RNA: در جستجوی نخستین مولکول همانندساز که آغازگر حیات اولیه بود

حیات باید در ابتدا با یک مولکول ساده‌ی خود تکثیرشونده، آغاز شده باشد. این مولکول که می‌توان آن را جد اعظم همه‌ی گونه‌های زیستی زمین نامید، سال‌ها هدف اصلی دانشمندان بوده است که برای یافتن پاسخ آن تلاش زیادی کرده‌اند. پژوهش‌های زیادی برای یافتن فرآیندی که باعث ایجاد این مولکول شده و مشخصات حیاتی آن در سال‌های متمادی صورت گرفته است. چهار میلیارد سال پیش، سطح داغ و ناآرام سیاره‌ی زمین که به‌تازگی در مداری به دور یک ستاره متوسط شکل گرفته بود، شروع به سرد شدن کرد.

زمانی که اولین مولکول خودهمانندساز تشکیل شد، انتخاب طبیعی قدرت خود را در تغییر سرنوشت یک سیاره به رخ کشید. انتخاب طبیعی یعنی توانایی و برتری یک نسل از سلول‌ها، موجودات، گیاهان یا حیوانات برای ادامه‌ی بقا در مقابل سایر گونه‌های زیستی و سایر هم‌نوعانشان. اینگونه بود که نسل‌به‌نسل تغییراتی در ساختار و چیدمان مولکول‌های خود تکثیر‌شونده ایجاد شد و آن‌هایی که بهتر بودند بقا یافتند و نسل‌های بعدی را شکل دادند. دیری نگذشت که اولین سلول‌های ساده تشکیل شدند. میلیارد‌ها سال بعد، برخی نوادگان آن سلول‌های ابتدایی، تکامل‌ پیدا کردند و به ارگانیسم‌های هوشمندی تبدیل شدند.

سؤال اصلی این است که در آغاز، ابتدایی‌ترین سلول‌ تشکیل‌دهنده‌ی حیات امروزی چه مولکولی بود؟ حدود ۵۰ سال پیش، بشر برای اولین‌ بار دریافت که اولین سلول خودهمانندساز تاریخ حیات سیاره‌ی زمین، RNA-ها بودند که هم‌خانواده‌ی DNA-ها هستند. البته تا به امروز، هیچ اطلاع دقیقی درباره‌ی نحوه‌ی شکل‌گیری RNA در زمین وجود ندارد. این ایده همواره مشکلی بزرگ داشته است؛ اینکه اگر RNA نمی‌توانست به‌صورت خود‌به‌‌خود تشکیل شود، چگونه می‌توانست خودهمانندسازی داشته باشد؟ آیا ابتدا برخی دیگر از گونه‌های تقسیم‌شوندگان ایجاد شدند؟ ماهیت آن‌ها چه بوده است؟

وقتی زیست‌شناسان اولین بار برای چگونگی شکل‌گیری حیات اولیه، به دنبال پیدا کردن پاسخی افتادند، یافتن جواب تقریبا ناممکن به نظر می‌رسید. پژوهش‌های فراوان باعث شد بشر نگاه جدیدی به حیات و شرایط تشکیل آن داشته باشد. امروزه می‌دانیم که در تمام ارگانیسم‌های زنده، کارهای پیچیده به‌ عهده‌ی پروتئین‌ها است. پروتئین‌ها از لحاظ ساختاری این قابلیت را دارند که پیچ‌و‌تاب بخورند و به شکل‌های متنوعی درآیند. بنابراین قادرند عملکردهای متفاوتی داشته باشند که برای مثال می‌توان به نقش حیاتی آنزیم‌ها اشاره کرد. به وسیله‌ی این نقش مهم، پروتئین‌ها می‌توانند طیف وسیعی از واکنش‌های شیمیایی را تسهیل کنند و به آن‌ها سرعت بخشند.

در همان زمان این پرسش مطرح شد که اگر RNA می‌تواند واکنش‌هایی مثل ذخیره‌‌ی اطلاعات را درون خود برنامه‌ریزی و تسریع کند، آیا امکان دارد که به تکثیر خود نیز قادر باشد؟ و اگر اینطور باشد، پس RNA-ها قادرند فرآیند همانندسازی را مستقل انجام دهند و دیگر نیازی به پروتئین‌ها نخواهد بود. این ایده بسیار جذاب بود و امیدهای زیادی در دل دانشمندان ایجاد کرد که به یافتن پاسخ پرسش بزرگ بشریت بسیار نزدیک شده‌اند. اما این موضوع فقط یک ایده بود و در آن زمان، تنها بر پایه‌ی گمانه‌زنی‌ها استوار بود. هنوز هیچ‌کدام از پژوهش‌ها نشان نداده بودند که RNA-ها می‌توانند عملکردی مستقل و مشابه پروتئین‌ها داشته باشند و واکنش‌هایی را همانند آنزیم‌های پروتئینی کاتالیز کنند.

حتی ممکن است این مولکول‌های همانندساز، ادغام جنسی شوند. آنزیم RNA که کشف شد تنها تکه‌ی کوچکی از یک RNA بزرگ‌تر بود که می‌توانست خود را از آن جدا سازد و به‌طور مستقل فعالیت کند. اما معکوس چنین واکنشی نیز وجود دارد که طی آن RNA جدیدی به زنجیره‌ی آنزیمی اضافه شود یعنی RNA‌-های خودهمانندساز قادرند با مولکول‌های RNA دیگر ادغام جنسی شوند. این قابلیت RNA-ها نقش بزرگی در جهت تکامل آن‌ها داشته است؛ چون باعث می‌شود همانندساز‌هایی از دودمان‌های مختلف با یکدیگر ترکیب شوند و خانواده‌ی مشترکی تشکیل دهند و طبیعتا این امر باعث تنوع بیشتر این مولکول‌ها شده است. سال ۲۰۰۰ بسیاری از زیست‌شناسان به نظری جامع در این مورد رسیدند.

آن‌ها روی ساختار فاکتور‌های سازنده‌ی پروتئین‌ها در سلول‌ها کار می‌کردند که دریافتند پیش‌ساز اصلی این فاکتورها یک آنزیم RNA است. با توجه به اینکه پروتئین‌ها توسط RNA سنتز می‌شوند، پس بدون شک، می‌توان نتیجه‌گیری کرد که حیات باید در ابتدا توسط RNA-ها تشکیل شده باشد. مولکول RNA از چهار باز آلی متفاوت ساخته شده است: آدنین (A)، گوانین (G)، سیتوزین (C) و اوراسیل (U). هفت سال پیش گروهی از پژوهشگران به سرپرستی شیمی‌دان انگلیسی به نام جان سادرلند، مجموعه‌ای از مراحل را نشان دادند که طی آن‌ها برخی از واکنش‌های شیمیایی منجر به ایجاد ترکیب‌های شیمیایی سیتوزین و اوراسیل شدند.

اما دانشمندان تاکنون نتوانسته‌اند پیدایش دیگر اجزای بنیادی و سازنده‌ی پورین RNA، یعنی آدنین و گوانین را از همین طریق توضیح دهند. در سال ۱۹۷۲، یک شیمی‌دان انگلیسی به نام لزلی اورگل و همکارانش روشی برای تشکیل پورین توضیح دادند. اما به‌گفته‌ی توماس کارل، شیمی‌دان از دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان، فرایندی که آن‌ها برای تشکیل پورین نشان دادند، به نظر ممکن نمی‌رسد؛ چرا که در نتیجه‌ی آن فرآیند، میزان خیلی کمی از پورین تولید می‌شود که برای پیدایش حیات کافی نیست. او می‌گوید بیش از ۴۰ سال است کارشناسان در جستجوی فرآیند‌ها و ترکیبات شیمیایی سازنده‌ی پورین‌ه هستند.

تقریبا همه‌ی دانشمندان مرتبط هم‌عقیده هستند که در سال‌های اولیه‌ی پس از پیدایش زمین، مولکول هیدروژن سیانید به وفور وجود داشته است. این ماده در آب سریع واکنش می‌دهد و یکی از کلاس‌های مولکولی به نام آمینوپیریمیدین (aminopyrimidine) را تشکیل می‌دهد. این مولکول‌ها شامل چند گروه شیمیایی به نام آمین هستند. در حالت عادی، این آمین‌ها طی واکنش‌های شیمیایی، طیف گسترده‌ای از ترکیبات شیمیایی را تشکیل می‌دهند. اما کارل می‌گوید اکثر آن ترکیبات، پورین نیستند. کارل باید راهی پیدا می‌کرد که به غیر از یک آمین مهم، جلوی واکنش شیمیایی همه‌ی آمین‌ها را بگیرد.

وقتی که پیوندهای شیمیایی برقرار شدند، محصولات آن واکنش‌های شیمیایی با قند واکنش دادند و مقادیر زیادی پورین ایجاد شد. اما استیون بنر، شیمی‌دان و متخصص پیدایش حیات، می‌گوید به این زودی‌ها نمی‌توانیم قاطعانه این توضیحات را برای پیدایش حیات بپذیریم. بنر قبول دارد که توضیحات ارائه‌شده برای نحوه‌ی تشکیل پورین یک قدم بزرگ رو به جلو است؛ اما حتی اگر درست باشند، شرایط شیمیایی که پورین‌ها را به وجود آوردند با شرایط شیمیایی که سادرلند و گروهش توصیف کرده‌اند، هم‌خوانی ندارد. بنابراین مشخص نیست که دقیقا آدنین، گوانین، سیتوزین و اوراسیل‌ چگونه به هم پیوند خوردند.

حتی اگر همه‌ی ترکیبات سازنده‌ی RNA در یک زمان و یک مکان کنار هم بودند، هنوز مشخص نیست که چه چیزی باعث شد این ترکیبات به هم متصل شوند و RNA-ها را تشکیل دهند. دانشمندانی که خاستگاه زندگی را مطالعه می‌کنند، بر این باورند که اولین مولکول خودهمانندساز در دنیای RNA زندگی می‌کرد. فرضیه دنیای RNA می‌گوید قبل از اینکه DNA ماده‌ی ژنتیک سلول‌ها شود، این وظیفه بر عهده‌ی مولکول‌هایی بود که اولا می‌توانستند مانند خودشان را بسازند و دوما خاصیت آنزیمی‌ هم داشته‌اند. این شیوه‌ی زندگی بسیار ساده‌تر از زندگی کنونی است؛ چون هم‌اکنون دو وظیفه یادشده از هم جدا شده‌اند؛ DNA همانندسازی می‌کند؛ درحالی‌که پروتئین هم خاصیت آنزیمی دارد. پژوهشگران در کالیفرنیا ترکیبی از RNA و آنزیمی به نام ریبوزیم در آب درست کردند.

آن‌ها به این نتیجه رسیدند که ریبوزیم به قسمت‌هایی از مولکول RNA متصل می‌شود و به آن‌ اجازه می‌دهد به مونومرها متصل شود تا بتواند RNA-های جدید بسازد. ریبوزیم از معدود آنزیم‌های از جنس RNA است. این اولین باری است که ماده‌ی ژنتیک با چیزی به غیر از آنزیم پروتئینی همانندسازی شده است و علاوه بر آن نشان داده شده است که ماده‌ی ژنتیک می‌تواند با RNA به‌تنهایی همانندسازی شود. این یافته بخشی دیگر از «فرضیه‌ی دنیای RNA» را اثبات می‌کند. 

RNA (ریبونوکلئیک اسید) و  DNA (دئوکسی ریبونوکلئیک اسید) از نظر ساختار کاملا مشترک و مشابه هستند و شاید RNA همانند یک طرف نردبان DNA به نظر می‌رسد؛ اما نکته‌ی مهم این است که RNA شکننده‌تر و دارای قابلیت انعطاف کمتری نسبت به DNA است و به احتمال زیاد به همین دلیل است که DNA در نهایت قادر به شکل دادن ژن‌های ما شده است. اما بسیاری معتقدند که RNA، با وجود ضعف‌های ساختاری آن، در وهله‌ی اول از این روند پیچیده به وجود آمده است. تا جایی که بسیاری از دانشمندان پیشنهاد داده‌اند که آن را باید اولین مولکول خودهمانندساز روی زمین به شمار آوریم.

کیمرا در زیست‌شناسی به اندامی گفته می‌شود که از دو یا چند یاخته‌ی غیر متشابه تشکیل شده است. آن رشته‌های کیمرا به احتمال زیاد یک گام مهم در انتقال از RNA به DNA بوده‌اند. شواهد ارائه‌شده به‌نوعی از این ایده که RNA و DNA در واقع به‌صورت همزمان و به‌طور بالقوه از مواد تشکیل‌دهنده‌ی مشابه در سوپ اولیه‌ی زمین به وجود آمده‌اند، پشتیبانی می‌کند. این در واقع نتیجه‌ای است که محققان در Angewandte Chemie به آن رسیده‌اند.

آن‌ها نخستین گروهی نیستند که چنین ایده‌ای ارائه می‌کنند. اما یافته‌های آن‌ها شواهدی جدید برای حمایت از فرضیه‌ی جایگزین در زمینه‌ی ریشه‌های حیات فراهم می‌کند. اگر یافته‌های آن‌ها به‌صورت قطعی تأیید شود، لزوما به این معنی نخواهد بود که RNA باعث رشد و گسترش DNA نشده است.با این حال همچنان جهش از این مولکول‌های غیر زنده به موجودات زنده‌ای که دارای مولکول‌ DNA هستند و تولید مثل می‌کنند، فوق‌العاده پیچیده است و هنوز از آن چیز زیادی نمی‌دانیم.

در هر صورت یکی از ویژگی‌های اصلی و ضروری موجودات زنده، توانایی همانندسازی یا همان تولید مثل است؛ چه این همانندسازی مثل باکتری‌ها با تقسیم سلولی انجام شود و چه مثل پستانداران بزرگ با تولید مثل جنسی و بچه‌زایی. هیچ کس نمی‌داند این فرآیند چگونه شروع شد و چه مراحلی را طی کرد. هنوز کسی نتوانسته است در آزمایشگاه از عناصر غیر زنده، موجود زنده به‌ وجود بیاورد. در دهه‌ی ۱۹۶۰ میلادی، بعضی از دانشمندان فکر کردند که شاید اولین مولکول‌ همانندساز، یعنی مولکولی که می‌تواند مثل خودش را بسازد. پروتئین نقشی اساسی در به‌وجود آمدن موجودات زنده دارد. پروتئین‌ها می‌توانند به اشکال مختلف و خیلی پیچیده دربیایند و تقریبا هر کاری را انجام دهند؛ مثلا به‌عنوان آنزیم عمل کنند.

آن‌ها می‌توانستند خودشان همه کار انجام دهند. مشخص شد که RNA یک مولکول همه‌ فن حریف است. این یک دستاورد بزرگ برای این ایده بود که زندگی ابتدا از مولکول‌های RNA تشکیل شده است. با این حال این ایده هم یک مشکل بزرگ دارد. نمی‌دانیم مولکول‌های RNA چگونه به‌ وجود آمدند. آیا قبل از آن مولکول‌هایی ساده‌تر با توانایی همانندسازی وجود داشتند؟ بعضی از دانشمندان فکر کنند RNA اولین همانندساز نبوده است.