تکامل ریبوزوم؛ ماشین زمانی که نخستین نشانه‌های حیات اولیه را در خود دارد

تقریبا چهار میلیارد سال قبل، در میان انبوهی از مولکول‌ها و مواد معدنی که سیاره‌ی سنگی و مرطوب ما را تشکیل داده‌اند، حیات شکل گرفت. این رویداد مهم‌ترین تغییر و واکنش شیمیایی در تاریخ کره‌‌‌ی زمین به حساب می‌آید. این رویداد نه‌تنها باعث پیدایش تمام موجودات زنده‌ شد؛ بلکه مواد شیمیایی اقیانوس‌ها، خشکی‌ها و اتمسفر زمین را تغییر داد و حتی بدون این اتفاق، سیاره‌ی آبی نیز وجود نداشت.

این تغییر شیمیایی شاید آن‌طور که فکر می‌کنیم دور نباشد. تمام سلول‌های موجودات روی کره‌ی زمین، یک نسخه از حیات اولیه را در خود دارند؛ ماشین زمانی که به ما امکان می‌دهد قدم به قدم نحوه‌ی تشکیل جانداران را مشاهده کنیم. کشف‌های لورن ویلیامز، بیوشیمی‌دان مؤسسه‌ی فناوری جورجیا و همکارانش، می‌تواند دیدگاه ما را در مورد منشأ حیات دگرگون کند. به‌گفته‌ی ویلیامز، باید گمانه‌زنی در مورد منشأ حیات را پایان دهیم؛ زیرا قادریم آن را ببینیم. 

میلیون‌ها سال پیش زمین فاقد هر گونه حیات بود. بسیاری از زیست‌شناسان معتقدند حیات نخستین بار در اقیانوس‌ها تشکیل شد. برای توجیه این مطلب نظریه‌ی سوپ بنیادین ارائه شده است؛ بر اساس این نظریه، در اقیانوس‌های زمین مقدار زیادی مواد آلی پدید آمد. به‌عنوان مثال آمونیاک، متان، نیتروژن, هیدروژن و بخار آب که این گازها و مواد با یکدیگر در واکنش‌های شیمیایی ساده شرکت می‌کردند و مواد پیچیده‌تری را تشکیل می‌دادند.

این واکنش‌های ساده‌ی شیمیایی، به کمک انرژی رعد‌وبرق یا اشعه‌ی کیهانی انجام می‌شد؛ زیرا زمین در ۴ میلیارد سال قبل فاقد لایه‌ی اوزون بود و همه‌ی اشعه‌ی فرابنفش خورشید و کیهانی به‌طور مستقیم به سطح زمین می‌رسید. در نتیجه موادی مانند سیانیدها و آلدئیدها تشکیل شدند که این مواد در مراحل بعد با واکنش‌هایی که انجام دادند، اسیدهای آمینه‌ی ایزومر را به وجود آوردند و زمینه را برای ساخته شدن پروتئین‌ها فراهم کردند.

برای آزمایش درستی الگوی سوپ بنیادین دانشمندی به نام استنلی میلر در قرن بیستم؛ این الگو را آزمایش کرد. او برای این آزمایش، محیطی بسته به وجود آورد و از مواد اولیه‌ای مانند گازهای هیدروژن، نیتروژن، آمونیاک، متان و بخار آب استفاده کرد. وی برای شبیه‌سازی رعدوبرق از جرقه‌ی الکتریکی استفاده کرد و پس از چند روز، ترکیبات متعددی در این دستگاه پیدا کرد که شامل اسیدهای آمینه‌ی ساده، مانند گلیسین و... بودند. استنلی میلر نتیجه گرفت که الگوی سوپ بنیادین می‌تواند چگونگی تشکیل حیات را در زمین توضیح بدهد. اما ایراداتی بر این نظریه وارد است که باعث شد نام آن به «مدل حباب» تغییر کند. در این مدل گفته می‌شود که اسیدهای آمینه با یکدیگر واکنش داده‌اند و پروتئین‌ها را به وجود آورده‌اند؛ اما در آن زمان زمین فاقد لایه‌ی محافظتی اوزون بود و بنابراین اشعه‌ی ماورای بنفش می‌توانست همه‌ی مواد تولید‌شده و همچنین همه‌ی متان و آمونیاک موجود در جو را نابود کند.

مواد آلی به‌وجود‌آمده در حباب‌‌های زیر دریا که حاصل فوران‌های آتش‌فشانی بود، محبوس می‌شدند. سپس جریان آب این حباب‌ها را به سطح آب می‌آورد و این حباب‌ها با ترکیدن و آزاد شدن، از رعدوبرق انرژی کافی برای سایر واکنش‌ها می‌گرفتند. این مواد پر انرژی با همدیگر ترکیب می‌شدند و به زیر آب دریا می‌رفتند؛ به همین دلیل می‌توان گفت که بعد از پیدایش آمینواسیدها، حیات شکل گرفت. تا به امروز بیشتر تلا‌هاش‌های ما، در مورد درک چگونگی آغاز حیات بوده است که داستان از نظریه‌ی سوپ بنیادین آغاز شد. در واقع این کارها نمی‌تواند اتفاق‌های قبل پیدایش حیات را توضیح دهد و فقط منشأ احتمالی حیات را به ما نشان می‌دهد.

اما روش جدید، از حیات امروزی شروع می‌شود و به گذشته سفر می‌کند. ریبوزوم‌ها ساختارهای سلولی هستند که از ترکیب آمینواسیدها، مولکول‌های پروتئینی را می‌سازند. این ساختارها که بسیار حیاتی هستند، از باکتری‌ها تا انسان‌ها عملکرد مشابهی دارند و تنها ظاهر آن‌ها متفاوت است. در نتیجه ریبوزوم‌ها می‌توانند پاسخ بسیاری از سؤالات ما را بدهند. با پیشرفت تکامل، گونه‌های جدید قطعه‌های اضافه‌ی RNA را به ریبوزوم‌های خود چسباندند.

این قطعه‌های اضافه‌ی قابل تشخیص، باقی مانده‌اند؛ مثل برگی که از درختی به زمین افتاده است و بدون نگاه کردن به درخت می‌توان جهت باد را تشخیص داد. اگر ما این شاخه و برگ‌ها را برداریم، در نهایت به آخرین جد مشترک همه‌ی موجودات زنده (LUCA) می‌رسیم. گروهی از دانشمندان به رهبری ویلیام مارتین، در دانشگاه هاینریش هاینه در آلمان، به ژن‌هایی از باکتری‌ها و آرکیا نگاه کردند و نتیجه گرفتند ژن‌هایی که در حداقل دو گروه از باکتری‌ها و دو گروه از آرکیاها پیدا شدند، احتمالا متعلق به لوکا هستند.

با استفاده از قدیمی‌ترین بخش ریبوزوم (شکل بالا)، می‌توانیم نقشه‌ی تمام موجودات زنده و حیات اولیه را به‌ دست آوریم. ۳۵۵ ژنی که محققان انتخابشان کردند نشان می‌دهد که لوکا بدون اکسیژن زندگی می‌کرد و در عوض انرژی مورد نیازش را از دی‌اکسید‌ کربن و هیدروژن به دست می‌آورد. لوکا نیاز به حضور فلزات داشته و همچنین از توانایی زنده ماندن در دماهای بسیار بالا، برخوردار بوده است. اما دانشمندان در این مورد که چگونه این ویژگی‌های لوکا می‌تواند آن را در سیر زمانی تحول میکروارگانیسم‌ها قرار دهد، اختلاف نظر دارند. لوکا برخی از ویژگی‌های ضروری برای حیات را ندارد به‌عنوان مثال، تنها تعداد کمی از ابزارهای ساخت اسیدهای آمینه و نوکلئوتیدها را دارد که این‌ موارد برای زندگی، حیاتی‌اند.

محققان در سال‌های اخیر نشان دادند کهrRNA  شامل بقایایی از mRNA ،tRNA و ژن‌هایی هستند که پروتئین‌های تشکیل‌دهنده‌ی ساختار و عملکردش را رمز می‌کنند. دانشمندان معتقدند ریبوزوم‌ها حلقه‌ی گمشده بین مولکول‌های ساده‌ی قبل از حیات و تک‌ سلولی لوکا هستند. سؤال بزرگ در مقایسه با نظریه‌ی «ژن خودخواه» این‌ است که آیا امکان دارد ریبوزوم‌ها کپی‌هایی از خودشان ایجاد کنند؟ اگر ریبوزوم‌ها خودشان را کپی کنند (خودهمانندسازی) پس ابزارهای موجود را برای انجام آن به‌ کار می‌گیرند. DNA تکامل یافت تا اطلاعاتی را که در rRNA رمز می‌شد، محافظت کند همچنین سلول‌ها و موجودات تکامل یافتند تا تکثیر ریبوزوم‌ها را بهینه کنند.

ریبوزوم‌ها تقریبا در تمام موجودات یکسان هستند؛ شاید ریبوزوم خودخواه، باعث ایجاد برداشت جدیدی در احساس خویشاوندی با بقیه موجودات شود. همه‌ی ما فقط نوع متفاوتی از میزبان‌ها برای ریبوزوم‌ها هستیم. ویلیامز و همکارانش می‌توانند با مقایسه‌ی RNA ریبوزومی موجودات زنده‌، آن‌ها را تا زمان لوکا و حتی قبل از آن برگردانند. پس از تشخیص اثر انگشت‌های مولکولی، ترکیب RNA جد مشترک هم مشخص شد. پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که اثرات مشابهی هم باید روی ریبوزوم لوکا بوده باشد که قبل از آن شکل گرفته‌اند. هرقدر RNA اضافه‌ی بیشتری را پیرایش کنیم، به نقطه‌ی شروع نزدیک می‌شویم.

نتیجه‌ی تحقیقات ویلیامیز و تیمش نشان می‌دهد که قدیمی‌ترین بخش ریبوزوم، یک توالی‌ از RNA است و شباهت زیادی هم به گهواره دارد که باعث پیوند بین آمینواسیدها می‌شود و در نتیجه پروتئین‌ها را تشکیل می‌دهد. بقیه‌ی اعضای گروه‌ نیز از روش مختلفی برای تشخیص نخستین قسمت‌های ریبوزوم استفاده کرده‌اند؛ روش‌هایی که شبیه کندن پوست پیاز و رسیدن به مرکز آن است. با این حال تمام افراد تیم موافق‌اند که گهواره، ابتدایی‌ترین بخش ریبوزوم است.  به‌گفته‌‌‌ی جورج فاکس، بیولوژیست تکاملی از دانشگاه هوستون تگزاس، احتمالا این بهترین مدل در تاریخ ریبوزوم محسوب می‌شود.

این ریبوزوم باقی‌مانده یا ابتدایی، هیچ یک از کارکردهای ریبوزوم را تا زمان لوکا ندارد و فاقد ناحیه خواندن کدون است؛ در نتیجه قادر به ساخت پروتئین نیست. اما این ریبوزوم می‌توانست به‌جز آمینواسیدها، بقیه‌ی مولکول‌ها را نیز به یکدیگر متصل کند و با واکنش‌های شیمیایی ساده‌، زنجیره‌های تصادفی را می‌ساخت که به منشأ زمینی حیات ما مربوط می‌شود. به همین دلیل ریبوزوم‌های ابتدایی که ویلیامز آن‌ها را «سوسیس‌‌سازهای مولکولی» نامیده است، مولکول‌هایی را می‌ساختند.

شواهد بقیه‌ی پژوهشگران نیز این یافته‌ها را تأیید می‌کند که در شرایط مساعد، ریبوزوم‌های امروزی را هم می‌توان فریب داد تا به جای آمینواسیدها، مولکول‌های دیگری را نیز به یکدیگر متصل کنند. در حیات ابتدایی، سوسیس‌سازهای مولکولی، زنجیره‌ها را با سرعت زیادی تولید می‌کردند و فقط برخی از آن‌ها قادر به اتصال RNA ریبوزومی بودند که این باعث می‌شد مولکولی‌های کوچک مقداری به ثبات برسند. توالی‌هایی که ساختارهای باثبات‌تری تشکیل دادند، بیشتر ماندگار می‌شدند و با رشد پیوسته‌‌، ساختار ریبوزوم‌ها را بزرگ‌تر می‌کردند.

این تکامل هیچ ارتباطی با ژنتیک تکاملی ندارد و بهتر است اسمش را تکامل شیمیایی بنامیم. این هم‌فرگشتی آشفته‌ی RNA و قطعات پروتئینی در حدی نیست که دانشمندان آن را به‌عنوان حالتی زنده در نظر می‌گیرند. ممکن است این مولکول‌ها RNA یا پروتئین نباشند اما پروتومولکول‌های مشابهی بودند که می‌توانستند به راحتی خودسامانی کنند. در هر حال، کل سیستم به‌عنوان تکامل شیمیایی از میان مولکول‌هایی که تصادفی ساخته شده بودند، آن‌هایی را که بیشترین هماهنگی را با هم داشتند، انتخاب کرده است.

بعضی از جزئیات این تحقیق مبهم است اما ویلیامز در مورد یکی از ویژگی‌های مراحل اولیه مطمئن است؛ کمی بعد از شروع حیات واقعی، هیچ رمز ژنتیکی و همانندسازی دقیقی از ژنوم وجود نداشت. اطلاعات موجود در مولکول‌های ژنومی DNA با استفاده از فرآیند رونویسی در سه گروه mRNA، rRNA و tRNA نسخه‌برداری می‌شوند. در نهایت مولکول‌های mRNA هستند که توسط ریبوزوم به پروتئین ترجمه خواهند شد و دیگر انواع مولکول‌های RNA به‌صورت ریبونوکلئیک اسید مورد استفاده قرار می‌گیرند.

این فرآیند ترجمه نام دارد و ریبوزوم با اتصال به مولکول mRNA، توالی نوکلئوتیدهای آن را به‌عنوان الگو استفاده می‌کند. در واقع ریبوزوم‌ها رمزهای ژنتیکی را از روی mRNA می‌خوانند و آن‌ها را به پروتئین تبدیل می‌کند؛ tRNA و mRNA اجزای لازم برای کدخوانی ژنتیکی هستند. با این حال در همه‌ی بازسازی‌های صورت‌گرفته از تاریخچه‌ی قبل از لوکا، قسمت‌هایی از ریبوزوم که مخصوص اتصال به این دو مولکول هستند، بعدا ظاهر شده‌اند. به گفته‌ی ویلیامز عملکردهای اولیه‌ی mRNA و tRNA احتمالا کمک به پیچیدگی کدون‌های سه‌گانه بوده است، درواقع این مولکول‌ها ابتدا قطعاتی از RNA بودند که به ترتیب گرفتن صحیح آمینواسیدها کمک می‌کردند.