می‌دانستید امکان دارد جد موجودات زنده یک قطره باشد؟ یا قطره‌های تقسیم شونده یا چگونگی ایجاد حیات بر روی زمین

پژوهشگران کشف کرده‌اند که قطره‌های ساده‌ای که به لحاظ شیمیایی فعال می‌باشند، به‌اندازه یک سلول رشد می‌کنند و سپس تقسیم می‌شوند. آن‌ها پیشنهاد می‌کنند که این پدیده ممکن است به ظهور اولین سلول‌های زنده منجر شده باشد.

تیمی از فیزیکدان‌ها و زیست‌شناسان در آلمان مکانیسم ساده‌ای را کشف کرده‌اند که ممکن است توضیح دهد چگونه قطرات مایع در سوپ بنیادین به سلول‌های زنده فرگشت یافته‌اند. سایر محققانی که بر روی مبدأ حیات در زمین مطالعه می‌کنند ایده فوق را مورد تحسین قرار داده‌اند. رامین گلستانیان، استاد فیزیک نظری در دانشگاه آکسفورد (که خود در پروژه فوق نقش مستقیمی نداشته است) نتایج به‌دست‌آمده را یک دستاورد عظیم خوانده است که نشان می‌دهد شکل‌گیری حیات ازآنچه تصور می‌شود ممکن است بسیار ساده‌تر باشد.

پرسش محوری در مورد مبدأ حیات این است که چگونه اولین سلول‌ها از عناصر ابتدایی به وجود آمدند؟ پیش‌درآمد شکل‌گیری سلول‌ها که پیش سلول خوانده می‌شوند، چه بودند؟

در سال ۱۹۲۴، الکساندر اُپارین، بیوشیمیست روسی که خالق ایده سوپ بنیادین برای شکل‌گیری حیات است، اولین شخصی بود که پیشنهاد کرد این پیش سلول‌های مرموز می‌توانند به شکل قطرات مایعی باشند که به‌طور طبیعی شکل می‌گیرند و غشایی ندارند.

در سال‌های اخیر، قطره‌هایی درون سلول‌های مدرن یافت شده‌اند که پاره‌ای وظایف بنیادین را بر عهده‌دارند.

اُپارین خود هیچ ایده‌ای نداشت که چنین قطراتی چگونه ممکن است شکل بگیرند، رشد کنند و تقسیم شوند و سپس به اولین سلول فرگشت یابند؛ اما اکنون و در پی کارهای انجام‌شده توسط دیوید زوئیکر و همکارانش در انستیتو ماکس پلانک پاسخی برای پرسش فوق دارد. آن‌ها قطراتی را موردمطالعه قرار داده‌اند که به‌طور شیمیایی فعال می‌باشند و با محیط اطراف خود عناصر شیمیایی تبادل می‌کنند. این قطرات تمایل دارند تا اندازه یک سلول رشد کنند و سپس همانند یک سلول تقسیم می‌شوند. نتایج تحقیقات آن‌ها در دسامبر ۲۰۱۶ در نشریه فیزیک نیچر منتشرشده است.

در سال ۲۰۰۸ تیمی از زیست‌شناسان دانشگاه پرینستون برای اولین بار قطراتی زیر سلولی را در درون سلول‌های کِرم سی‌الگانس کشف کردند که توده به‌هم‌پیوسته و کوچکی از پروتئین و آر. ان.ای هست. یکی از اعضای آن گروه اکنون می‌گوید که قطرات کشف‌شده درون‌سلولی می‌توانند بقایای باستانی پیش سلول‌های اولیه باشند، همان‌گونه که میتوکندری بقایای میکروبی باستانی است که سلول‌ها را آلوده می‌کرد ولی سرانجام رابطه‌اش با سلول به‌نوعی همزیستی تکوین یافت. این قطرات متراکم که درون سلول می‌بینیم نیز ممکن است به طریق مشابه، فسیل‌های بجا مانده از نیروهای پیش‌برندِ فیزیکی-شیمیایی باشند که خود موجب شکل‌گیری اولین سلول‌ها شدند.

پس از کشف قطرات زیر سلولی، دیوید زوئیکر مأمور شد تا فیزیک عملکرد سنتروزوم را موردمطالعه قرار دهد. سنتروزوم یا میان‌تن، اندامکی در مرکز سلول جانوران است که در عملیات تقسیم سلول نقش دارد و نظیر یک قطره رفتار می‌کند. زوئیکر سنتروزوم را همانند سامانه‌ای غیر تعادلی مدل‌سازی کرد که به‌طور شیمیایی فعال هست و به‌طور مداوم پروتئین‌های سازنده خود را با مایع سیتوپلاسم که آن‌ها در برگرفته است تبادل می‌کند.

در مدل وی، این پروتئین‌ها دارای دو حالت شیمیایی هستند. پروتئین در حالت آ در مایع پیرامونش حل می‌شود اما در حالت ب حل نشدنی است و نامحلول باقی می‌ماند. گاهی اوقات، پروتئین از حالت ب به‌طور ناگهانی به آ تغییر حالت می‌دهد و از قطره خارج می‌شود. یک منبع انرژی می‌تواند فرایندی معکوس را رقم زند و پروتئین از حالت آ، با غلبه بر یک سد شیمیایی، به حالت ب تغییر یابد. هنگامی‌که این پروتئین نامحلول به یک قطره برخورد می‌کند به‌راحتی به داخل آن می‌خزد و تا زمانی که یک منبع انرژی وجود دارد (نظیر نور خورشید) این مولکول‌ها به داخل و خارج از قطره جریان دارند.

زوئیکر کشف کرد که جریان مواد شیمایی واردشده به قطره و جریان خروجی از آن زمانی که قطره به‌اندازه خاصی می‌رسد (که تقریباً معادل اندازه یک سلول است) با یکدیگر برابر می‌شوند و پس‌ازآن قطره دیگر بزرگ‌تر نمی‌شود.

کشف بعدی حتی غیرقابل‌انتظارتر بود. هرچند اندازه قطرات فعال نسبتاً پایدار است اما شکل آن‌ها پایدار نیست. هنگامی‌که تعدادی از مولکول‌های نوع ب از یک سمت وارد قطره می‌شوند، آن سمت قطره کمی قلمبه و محدب می‌شود. این سمت قلمبه شده که سطح تماسی بیشتری با مایع پیرامون خود دارد سپس مولکول‌های بیشتری را جذب خود می‌کند و تحدب آن سرعت می‌گیرد. با افزایش قلمبه‌ی در یک سمت، قسمت وسط قطره که سطح تماس کمتری با مایع پیرامون دارد لاغر و نازک‌تر می‌شود تا جایی که قطره از وسط به دونیم تقسیم می‌گردد. فرایندی که تقسیم سلولی را تداعی می‌کند.

در مرحله بعد و با همکاری گروهی دیگر از پژوهشگران، نمونه‌هایی از این نوع قطره‌های فعال شیمیایی با مواد پلیمری ساخته شد که ازلحاظ فیزیکی مشابه سنتروزوم‌ها هستند تا مکانیسم رشد و تقسیم آن‌ها در عمل موردبررسی قرار گیرد. قدم بعدی این خواهد بود که نحوه تقسیم سنتروزوم‌ها و سایر قطره‌های طبیعی با دقت بیشتر موردمطالعه قرار گیرند تا مشخص شود که مکانیسم تقسیم شدن آن‌ها مشابه قطره‌های زوئیکر هست یا خیر.

اما این پرسش کماکان مطرح است که این قطرات چگونه به اشکال پیچیده‌تر فرگشت یافتند؟ در فرگشت لازم است کپی‌های حاصل از تقسیم با قطره مادر کمی متفاوت باشند تا انتخاب طبیعی وارد عمل شود و پیچیدگی افزایش یابد. گروهی از دانشمندان که تئوری دیگری بنام اول-غشاء را پیشنهاد می‌کنند معتقدند که نمی‌توانیم مکانیسم مشخصی بیابیم که توضیح دهد این قطرات چگونه به سلول‌های اولیه تبدیل شدند.

اما سایر پژوهشگران مخالف هستند و می‌گویند همین‌که قطرات شروع به تقسیم شدن کردند، آن‌ها به‌سادگی می‌توانند این توانایی را به دست بیاورند که اطلاعات ژنتیکی را به سلول‌های نسل بعد انتقال دهند. این اطلاعات ژنتیکی در اساس بسته‌ای از آر. ان.ای یا دی. ان.ای می‌باشند که پروتئین‌ها را کد می‌کنند. اگر این بسته ژنتیکی پروتئین‌های مفیدی را کدگذاری کند که نرخ تقسیم قطرات را افزایش دهد، انتخاب طبیعی آن‌ها ارجحیت خواهد داد. درنهایت، این پیش-سلول‌ها که انرژی خود را از نور خورشید به دست می‌آورند و تحت فرمان قانون افزایش آنتروپی هستند به‌تدریج به اشکال پیچیده‌تر دگرگونش خواهند یافت.

محتمل است که در طی فرایند پیچیده‌تر شدن، این قطره‌های پیش-سلولی به نحوی دارای غشاء شده باشند. قطره‌ها به‌طور طبیعی لایه‌هایی از لیپید را به خود جذب می‌کنند که تمایل دارند در مرز بین قطره و محیط اطراف قرار گیرند.

آزمایش‌های آتی میزان اعتبار تئوری فوق را مشخص خواهند کرد. آیا مواد شیمیایی طبیعی یافت خواهند شد که دو حالت آ و ب را همان‌گونه که تئوری پیش‌بینی می‌کند دارا باشند؟ اگر چنین عناصری پیدا شوند، یک مسیر منطقی بین حیات و غیر حیات ترسیم خواهد شد. قطره‌ها به مواد شیمیایی زیادی نیاز دارند که باید در اندازه و ساختار کاملاً مناسب گردآمده باشند تا اولین هسته سلولی شکل گیرد. مشخص نیست که چنین امری چگونه اتفاق افتاده است ولی می‌دانیم که مقادیر عظیمی از سوپ بنیادین و برای زمانی بس طولانی در اختیار بوده است.