‌تازگی به‌وجود آمده بودند، نسبت به بی‌هوازی‌ها کارآتر و دارای توان رقابتی بیشتری بودند. 

ماهیت سمی اکسیژن برای بسیاری از بی‌هوازی‌ها نقش نسبتاً کم‌اهمیت‌تری را در حیات داشته است. تکامل تنفس هوازی موجب تثبیت سطوح اکسیژن و دی‌اکسید‌کربن در بیوسفر شد. موجودات زنده فتوسنتزکننده از دی‌اکسیدکربن به‌عنوان منبع کربن برای تولید ترکیبات آبی استفاده می‌کردند. این مواد خام در جریان دوره زمانی نسبتاً کوتاهی که تنفس هوازی به‌وجود نیامده بود، از اتمسفر حذف شده بودند.

تنفس هوازی، دی‌اکسید‌کربن را به‌عنوان یک محصول زائد در جریان تجزیه کامل مولکول‌های آلی آزاد کرد. به‌این‌صورت کربن شروع به چرخش در بیوسفر نمود و از محیط فیزیکی غیرزنده به‌سمت موجودات زنده فتوسنتزکننده و سپس به هتروتروف‌هایی که موجودات زنده فتوسنتزکننده را می‌خورند، حرکت کرد. تنفس هوازی، کربن را به‌صورت دی‌اکسید‌کربن در محیط فیزیکی آزاد می‌کرد و چرخه کربن ادامه می‌یافت. در یک روند مشابه، اکسیژن مولکولی توسط فتوسنتز تولید می‌شد و طی تنفس هوازی مورد استفاده قرار می‌گرفت. 

پیام مهم دیگر فتوسنتز در قسمت‌های فوقانی اتمسفر رخ داد. در آنجا اکسیژن به اوزون تبدیل شد. بعد یک لایه از اوزون کره زمین را احاطه کرد و زمین را از اشعه ماورای بنفش محافظت نمود که این امر باعث شد تا موجودات زنده بتوانند در مناطق نزدیک به سطح در محیط‌های آبی زندگی کرده و در نهایت بر روی خشکی ظاهر شوند. با توجه به اینکه اشعه ماورای بنفش برای تشکیل مولکول‌های آلی به روش غیرزیستی ضروری است، کاهش تابش آن باعث کاهش تولید غیرزیستی این مولکول‌ها شد.

نتیجه

مهم‌ترین مراحل در تاریخ حیات، تکامل تولید مثل مولکولی بود و این مرحله بسیار مهم در پیدایش سلول‌ها محسوب می‌شد. قبل از تکامل سلول‌های حقیقی، احتمالا ریبوزیم‌ها در خاک رس، آبگیرهای کم‌عمق صخره‌ای و یا منافذ آب گرم که احتمالاً حیات در آن‌ها منشاء گرفته‌اند، همانندسازی خود را کاتالیز می‌کردند. می‌دانیم که در اثر گذشت زمان رسوبات در اطراف سلول‌های پروکاریوتی جمع شده و مملو از مواد معدنی می‌شدند. بااین‌اوصاف اولین موجودات زنده فتوسنتزکننده در حدود ۳.۱ تا ۳.۵ میلیارد سال قبل ظاهر شدند.