RNA: در جستجوي نخستين مولكول همانندساز كه آغازگر حيات اوليه بود

حيات بايد در ابتدا با يك مولكول ساده‌ي خود تكثيرشونده، آغاز شده باشد. اين مولكول كه مي‌توان آن را جد اعظم همه‌ي گونه‌هاي زيستي زمين ناميد، سال‌ها هدف اصلي دانشمندان بوده است كه براي يافتن پاسخ آن تلاش زيادي كرده‌اند. پژوهش‌هاي زيادي براي يافتن فرآيندي كه باعث ايجاد اين مولكول شده و مشخصات حياتي آن در سال‌هاي متمادي صورت گرفته است. چهار ميليارد سال پيش، سطح جديد و ناآرام سياره‌ي زمين كه به‌تازگي در مداري به دور يك ستاره متوسط شكل گرفته بود، شروع به سرد شدن كرد.

زماني كه اولين مولكول خودهمانندساز تشكيل شد، انتخاب طبيعي قدرت خود را در تغيير سرنوشت يك سياره به رخ كشيد. انتخاب طبيعي يعني توانايي و برتري يك نسل از سلول‌ها، موجودات، گياهان يا حيوانات براي ادامه‌ي بقا در مقابل ساير گونه‌هاي زيستي و ساير هم‌نوعانشان. اينگونه بود كه نسل‌به‌نسل تغييراتي در ساختار و چيدمان مولكول‌هاي خود تكثير‌شونده ايجاد شد و آن‌هايي كه بهتر بودند بقا يافتند و نسل‌هاي بعدي را شكل دادند. ديري نگذشت كه اولين سلول‌هاي ساده تشكيل شدند. ميليارد‌ها سال بعد، برخي نوادگان آن سلول‌هاي ابتدايي، تكامل‌ پيدا كردند و به ارگانيسم‌هاي هوشمندي تبديل شدند.

سؤال اصلي اين است كه در آغاز، ابتدايي‌ترين سلول‌ تشكيل‌دهنده‌ي حيات امروزي چه مولكولي بود؟ حدود ۵۰ سال پيش، بشر براي اولين‌ بار دريافت كه اولين سلول خودهمانندساز تاريخ حيات سياره‌ي زمين، RNA-ها بودند كه هم‌خانواده‌ي DNA-ها هستند. البته تا به امروز، هيچ اطلاع دقيقي درباره‌ي نحوه‌ي شكل‌گيري RNA در زمين وجود ندارد. اين ايده همواره اشكالي بزرگ داشته است؛ اينكه اگر RNA نمي‌توانست به‌صورت خود‌به‌‌خود تشكيل شود، چگونه مي‌توانست خودهمانندسازي داشته باشد؟ آيا ابتدا برخي ديگر از گونه‌هاي تقسيم‌شوندگان ايجاد شدند؟ ماهيت آن‌ها چه بوده است؟

وقتي زيست‌شناسان اولين بار براي چگونگي شكل‌گيري حيات اوليه، به دنبال پيدا كردن پاسخي افتادند، يافتن جواب تقريبا ناممكن به انديشه متخصصين مي‌رسيد. پژوهش‌هاي فراوان باعث شد بشر نگاه جديدي به حيات و شرايط تشكيل آن داشته باشد. امروزه مي‌دانيم كه در تمام ارگانيسم‌هاي زنده، كارهاي پيچيده به‌ عهده‌ي پروتئين‌ها است. پروتئين‌ها از لحاظ ساختاري اين قابليت را دارند كه پيچ‌و‌تاب بخورند و به شكل‌هاي متنوعي درآيند. بنابراين قادرند عملكردهاي متفاوتي داشته باشند كه براي مثال مي‌توان به نقش حياتي آنزيم‌ها اشاره كرد. به وسيله‌ي اين نقش مهم، پروتئين‌ها مي‌توانند طيف وسيعي از واكنش‌هاي شيميايي را تسهيل كنند و به آن‌ها سرعت بخشند.

در همان زمان اين پرسش مطرح شد كه اگر RNA مي‌تواند واكنش‌هايي مثل ذخيره‌‌ي اطلاعات را درون خود برنامه‌ريزي و تسريع كند، آيا امكان دارد كه به تكثير خود نيز قادر باشد؟ و اگر اينطور باشد، پس RNA-ها قادرند فرآيند همانندسازي را مستقل انجام دهند و ديگر نيازي به پروتئين‌ها نخواهد بود. اين ايده بسيار جذاب بود و اميدهاي زيادي در دل دانشمندان ايجاد كرد كه به يافتن پاسخ پرسش بزرگ بشريت بسيار نزديك شده‌اند. اما اين موضوع فقط يك ايده بود و در آن زمان، تنها بر پايه‌ي گمانه‌زني‌ها استوار بود. هنوز هيچ‌كدام از پژوهش‌ها نشان نداده بودند كه RNA-ها مي‌توانند عملكردي مستقل و مشابه پروتئين‌ها داشته باشند و واكنش‌هايي را همانند آنزيم‌هاي پروتئيني كاتاليز كنند.

حتي ممكن است اين مولكول‌هاي همانندساز، ادغام جنسي شوند. آنزيم RNA كه كشف شد تنها تكه‌ي كوچكي از يك RNA بزرگ‌تر بود كه مي‌توانست خود را از آن جدا سازد و به‌طور مستقل فعاليت كند. اما معكوس چنين واكنشي نيز وجود دارد كه طي آن RNA جديدي به زنجيره‌ي آنزيمي اضافه شود يعني RNA‌-هاي خودهمانندساز قادرند با مولكول‌هاي RNA ديگر ادغام جنسي شوند. اين قابليت RNA-ها نقش بزرگي در جهت تكامل آن‌ها داشته است؛ چون باعث مي‌شود همانندساز‌هايي از دودمان‌هاي مختلف با يكديگر تركيب شوند و خانواده‌ي مشتركي تشكيل دهند و طبيعتا اين امر باعث تنوع بيشتر اين مولكول‌ها شده است. سال ۲۰۰۰ بسياري از زيست‌شناسان به انديشه متخصصيني جامع در اين مورد رسيدند.

آن‌ها روي ساختار فاكتور‌هاي سازنده‌ي پروتئين‌ها در سلول‌ها كار مي‌كردند كه دريافتند پيش‌ساز اصلي اين فاكتورها يك آنزيم RNA است. با توجه به اينكه پروتئين‌ها توسط RNA سنتز مي‌شوند، پس بدون شك، مي‌توان نتيجه‌گيري كرد كه حيات بايد در ابتدا توسط RNA-ها تشكيل شده باشد. مولكول RNA از چهار باز آلي متفاوت ساخته شده است: آدنين (A)، گوانين (G)، سيتوزين (C) و اوراسيل (U). هفت سال پيش گروهي از پژوهشگران به سرپرستي شيمي‌دان انگليسي به نام جان سادرلند، مجموعه‌اي از مراحل را نشان دادند كه طي آن‌ها برخي از واكنش‌هاي شيميايي منجر به ايجاد تركيب‌هاي شيميايي سيتوزين و اوراسيل شدند.

اما دانشمندان تاكنون نتوانسته‌اند پيدايش ديگر اجزاي بنيادي و سازنده‌ي پورين RNA، يعني آدنين و گوانين را از همين طريق توضيح دهند. در سال ۱۹۷۲، يك شيمي‌دان انگليسي به نام لزلي اورگل و همكارانش روشي براي تشكيل پورين توضيح دادند. اما به‌گفته‌ي توماس كارل، شيمي‌دان از دانشگاه لودويگ ماكسيميليان، فرايندي كه آن‌ها براي تشكيل پورين نشان دادند، به انديشه متخصصين ممكن نمي‌رسد؛ چرا كه در نتيجه‌ي آن فرآيند، ميزان خيلي كمي از پورين توليد مي‌شود كه براي پيدايش حيات كافي نيست. او مي‌گويد بيش از ۴۰ سال است متخصص كارشناسان در جستجوي فرآيند‌ها و تركيبات شيميايي سازنده‌ي پورين‌ه هستند.

تقريبا همه‌ي دانشمندان مرتبط هم‌عقيده هستند كه در سال‌هاي اوليه‌ي پس از پيدايش زمين، مولكول هيدروژن سيانيد به وفور وجود داشته است. اين ماده در آب سريع واكنش مي‌دهد و يكي از كلاس‌هاي مولكولي به نام آمينوپيريميدين (aminopyrimidine) را تشكيل مي‌دهد. اين مولكول‌ها شامل چند گروه شيميايي به نام آمين هستند. در حالت عادي، اين آمين‌ها طي واكنش‌هاي شيميايي، طيف گسترده‌اي از تركيبات شيميايي را تشكيل مي‌دهند. اما كارل مي‌گويد اكثر آن تركيبات، پورين نيستند. كارل بايد راهي پيدا مي‌كرد كه به غير از يك آمين مهم، جلوي واكنش شيميايي همه‌ي آمين‌ها را بگيرد.

وقتي كه پيوندهاي شيميايي برقرار شدند، محصولات آن واكنش‌هاي شيميايي با قند واكنش دادند و مقادير زيادي پورين ايجاد شد. اما استيون بنر، شيمي‌دان و متخصص پيدايش حيات، مي‌گويد به اين زودي‌ها نمي‌توانيم قاطعانه اين توضيحات را براي پيدايش حيات بپذيريم. بنر قبول دارد كه توضيحات ارائه‌شده براي نحوه‌ي تشكيل پورين يك قدم بزرگ رو به جلو است؛ اما حتي اگر درست باشند، شرايط شيميايي كه پورين‌ها را به وجود آوردند با شرايط شيميايي كه سادرلند و گروهش توصيف كرده‌اند، هم‌خواني ندارد. بنابراين مشخص نيست كه دقيقا آدنين، گوانين، سيتوزين و اوراسيل‌ چگونه به هم پيوند خوردند.

حتي اگر همه‌ي تركيبات سازنده‌ي RNA در يك زمان و يك مكان كنار هم بودند، هنوز مشخص نيست كه چه چيزي باعث شد اين تركيبات به هم متصل شوند و RNA-ها را تشكيل دهند. دانشمنداني كه خاستگاه زندگي را مطالعه مي‌كنند، بر اين باورند كه اولين مولكول خودهمانندساز در دنياي RNA زندگي مي‌كرد. فرضيه دنياي RNA مي‌گويد قبل از اينكه DNA ماده‌ي ژنتيك سلول‌ها شود، اين وظيفه بر عهده‌ي مولكول‌هايي بود كه اولا مي‌توانستند مانند خودشان را بسازند و دوما خاصيت آنزيمي‌ هم داشته‌اند. اين شيوه‌ي زندگي بسيار ساده‌تر از زندگي كنوني است؛ چون هم‌اكنون دو وظيفه يادشده از هم جدا شده‌اند؛ DNA همانندسازي مي‌كند؛ درحالي‌كه پروتئين هم خاصيت آنزيمي دارد. پژوهشگران در كاليفرنيا تركيبي از RNA و آنزيمي به نام ريبوزيم در آب درست كردند.

آن‌ها به اين نتيجه رسيدند كه ريبوزيم به قسمت‌هايي از مولكول RNA متصل مي‌شود و به آن‌ اجازه مي‌دهد به مونومرها متصل شود تا بتواند RNA-هاي جديد بسازد. ريبوزيم از معدود آنزيم‌هاي از جنس RNA است. اين اولين باري است كه ماده‌ي ژنتيك با چيزي به غير از آنزيم پروتئيني همانندسازي شده است و علاوه بر آن نشان داده شده است كه ماده‌ي ژنتيك مي‌تواند با RNA به‌تنهايي همانندسازي شود. اين يافته بخشي ديگر از «فرضيه‌ي دنياي RNA» را اثبات مي‌كند. 

RNA (ريبونوكلئيك اسيد) و  DNA (دئوكسي ريبونوكلئيك اسيد) از انديشه متخصصين ساختار كاملا مشترك و مشابه هستند و شايد RNA همانند يك طرف نردبان DNA به انديشه متخصصين مي‌رسد؛ اما نكته‌ي مهم اين است كه RNA شكننده‌تر و داراي قابليت انعطاف كمتري نسبت به DNA است و به احتمال زياد به همين دليل است كه DNA در نهايت قادر به شكل دادن ژن‌هاي ما شده است. اما بسياري معتقدند كه RNA، با وجود ضعف‌هاي ساختاري آن، در وهله‌ي اول از اين روند پيچيده به وجود آمده است. تا جايي كه بسياري از دانشمندان پيشنهاد داده‌اند كه آن را بايد اولين مولكول خودهمانندساز روي زمين به شمار آوريم.

كيمرا در زيست‌شناسي به اندامي گفته مي‌شود كه از دو يا چند ياخته‌ي غير متشابه تشكيل شده است. آن رشته‌هاي كيمرا به احتمال زياد يك گام مهم در انتقال از RNA به DNA بوده‌اند. شواهد ارائه‌شده به‌نوعي از اين ايده كه RNA و DNA در واقع به‌صورت همزمان و به‌طور بالقوه از مواد تشكيل‌دهنده‌ي مشابه در سوپ اوليه‌ي زمين به وجود آمده‌اند، همراهي مي‌كند. اين در واقع نتيجه‌اي است كه محققان در Angewandte Chemie به آن رسيده‌اند.

آن‌ها نخستين گروهي نيستند كه چنين ايده‌اي ارائه مي‌كنند. اما يافته‌هاي آن‌ها شواهدي جديد براي حمايت از فرضيه‌ي جايگزين در زمينه‌ي ريشه‌هاي حيات فراهم مي‌كند. اگر يافته‌هاي آن‌ها به‌صورت قطعي تأييد شود، لاخبار تخصصيا به اين معني نخواهد بود كه RNA باعث رشد و گسترش DNA نشده است.با اين حال همچنان جهش از اين مولكول‌هاي غير زنده به موجودات زنده‌اي كه داراي مولكول‌ DNA هستند و توليد مثل مي‌كنند، فوق‌العاده پيچيده است و هنوز از آن چيز زيادي نمي‌دانيم.

در هر صورت يكي از ويژگي‌هاي اصلي و ضروري موجودات زنده، توانايي همانندسازي يا همان توليد مثل است؛ چه اين همانندسازي مثل باكتري‌ها با تقسيم سلولي انجام شود و چه مثل پستانداران بزرگ با توليد مثل جنسي و بچه‌زايي. هيچ كس نمي‌داند اين فرآيند چگونه شروع شد و چه مراحلي را طي كرد. هنوز كسي نتوانسته است در آزمايشگاه از عناصر غير زنده، موجود زنده به‌ وجود بياورد. در دهه‌ي ۱۹۶۰ ميلادي، بعضي از دانشمندان فكر كردند كه شايد اولين مولكول‌ همانندساز، يعني مولكولي كه مي‌تواند مثل خودش را بسازد. پروتئين نقشي اساسي در به‌وجود آمدن موجودات زنده دارد. پروتئين‌ها مي‌توانند به اشكال مختلف و خيلي پيچيده دربيايند و تقريبا هر كاري را انجام دهند؛ مثلا به‌عنوان آنزيم عمل كنند.

آن‌ها مي‌توانستند خودشان همه كار انجام دهند. مشخص شد كه RNA يك مولكول همه‌ فن حريف است. اين يك دستاورد بزرگ براي اين ايده بود كه زندگي ابتدا از مولكول‌هاي RNA تشكيل شده است. با اين حال اين ايده هم يك اشكال بزرگ دارد. نمي‌دانيم مولكول‌هاي RNA چگونه به‌ وجود آمدند. آيا قبل از آن مولكول‌هايي ساده‌تر با توانايي همانندسازي وجود داشتند؟ بعضي از دانشمندان فكر كنند RNA اولين همانندساز نبوده است.