چگونه ژن ها برای نخستین بار به تشکیل حیات انجامیدند

چگونه ژن ها برای نخستین بار به تشکیل حیات انجامیدند

پژوهشگران می‌گویند قوانین پنهان ژنتیک را درمورد اینکه چگونه زندگی روی زمین آغاز شد، کشف کرده‌اند.

همه‌ی موجودات زنده از کدهای ژنتیکی برای ترجمه‌ی اطلاعات ژنتیکی مبتنی بر DNA به پروتئین استفاده می‌کنند؛ پروتئین‌ها از مولکول‌های اصلی فعالیت‌کننده در سلول‌ها هستند. اما اینکه چگونه فرایند پیچیده‌ی ترجمه در نخستین مراحل زندگی روی زمین در بیش از ۴ میلیارد سال پیش اتفاق افتاد، مدت‌ها به‌صورت یک راز مانده‌ بود؛ ولی اخیرا دو نظریه‌پرداز زیستی شواهدی برای گشایش این راز پیدا کرده‌اند. چارلز کارتر استاد بیوشیمی و بیوفیزیک در دانشکده پزشکی کارولینای شمالی و پیتر ویلز استاد بیوشیمی در دانشگاه اوکلند، از مدل‌های آماری پیشرفته برای تجزیه‌‌‌‌و‌تحلیل اینکه چگونه مولکول‌های ترجمه‌ای امروزی برای انجام وظیفه‌شان در سلول، گرد هم می‌آیند تا اطلاعات ژنتیکی را به واحدهای سازنده‌ی پروتئین ترجمه کنند، استفاده کردند. نتایج تجزیه‌وتحلیل این دانشمندان که در ژورنال Nucleic Acids Research منتشر شده‌است، آشکار کننده‌ی قوانین پنهانی است که به وسیله‌ی آن امروزه مولکول‌های ترجمه‌ای با هم تعامل پیدا می‌کنند. این پژوهش نشان می‌دهد که چگونه اجداد بسیار ساده‌تر این مولکول‌ها در آغاز حیات با هم شروع به کار کردند. کارتر گفت:

من تصور می‌کنم که ما قوانین اصولی و تاریخچه‌ی تکاملی کد‌گذاری ژنتیکی را آشکار کردیم. این موضوع برای ۶۰ سال ناشناخته مانده بود.

ویلز افزود:

جفت الگوهای مولکولی که ما شناسایی کرده‌ایم، ممکن است نخستین الگوهایی باشد که طبیعت برای انتقال اطلاعات از یک ارگانیسم زنده به ارگانیسم دیگر استفاده کرده‌ است.

این کشف به مولکول برگ‌ شبدر مانندی که RNA ناقل (tRNA) نامیده می‌شود و دارای نقش کلیدی در فرایند ترجمه است، مربوط می‌شود. یک tRNA برای حمل یک اسید آمینه که واحد سازنده‌ی پروتئین است، به کارخانه‌ی سلولی تولید پروتئین یعنی ریبوزوم، طراحی شده‌است. هنگامی که یک کپی یا یک رونوشت از یک ژن که RNA پیامرسان (mRNA) نامیده می‌شود، از هسته‌ی سلول ظاهر شده و وارد ریبوزوم می‌شود، این mRNA به tRNAهای حامل اسید آمینه متصل می‌شود.

mRNA اساسا یک رشته از حروف ژنتیکی است که حاوی دستورالعمل‌های ساخت پروتئین‌ها بوده و هر tRNA یک دنباله‌ی سه حرفی روی توالی mRNA را شناسایی می‌کند. به این توالی، کدون گفته می‌شود. وقتی ملکول tRNA به کدون متصل می‌شود، ریبوزوم اسید آمینه‌ی آن را به اسید آمینه‌ای که قبل از آن آمده‌است، متصل می‌کند و طول رشته‌ی پپتیدی زیاد می‌شود. زمانی که این فرایند تکمیل شد، زنجیره‌ی اسید آمینه به عنوان یک پروتئین تازه ساخته شده، آزاد می‌شود.

ساخت پروتئین در ریبوزوم

فرایند ساخت رشته‌ی پروتئینی در ریبوزوم

پروتئین‌های موجود در بدن انسان و اکثر موجودات دیگر از ۲۰ اسید آمینه‌ی مختلف تشکیل شده‌اند. بنابراین ۲۰ نوع مجزا از مولکول‌های tRNA وجود دارد که هر کدام قادر به اتصال با یک نوع اسید آمینه‌ی خاص هستند. در مشارکت با این ۲۰ مولکول، tRNA ۲۰ آنزیم کمک‌کننده‌ی پیوند با نام سنتتاز (آمینو اسیل tRNA سنتتاز) وجود دارند که وظیفه‌ی آن‌ها بارگذاری tRNAی مربوطه با اسید آمینه‌ی صحیح است. کارتر گفت:

شما می‌توانید درمورد مجموعه‌ی این ۲۰ آنزیم سنتتاز و ۲۰ ملکول tRNA به‌عنوان یک کامپیوتر مولکولی بنگرید که تکامل آن را برای انجام ترجمه‌ی ژن به پروتئین طراحی کرده‌ است.

پوکر آنلاین

مدت‌ها است که زیست‌شناسان درمورد این کامپیوتر زیستی و منشا ایجاد آن در میلیاردها سال پیش، کنجکاوند. در سال‌های اخیر، کارتر و ویلز تمرکز مطالعات خود را روی حل این معما قرار داده بودند. برای مثال آن‌ها نشان داده‌اند که این ۲۰ آنزیم سنتتاز که در دو گروه مجزای ده آنزیمی قرار می‌گیرند، چگونه از دو آنزیم ساده‌تر اجدادی منشا گرفته‌اند. یک تقسیم‌بندی گروهی مشابه برای اسیدهای آمینه هم وجود دارد و کارتر و ویلز استدلال کرده‌اند که چنین تقسیم‌بندی گروهی درمورد tRNA هم احتمالا وجود دارد. به‌‌عبارت دیگر آن‌ها پیشنهاد می‌کنند که در آغاز حیات، موجودات زنده تنها دارای دو نوع از tRNAها بودند که در تعامل با دو نوع آنزیم سنتتاز، عمل ترجمه‌ی ژن به پروتئین را با استفاده از تنها دو نوع مختلف اسید آمینه، انجام می‌دادند. با گذشت زمان این سیستم اختصاصی‌تر شد و هر کدام از tRNAها، سنتتازها و اسید آمینه‌ها تکمیل و دچار تغییر شدند تا زمانی که به جای هر کدام از این tRNAها، سنتتازها و اسید آمینه‌های اولیه، ۱۰ نوع متمایز ایجاد شد.

ساختار ملکول tRNA

ساختار ملکول tRNA

در جدید ترین پژوهش، کارتر و ویلز مولکول‌های tRNA امروزی را برای یافتن شواهدی از این اجداد دوگانه مورد بررسی قرار دادند. برای انجام این کار آن‌ها بخش بالایی ملکول tRNA را که با عنوان ساقه‌ی پذیرنده شناخته می‌شود و محلی برای اتصال سنتتاز همکار است، مورد تجزیه‌وتحلیل قرار دادند. نتایج آن‌ها نشان داد که سه باز RNA یا همان حروف ژنتیکی، در بالای ساقه‌ی پذیرنده، حامل یک کد مخفی دیگر است که تعیین‌کننده‌ی قوانینی است و tRNAها را به دو گروه طبقه‌بندی می‌کند؛ چیزی که دقیقا با دو گروه از سنتتازها نیز مطابقت دارد. کارتر گفت:ه

ترکیبات این سه باز هستند که تعیین می‌کنند کدام گروه از سنتتازها به هر tRAN متصل شوند.

نتایج این مطالعه شواهد جدیدی در ارتباط با tRNA ارائه داد. هر tRNA امروزی در انتهای قسمت پایین خود دارای یک آنتی‌کدون است که از آن برای شناسایی و چسبیدن به یک کدون مکمل روی یک ملکول mRNA استفاده می‌کند. موقعیت آنتی‌کدون از موقعیت اتصال سنتتاز نسبتا دور است؛ اما دانشمندان از اوایل دهه‌ی ۱۹۹۰ بر این گمان بودند که زمانی tRNAها بسیار کوچک‌تر بوده‌اند و مناطق آنتی‌کدون و محل اتصال سنتتاز یک جا بوده‌ است. تجزیه‌وتحلیل ویلز و کارتر نشان می‌دهد که قوانین مرتبط با یکی از سه باز تعیین کننده‌ی گروه؛ باز شماره‌ی ۲ در ملکول tRNA کلی، عملا نشان‌دهنده‌ی ردی از آنتی‌کدون نسخه‌ی اجدادی کوتاه‌شده از ملکول tRNA امروزی است. کارتر گفت:

این یک تایید کاملا غیرمنتظره از فرضیه‌‌ای است که در حدود ۳۰ سال پیش عنوان شد.

یافته‌ها، این استدلال را که سیستم ترجمه‌ای نخستین حیات فقط دارای دو tRNA اولیه منطبق با دو نوع سنتتاز و دو نوع اسید آمینه بوده‌ است، قوت می‌بخشد. با تکامل سیستم در جهت شناسایی و تلفیق اسید آمینه‌های جدید، ترکیبات جدیدی از بازهای tRNA در منطقه‌ی اتصال سنتتاز ایجاد شد تا بتواند با این پیچیدگی‌های در حال رشد، سازگار شود؛ اما به شیوه‌ای که ردپایی قابل تشخیص از توالی‌های اولیه به جای ماند. کارتر گفت:

این سه باز تعریف‌کننده‌ی گروه، در tRNAهای امروزی، شبیه یک نسخه‌ی خطی قرون وسطایی هستند که متون اصلی آن‌ها از بین رفته‌ و با متون جدیدتر جایگزین شده‌ است.

یافته‌های فوق امکان ریشه‌یابی دقیق‌تر منشا کد ژنتیکی را فراهم می‌کنند. علاوه بر این ممکن است ساخت مجدد نسخه‌های سیستم اولیه ترجمه در آزمایشگاه و حتی تکامل آن به اشکال مدرن‌تر امکان‌پذیر شود. این نتایج همچنین نشان‌دهنده‌ی این هستند که چگونه زندگی از حالت ساده‌ترین مولکول‌ها به سلول‌ها و ارگانیسم‌های پیچیده تکامل پیدا کرد

تکامل گیاهان برای به خدمت گرفتن مورچه‌ها و سایر حشرات

تکامل گیاهان برای به خدمت گرفتن مورچه‌ها و سایر حشرات

پژوهشگران با مطالعه تاریخچه ژنتیکی مورچه‌ها و گیاهان تاریخچه تکامل مرتبط با هم این دو گونه را توصیف کردند.

به گمان بسیاری از ما گیاهان موجوداتی خسته‌کننده هستند. آن‌ها فقط یک جا نشسته‌ و فوتوسنتز می‌کنند! این در حالی است که حیوانات را موجودات بسیار سرگرم‌کننده‌ای می‌یابیم. البته این تفکر چندان هم درست نیست. نگاهی به تعاملات بین مورچه‌ها و گیاهان بیندازید؛ در گیاهان طی تکامل خصوصیاتی خاص ایجاد شده است که آن‌ها را برای مورچه‌ها جذاب می‌کند، مثل تولید شهدی که مورچه‌ها آن را دوست دارند و خارهای توخالی برای اینکه مورچه‌ها در آن سکنی گزینند.

در عوض، گیاهان از مورچه‌ها برای پراکنده کردن بذرها و حتی به‌عنوان نگهبان خود استفاده می‌کنند. در مطالعه‌ی جدیدی که در ژورنال Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است، تاریخچه‌ی ژنتیکی ۱۷۰۰ گونه مورچه‌ و ۱۰ هزار جنس از گیاهان مورد تجریه‌و‌تحلیل قرار گرفته است و پژوهشگران به این نتیجه رسیده‌اند که تاریخچه‌ی طولانی تکامل مرتبط با همِ مورچه و گیاه با چرا کردن مورچه‌ها روی گیاهان و سپس ایجاد صفات دوستانه برای مورچه‌ها در گیاه آغاز شده است. مت نلسن نویسنده‌ی مقاله می‌گوید:

من به‌دنبال این هستم که بدانم چگونه تعاملات بین موجودات تکامل پیدا می‌کنند و اینکه چگونه این تعاملات، تاریخچه‌ی تکاملی آن‌ها را شکل می‌دهند. چه زمانی مورچه‌ها شروع به استفاده از گیاهان کردند و چه زمانی گیاهان شروع به ایجاد ساختارهایی برای استفاده‌ی مورچه‌ها کردند؟ در برخی گیاهان ساختارهای متعددی وجود دارد که گیاه را برای استفاده‌ی مورچه‌ها مناسب می‌کند. در برخی از گیاهان نیز طی تکامل ویژگی‌هایی پدیدار شده است که مورچه‌ها را ترغیب می‌کند تا از گیاه در برابر حمله‌ی دیگر حشرات و پستانداران دفاع کنند.

تکامل مورچه و گیاهگیاهی که طی تکامل دارای خارهای توخالی برای سرپناه گرفتن مورچه‌ها شده است. در عوض مورچه‌ها از گیاه در برابر حمله‌ی دیگر حشرات و پستانداران دفاع می‌کنند.

پوکر آنلاین

نلسن توضیح می‌دهد:

این ساختارها شامل خارهای توخالی برای زندگی مورچه‌ها یا شهدی روی برگ‌ها و ساقه‌ها برای مصرف مورچه‌ها هستند. برخی از مورچه‌ها حیله‌ای پیاده کرده و شهد را بر برداشته و فرار می‌کنند؛ اما برخی در همان حوالی می‌مانند و به هر چیزی که بخواهد به گیاه آسیب برساند، حمله می‌کنند.

برخی گیاهان برای انتشار بذرهای خود از مورچه‌ها کمک می‌گیرند. روی بذر این گیاهان ساختاری غنی از چربی و پروتئینی (elaiosome) وجود دارد که موجب جذب مورچه‌ها می‌شود. مورچه‌ها دانه‌ها را برداشته و با خود می‌برند، بخش غذایی آن‌ها می‌خورند و بقیه را دور می‌اندازند؛ اغلب در منطقه‌ای غنی از مواد مغذی که رشد دانه در آن جا بهتر خواهد بود و از آن جایی که دانه از والدین خود فاصله پیدا می‌کند، نیازی نیست که بر سر منابع با هم رقابتی داشته باشند.

اما دانشمندان درمورد اینکه چگونه ارتباط تکاملی بین مورچه‌ها و گیاهان شکل گرفته‌است، چیزی نمی‌دانستند. آیا گیاهان برای اولین بار در جهت به خدمت گرفتن مورچه‌ها تکامل پیدا کردند؟ یا اینکه مورچه‌ها از گیاهان استفاده کردند؟

ری، کارشناس گیاهی موزه‌ی تاریخ طبیعی فیلد می‌گوید:

این یک سوال مرغ و تخم‌مرغ است که آیا این مورچه‌ها بودند که رفتارهایی در جهت بهره بردن از گیاهان توسعه دادند، یا اینکه اول گیاهان ساختارهایی برای سود رساندن به مورچه‌ها ایجاد کردند. تاریخچه‌ی تکامل توامان مورچه‌ها و گیاهان به زمان دایناسورها بر می‌گردد و این آسان نیست که از روی فسیل‌ها بگوییم موجودات چگونه با هم تعامل داشته‌اند.

بذربذر برخی از گیاهان طی تکامل دارای ساختاری غنی از چربی و پروتئین شده که موجب جذب مورچه ها می‌شود

نلسن می‌گوید:

رکوردهای فسیلی بسیار کمی از این ساختارها در گیاهان موجود است و در حالیکه مقادیر زیادی فسیل مورچه وجود دارد؛ ولی آن‌ها معمولا نشان‌دهنده‌ی رفتار مورچه‌ها نیستند؛ ما لزوما یک مورچه را که در حال حمل بذر در صمغ یک درخت فسیل شده باشد، نمی‌بینیم.

برای مطالعه‌ی تارخچه‌ی تکاملی اولیه‌ی تعاملات بین مورچه و گیاه، نلسن و همکارانش از حجم زیادی از اطلاعات DNA و پایگاه‌های داده‌ای اکولوژیکی استفاده کردند. مورو از کارشناسان بخش مورچه موزه گفت:

ما ویژگی‌های رفتاری و فیزیکی را با شجره فامیلی مورچه‌ها و درختان ارتباط دادیم تا تعیین کنیم که چه موقع مورچه‌ها شروع به تغذیه و زیستن روی درختان کرده‌اند و چه زمانی گیاهان دارای قابلیت ایجاد ساختارهایی که مورچه‌ها از آن‌ها استفاده کنند، شدند.

پژوهشگران تاریخچه‌ی صفات دوستی با مورچه در گیاه و تاریخچه‌ی استفاده‌ی مورچه از گیاه را در خانواده این درختان مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها توانستند زمانی را که گیاهان برای دفاع از خود و انتشار بذر، شروع به استفاده از مورچه‌ها کردند، مشخص کنند. ظاهرا اول این مورچه‌ها بوده‌اند که برای زندگی به گیاهان پناه آورده‌اند؛ چرا که این ساختارهای تخصصی در گیاهان، مدت‌ها پس از این که مورچه‌ها برای غذا و جا به گیاهان متکی شده بودند، پدید آمده است. برخی از مورچه‌ها به‌طور مستقیم استفاده‌ی زیادی از گیاهان نمی‌برند؛ اما برخی از آن‌ها برای غذا، چرا و آشیانه‌سازی به آن‌ها متکی هستند. نلسون می‌گوید:

ما دریافتیم که طی مسیر سرمایه‌گذاری روی گیاهان، مورچه‌ها ابتدا برای یافتن غذا به چرا روی درختان پرداخته‌اند. در ادامه آن‌ها این گیاهان را وارد رژیم غذایی خود کرده و سپس آغاز به آشیانه‌سازی در آن‌ها کرده‌اند.

اگرچه برای سال‌ها یک رابطه‌ی منفعتی متقابل بین مورچه‌ها و گیاهان وجود داشته است؛ ولی ظاهرا از دیدگاه تکاملی مورچه‌هایی که از گیاهان تغذیه و چرا می‌کنند یا در آن‌ها آشیانه می‌سازند، هیچ برتری نسبت به انواعی که این کارها را انجام نمی‌دهند، ندارند. نلسون می‌گوید:

در بخش‌هایی از شجره‌ی فامیلی مورچه‌ها که در آن مورچه‌های استفاده‌کننده از گیاه حضور دارند، ما هیچ‌گونه رشد یا تنوع بیشتری نسبت به بخش‌هایی که این اثرات متقابل را با گیاهان ندشته‌اند، نمی‌بینیم. در مجموع می‌توان گفت که این مطالعه، مطالعه‌ی مهمی است؛ زیرا دانشی در مورد اینکه چگونه این اثرات متقابل گسترده و پیچیده تکامل پیدا می‌کنند، فراهم می‌کند.