KOOROSH1981
عضو جدید
2
زمینی که سبز نبود
تقریباً ۳.۸ میلیارد سال پیش، دمای زمین بین ۴۹ تا ۸۸ درجه سانتیگراد متغیر بود. جو زمین مملو از دی اکسید کربن، نیتروژن، بخار آب، هیدروژن، سولفید هیدروژن، آمونیاک و متان بود. اکسیژن در جو وجود نداشت. لایه اوزون وجود نداشت و به همین دلیل پرتو فرابنفش بی هیچ حفاظی به زمین می رسید. آتشفشان ها فعالیت زیادی داشتند. ابرها بخشهای وسیعی از آسمان را می پوشاندند و بارش و رعد و برق های متعددی اتفاق می افتاد.
آیا مولکول های زیستی از ماده بیجان پدید می آیند؟
برای پاسخ به این پرسش در دهه ۱۹۵۰، هارولد اوری [۴] و استنلی میلر [۵] آزمایش هایی را انجام دادند. آنها مخلوطی از متان، آمونیاک، آب و هیدروژن را در معرض تخلیه های الکتریکی مشابه صاعقه قرار دادند. این آزمایش ها به صورت کاملاً غیرتصادفی (تکرار پذیر) منجر به تولید مخلوطی از ترکیبات آلی زیستی مانند اسیدهای آمینه ی آلانین، گلایسین، اسید گلوتامیک و لوسین می شدند. با افزودن یکی دیگر از مواد زمین اولیه یعنی سیانید هیدروژن مولکول های زیستی دیگری مانند آدنین (مورد نیاز برای ساخت DNA و RNA) تولید شد. امروزه با پیشرفت علم شیمی تجزیه مشخص شده است که در آزمایش اوری-میلر بیش از ۱۳۰ ترکیب زیستی مختلف تولید می شود. باید توجه داشت که ترکیبات شیمیایی استفاده شده در این آزمایش بسیار کمتر از تعداد مواد موجود در زمین اولیه است و نکته دوم اینکه نیروهای موجود در آزمایش بسیار محدودتر از نیروهای موجود در طبیعت است. نکته سوم زمان اندک آزمایش است. تاکنون آزمایش های فراوانی از این دست صورت پذیرفته است و هر بار با طبیعی تر کردن آزمایش ها تنوع و مقدار مواد زیستی تولید شده افزایش چشمگیری پیدا کرده است.
شکل ۲انواع مختلفی از این آزمایش ها انجام شده و در همه موارد مولکول های زیستی تولید شده اند. پس از این آزمایش ها، پژوهش های مختلفی در این زمینه انجام شد و مشخص شد که مولکول های تولید شده در این آزمایش ها می توانند بصورت خود به خود با هم واکنش داده و مولکول های متنوع دیگری را پدید آورند. همچنین در اثر این واکنش ها مولکول های خطی زیستی نیز تولید می شوند.
آیا مولکول ها هم فرگشت می یابند؟
سل اسپیگلمن [۶] در سال ۱۹۶۷ این موضوع را بر روی یک مولکول RNA آزمایش کرد. [۷] این RNA طولی برابر با 3300b دارد و در حضور نوعی پروتئین[8] در زمان 20 دقیقه تولید مثل می کند. توجه کنید که در لوله آزمایش تنها RNA و پروتئین تکثیر کننده ی آن وجود داشت، نه سلول. اسپیگلمن مشاهده کرد که در شرایط عادی تمام جمعیت های تولید شده طولی معادل 3300b دارند و مشابه مولکول های اولیه هستند. او با تغییر شرایط لوله آزمایش، زمان تولید مثل را از ۲۰ دقیقه به ۵ دقیقه رساند. پس از ۷۵ نسل جمعیت موجود در لوله آزمایش 550b طول داشتند و ۱۵ بار سریعتر از مولکول های اولیه تولید مثل می کردند. اسپیگلمن تغییرات محیطی دیگری مانند افزودن مهار کننده ها یا محدود کردن مواد مورد نیاز برای تولید مثل را اعمال کرد و مشاهده کرد که در هر حالتی پس از چند نسل مولکول ها به شکلی تغییر کرده اند که بتوانند در شرایط جدید با بالاترین کارایی ممکن تولید مثل کنند.
پس از آن دانشمندان آزمایش های متعددی را برروی انواع مولکول ها انجام دادند و فرگشت مولکولی را مشاهده و بررسی کرده اند. امروزه این فرآیندها در سیستم های شبیه سازی فرگشت مولکولی به نام SLEX مطالعه می شوند.
مرغ یا تخم مرغ؟
اکثر واکنش های های زیستی بوسیله آنزیم ها تسریع می شوند. در شیمی به چنین مولکول هایی کاتالیزور می گویند. تقریباً تمامی آنزیم ها از جنس پروتئین هستند. بدون وجود آنزیم، واکنش های زیستی بین چند ساعت تا چند هزار سال زمان می برند، ولی آنزیم ها سرعت این واکنش ها را به چند هزارم تا چند میلیونم ثانیه می رسانند. یکی از واکنش هایی که نیازمند به آنزیم است تکثیر DNA می باشد.
ماده ی ژنتیکی اکثر موجودات زنده از DNA ساخته شده است. DNA برای تولید مثل نیاز به پروتئین (آنزیم) دارد و پروتئین از روی DNA ساخته می شود. حال کدام مولکول می تواند آغازگر حیات باشد در حالی که تولید هر کدام به دیگری وابسته است؟
سوال قدیمی «اول مرغ بود یا تخم مرغ؟» جواب مشخصی در زیست شناسی دارد: هیچکدام، اجداد مرغ.
پاسخ به سوال «اول DNA بود یا پروتئین» نیز چنین پاسخی دارد: هیچکدام، RNA.
RNA نخستین مولکول
تا پیش از دهه ۱۹۸۰ تصور می شد که تمام آنزیم ها از جنس پروتئین هستند. سپس، تام کچ [۹] و سیدنی آلتمن [۱۰] کشف کردند که برخی از مولکول های RNA خاصیت آنزیمی دارند. پس از آن صدها RNA ی مختلف با خاصیت آنزیمی کشف شد. پس از این کشف ها، فرانسیس کریک [۱۱] بیان کرد که RNA اولین مولکول زیستی بوده است.
شکل ۳RNA، مولکولی شبیه به DNA و نوعی کد ژنتیکی است که تفاوت آن در داشتن یک اتم اکسیژن بیشتر از DNA است. همین اتم اکسیژن است که موجب می شود RNA بتواند طیف وسیعی از واکنش ها را به صورت آنزیمی تسریع کند. برخی مولکول های RNA مثل IVS-19 واکنش ساخته شدن RNA ها را انجام می دهند. به عبارت دیگر، RNA می تواند RNA بسازد.
جهان RNA
با آغاز حیات مولکولی، مواد زیستی که از ماده بیجان بوجود آمده بودند، برای تولید RNA های جدید استفاده می شد. جهش ها باعث بوجود آمدن RNA های جدید می شد که با والد خود اندکی تفاوت داشتند. بزودی سوپ اولیه حیات بوجود آمد که مخلوطی از هزاران نوع RNA ی مختلف بود. RNA می تواند اتصال اسیدهای آمینه به یکدیگر را کاتالیز [تسریع] کند. در نتیجه از جمله مولکول هایی که در این زمان تولید شد، پروتئین ها بودند. پروتئین ها خاصیت آنزیمی بسیار بیشتری دارند و طیف واکنش هایی که به وسیله آنها می تواند انجام شود بسیار بیشتر از RNA است.
انرژی، مسئله این است
تا به این جای نوشتار درباره حرکت اتوموبیلی صحبت می کردیم که انگار در باکش بنزین نداشت. تولید مثل و واکنش های مولکول ها نیاز به انرژی دارد. انرژی واکنش ها در سوپ اولیه ی حیات از کجا تامین می شد؟
انرژی الکتریکی یا برق، شکل رایج انرژی در خانه ها و شهرها است. در موجودات زنده نیز مولکولی پر انرژی به نام ATP، نقش سوخت رایج در بین همه سلول ها و جانوران بر عهده دارد. همانطور که در آزمایش اوری-میلر مشاهده کردیم، اسیدهای آمینه مانند گلایسین به مقدار بسیار بالایی به صورت خود به خود تولید می شده است. با شکسته شدن این اسید آمینه ها، ATP تولید می شود. همچنین واکنش هایی شیمیایی در دهانه آتشفشان ها انجام می شود که منجر به تولید ATP و دیگر مولکول های پر انرژی می شوند.
از RNA به DNA
RNA مولکول بسیار مقاومی است اما مقاومت DNA در برابر تجزیه و آسیب تقریباً صد برابر بیشتر است. همچنین DNA توانایی تشکیل مولکول های دورشته ای را دارد که مزایای گوناگونی را ایجاد می کند. همانطور که پیش تر گفته شد تفاوت این دو مولکول تنها در یک اتم اکسیژن است. با بوجود آمدن انواع متفاوتی از پروتئین ها، واکنش های متعددی امکان پذیر شد که یکی از آنها تبدیل پیش سازهای RNA به پیش سازهای DNA بود [۱۲]. با بوجود آمدن DNA وظیفه حفظ و انتقال اطلاعات ژنتیکی بر دوش مولکول پایداری سپرده شد که می تواند طول زیادی داشته باشد، به عبارتی دیگر توانایی ذخیره اطلاعات بسیار بیشتری را دارد.
نخستین سلول ها
یکی از موادی که در اثر وجود پروتئین ها تولید می شود، فسفولیپید ها یعنی مولکولهای سازنده ی غشاء سلول است. فسفولیپید ها، مولکول هایی دو قطبی هستند. همانطور که همه ی ما تجربه کرده ایم با استفاده از آب-صابون می توان به سادگی صدها حباب تولید کرد. (حباب ها ساختار مولکولی پیچیده ای دارند، ولی توسط فوت کردن ساده ی بچه ها درست می شوند) ( ن.ک برهان نظم و مسئله گزینش فزاینده) مولکول های صابون دو قطبی هستند. فسفولیپیدها نیز چنین خاصیتی دارند و در اثر تکان های آب، محفظه های حباب مانند میکروسکوپی تولید می کنند. تولید میلیونها محفظه ی کوچک در مکانی که میلیون ها مولکول در حال زندگی هستند به طور حتم سبب می شود که تعدادی از این مولکول ها در درون این محفظه ها قرار بگیرند.
شکل ۴قرار گرفتن مولکول ها در درون یک محیط بسته مزایای زیادی مثل افزایش سرعت واکنش ها را در بر دارد. همچنین مواد تولید شده بوسیله مولکول ها در محیط پخش نمی شود و در دسترس تولید کنندگان باقی می ماند. خصوصیات متعدد سلول باعث می شود که سرعت فرگشت آن بسیار بالاتر از حیات مولکولی باشد [۱۳].
پروکایوت ها [۱۴]
سلول های ساده ی اولیه کم کم به شکلی از سلول تبدیل شدند که در زبان علمی به آنها پروکاریوت می گویند؛ که همان باکتری ها هستند. رقابت و انتخاب طبیعی موجب پیشرفته تر شدن سلول ها برای کسب شانس بقای بیشتر می شود.
پروکاریوت ها سرعت تولید مثل و فرگشت بالایی دارند. این سلولها توانایی زندگی در سخت ترین شرایط را دارا هستند. باکتری هایی وجود دارند که در دمای ۱۰۰ و حتی تا ۲۵۰ درجه سانتیگراد زندگی می کنند. برخی از باکتری ها در اسیدهای سوزان یا آب های بسیار شور هم به حیات خود ادامه می دهند. اولین سلول ها نیز پروکاریوت بودند که توانایی زندگی در بدترین شرایط ممکن را دارند.
شکل ۵
زمینی که سبز نبود
تقریباً ۳.۸ میلیارد سال پیش، دمای زمین بین ۴۹ تا ۸۸ درجه سانتیگراد متغیر بود. جو زمین مملو از دی اکسید کربن، نیتروژن، بخار آب، هیدروژن، سولفید هیدروژن، آمونیاک و متان بود. اکسیژن در جو وجود نداشت. لایه اوزون وجود نداشت و به همین دلیل پرتو فرابنفش بی هیچ حفاظی به زمین می رسید. آتشفشان ها فعالیت زیادی داشتند. ابرها بخشهای وسیعی از آسمان را می پوشاندند و بارش و رعد و برق های متعددی اتفاق می افتاد.
آیا مولکول های زیستی از ماده بیجان پدید می آیند؟
برای پاسخ به این پرسش در دهه ۱۹۵۰، هارولد اوری [۴] و استنلی میلر [۵] آزمایش هایی را انجام دادند. آنها مخلوطی از متان، آمونیاک، آب و هیدروژن را در معرض تخلیه های الکتریکی مشابه صاعقه قرار دادند. این آزمایش ها به صورت کاملاً غیرتصادفی (تکرار پذیر) منجر به تولید مخلوطی از ترکیبات آلی زیستی مانند اسیدهای آمینه ی آلانین، گلایسین، اسید گلوتامیک و لوسین می شدند. با افزودن یکی دیگر از مواد زمین اولیه یعنی سیانید هیدروژن مولکول های زیستی دیگری مانند آدنین (مورد نیاز برای ساخت DNA و RNA) تولید شد. امروزه با پیشرفت علم شیمی تجزیه مشخص شده است که در آزمایش اوری-میلر بیش از ۱۳۰ ترکیب زیستی مختلف تولید می شود. باید توجه داشت که ترکیبات شیمیایی استفاده شده در این آزمایش بسیار کمتر از تعداد مواد موجود در زمین اولیه است و نکته دوم اینکه نیروهای موجود در آزمایش بسیار محدودتر از نیروهای موجود در طبیعت است. نکته سوم زمان اندک آزمایش است. تاکنون آزمایش های فراوانی از این دست صورت پذیرفته است و هر بار با طبیعی تر کردن آزمایش ها تنوع و مقدار مواد زیستی تولید شده افزایش چشمگیری پیدا کرده است.
شکل ۲آیا مولکول ها هم فرگشت می یابند؟
سل اسپیگلمن [۶] در سال ۱۹۶۷ این موضوع را بر روی یک مولکول RNA آزمایش کرد. [۷] این RNA طولی برابر با 3300b دارد و در حضور نوعی پروتئین[8] در زمان 20 دقیقه تولید مثل می کند. توجه کنید که در لوله آزمایش تنها RNA و پروتئین تکثیر کننده ی آن وجود داشت، نه سلول. اسپیگلمن مشاهده کرد که در شرایط عادی تمام جمعیت های تولید شده طولی معادل 3300b دارند و مشابه مولکول های اولیه هستند. او با تغییر شرایط لوله آزمایش، زمان تولید مثل را از ۲۰ دقیقه به ۵ دقیقه رساند. پس از ۷۵ نسل جمعیت موجود در لوله آزمایش 550b طول داشتند و ۱۵ بار سریعتر از مولکول های اولیه تولید مثل می کردند. اسپیگلمن تغییرات محیطی دیگری مانند افزودن مهار کننده ها یا محدود کردن مواد مورد نیاز برای تولید مثل را اعمال کرد و مشاهده کرد که در هر حالتی پس از چند نسل مولکول ها به شکلی تغییر کرده اند که بتوانند در شرایط جدید با بالاترین کارایی ممکن تولید مثل کنند.
پس از آن دانشمندان آزمایش های متعددی را برروی انواع مولکول ها انجام دادند و فرگشت مولکولی را مشاهده و بررسی کرده اند. امروزه این فرآیندها در سیستم های شبیه سازی فرگشت مولکولی به نام SLEX مطالعه می شوند.
مرغ یا تخم مرغ؟
اکثر واکنش های های زیستی بوسیله آنزیم ها تسریع می شوند. در شیمی به چنین مولکول هایی کاتالیزور می گویند. تقریباً تمامی آنزیم ها از جنس پروتئین هستند. بدون وجود آنزیم، واکنش های زیستی بین چند ساعت تا چند هزار سال زمان می برند، ولی آنزیم ها سرعت این واکنش ها را به چند هزارم تا چند میلیونم ثانیه می رسانند. یکی از واکنش هایی که نیازمند به آنزیم است تکثیر DNA می باشد.
ماده ی ژنتیکی اکثر موجودات زنده از DNA ساخته شده است. DNA برای تولید مثل نیاز به پروتئین (آنزیم) دارد و پروتئین از روی DNA ساخته می شود. حال کدام مولکول می تواند آغازگر حیات باشد در حالی که تولید هر کدام به دیگری وابسته است؟
سوال قدیمی «اول مرغ بود یا تخم مرغ؟» جواب مشخصی در زیست شناسی دارد: هیچکدام، اجداد مرغ.
پاسخ به سوال «اول DNA بود یا پروتئین» نیز چنین پاسخی دارد: هیچکدام، RNA.
RNA نخستین مولکول
تا پیش از دهه ۱۹۸۰ تصور می شد که تمام آنزیم ها از جنس پروتئین هستند. سپس، تام کچ [۹] و سیدنی آلتمن [۱۰] کشف کردند که برخی از مولکول های RNA خاصیت آنزیمی دارند. پس از آن صدها RNA ی مختلف با خاصیت آنزیمی کشف شد. پس از این کشف ها، فرانسیس کریک [۱۱] بیان کرد که RNA اولین مولکول زیستی بوده است.
شکل ۳جهان RNA
با آغاز حیات مولکولی، مواد زیستی که از ماده بیجان بوجود آمده بودند، برای تولید RNA های جدید استفاده می شد. جهش ها باعث بوجود آمدن RNA های جدید می شد که با والد خود اندکی تفاوت داشتند. بزودی سوپ اولیه حیات بوجود آمد که مخلوطی از هزاران نوع RNA ی مختلف بود. RNA می تواند اتصال اسیدهای آمینه به یکدیگر را کاتالیز [تسریع] کند. در نتیجه از جمله مولکول هایی که در این زمان تولید شد، پروتئین ها بودند. پروتئین ها خاصیت آنزیمی بسیار بیشتری دارند و طیف واکنش هایی که به وسیله آنها می تواند انجام شود بسیار بیشتر از RNA است.
انرژی، مسئله این است
تا به این جای نوشتار درباره حرکت اتوموبیلی صحبت می کردیم که انگار در باکش بنزین نداشت. تولید مثل و واکنش های مولکول ها نیاز به انرژی دارد. انرژی واکنش ها در سوپ اولیه ی حیات از کجا تامین می شد؟
انرژی الکتریکی یا برق، شکل رایج انرژی در خانه ها و شهرها است. در موجودات زنده نیز مولکولی پر انرژی به نام ATP، نقش سوخت رایج در بین همه سلول ها و جانوران بر عهده دارد. همانطور که در آزمایش اوری-میلر مشاهده کردیم، اسیدهای آمینه مانند گلایسین به مقدار بسیار بالایی به صورت خود به خود تولید می شده است. با شکسته شدن این اسید آمینه ها، ATP تولید می شود. همچنین واکنش هایی شیمیایی در دهانه آتشفشان ها انجام می شود که منجر به تولید ATP و دیگر مولکول های پر انرژی می شوند.
از RNA به DNA
RNA مولکول بسیار مقاومی است اما مقاومت DNA در برابر تجزیه و آسیب تقریباً صد برابر بیشتر است. همچنین DNA توانایی تشکیل مولکول های دورشته ای را دارد که مزایای گوناگونی را ایجاد می کند. همانطور که پیش تر گفته شد تفاوت این دو مولکول تنها در یک اتم اکسیژن است. با بوجود آمدن انواع متفاوتی از پروتئین ها، واکنش های متعددی امکان پذیر شد که یکی از آنها تبدیل پیش سازهای RNA به پیش سازهای DNA بود [۱۲]. با بوجود آمدن DNA وظیفه حفظ و انتقال اطلاعات ژنتیکی بر دوش مولکول پایداری سپرده شد که می تواند طول زیادی داشته باشد، به عبارتی دیگر توانایی ذخیره اطلاعات بسیار بیشتری را دارد.
نخستین سلول ها
یکی از موادی که در اثر وجود پروتئین ها تولید می شود، فسفولیپید ها یعنی مولکولهای سازنده ی غشاء سلول است. فسفولیپید ها، مولکول هایی دو قطبی هستند. همانطور که همه ی ما تجربه کرده ایم با استفاده از آب-صابون می توان به سادگی صدها حباب تولید کرد. (حباب ها ساختار مولکولی پیچیده ای دارند، ولی توسط فوت کردن ساده ی بچه ها درست می شوند) ( ن.ک برهان نظم و مسئله گزینش فزاینده) مولکول های صابون دو قطبی هستند. فسفولیپیدها نیز چنین خاصیتی دارند و در اثر تکان های آب، محفظه های حباب مانند میکروسکوپی تولید می کنند. تولید میلیونها محفظه ی کوچک در مکانی که میلیون ها مولکول در حال زندگی هستند به طور حتم سبب می شود که تعدادی از این مولکول ها در درون این محفظه ها قرار بگیرند.
شکل ۴پروکایوت ها [۱۴]
سلول های ساده ی اولیه کم کم به شکلی از سلول تبدیل شدند که در زبان علمی به آنها پروکاریوت می گویند؛ که همان باکتری ها هستند. رقابت و انتخاب طبیعی موجب پیشرفته تر شدن سلول ها برای کسب شانس بقای بیشتر می شود.
پروکاریوت ها سرعت تولید مثل و فرگشت بالایی دارند. این سلولها توانایی زندگی در سخت ترین شرایط را دارا هستند. باکتری هایی وجود دارند که در دمای ۱۰۰ و حتی تا ۲۵۰ درجه سانتیگراد زندگی می کنند. برخی از باکتری ها در اسیدهای سوزان یا آب های بسیار شور هم به حیات خود ادامه می دهند. اولین سلول ها نیز پروکاریوت بودند که توانایی زندگی در بدترین شرایط ممکن را دارند.
شکل ۵
آخرین ویرایش:
