RNA and proteins joined up at the origins of Life: Persistence is the point

إن الحياة كما نعرفها مبنية على شراكة بين نوعين مختلفين تماماً من الجزيئات. النوع الأول، وهو الأحماض النووية، يعمل كمكتبة للحياة، حيث يخزن التعليمات اللازمة لبناء كل شيء آخر. أما النوع الآخر، وهو البروتينات، فيعمل كقوة عاملة، حيث يؤدي المهام الكيميائية التي تبقي الخلية حية وتنمو. لعقود من الزمن، ظل العلماء يتساءلون عن كيفية بدء هذه الشراكة. الفكرة السائدة، المعروفة باسم فرضية "عالم الحمض النووي الريبوزي (RNA)"، تقترح أن الحياة بدأت بجزيء واحد فقط: الـ RNA، الذي يمكنه تخزين المعلومات والقيام ببعض العمل الكيميائي في آن واحد. ومع ذلك، تواجه هذه الرؤية صعوبة في تفسير كيف يمكن لجزيء واحد أن يدير كلا الدورين بدقة كافية لبدء سلالة تستمر وتتطور. وهناك احتمال آخر وهو أن البروتينات جاءت أولاً، لكنها تفتقر إلى القدرة على نسخ نفسها بشكل موثوق. يبقى السؤال الجوهري: كيف دمج هذان النظامان المتميزان قواهما لخلق أول الخلايا الحية؟

اقترح باحثان من جامعة ستوني بروك، وهما محمد سوايلم وكين أ. ديل، طريقة جديدة للتفكير في قصة الأصل هذه. فبدلاً من السؤال عن أي جزيء جاء أولاً، يسألان كيف يمكن للاثنين أن يساعدا بعضهما البعض على البقاء منذ البداية. تشير أعمالهما إلى أن المفتاح لم يكن الكمال في أي من الجزيئين، بل في تقسيم العمل الذي سمح لهما بدفع بعضهما البعض نحو الوجود. ومن خلال الجمع بين نقاط القوة في كل منهما، يجادلان بأن الحياة يمكن أن تظهر حتى لو كانت الأجزاء الفردية بعيدة عن الكمال.

لفهم منطقهم، من المفيد النظر في كيفية عمل التطور كعملية قائمة على التجربة والخطأ. تخيل مجتمعاً من الجزيئات البسيطة ذاتية التضاعف. من حين لآخر، يحدث خطأ أثناء النسخ، مما يؤدي إلى إنشاء نسخة جديدة. إذا كانت هذه النسخة الجديدة أفضل في البقاء أو في صنع النسخ، فستصبح أكثر شيوعاً، بينما تختفي النسخ الأضعف. هذا هو محرك الانتقاء الطبيعي. ولكن لكي يعمل هذا المحرك، يجب أن يحدث شيئان متميزان: وسيلة لتوليد تغييرات عشوائية (التجربة)، ووسيلة لاختبار أي التغييرات هي الأفضل (الخطأ). يرى الباحثان أن نوعي الجزيئات في خلايانا مناسبان تماماً لهذه المهام المنفصلة.

الأحماض النووية، مثل DNA وRNA، صلبة ومستقرة. تسمح بنيتها بتخزين المعلومات دون التأثر بسهولة بمحيطها؛ فهي ممتازة في كونها مخططاً يحمل التعليمات دون تغييرها. ومع ذلك، فهي ليست جيدة جداً في القيام بالعمل الكيميائي. في المقابل، البروتينات مرنة ومتنوعة، حيث تنطوي في أشكال معقدة تسمح لها بالعمل كأدوات، مما يسرع التفاعلات ويبني الهياكل. لكن البروتينات ضعيفة في تخزين المعلومات؛ إذ يصعب قراءتها ونسخها بدقة. وفي رؤية الباحثين، احتاج التطور إلى نظام حيث يمكن تغيير "المخطط" عشوائياً دون تحيز، بينما يمكن اختبار "الأدوات" لقدرتها على مساعدة النظام على النمو.

بنى المؤلفون نموذجاً حاسوبياً لاختبار ما يحدث عندما تتفاعل هذه الجزيئات. بدأوا بسيناريو حيث لم يكن أي من الجزيئين جيداً في مهمته؛ فالأحماض النووية لم تكن دقيقة جداً في نسخ نفسها، والبروتينات لم تكن جيدة جداً في المساعدة في عملية النسخ تلك. في عالم تعمل فيه هذه الجزيئات بمفردها، ستتلاشى ببساطة. أظهر النموذج أنه بدون مساعدة، سينكمش تعداد هذه الجزيئات حتى تختفي، عاجزة عن التغلب على معدل تفككها أو تخفيفها.

ومع ذلك، عندما سمح الباحثون لهذين الجزيئين بالعمل معاً، تغيرت النتيجة بشكل جذري. في نموذجهم، ساعدت البروتينات الأحماض النووية على نسخ نفسها بفعالية أكبر، بينما وفرت الأحماض النووية التعليمات لصنع البروتينات. خلق هذا حلقة تغذية راجعة. وحتى لو كان النسخ غير دقيق وكانت البروتينات مفيدة بشكل متوسط فقط، فإن الجمع بينهما سمح للنظام بالنمو. وجد الباحثون أن الجزيئين يمكنهما إنقاذ بعضهما البعض؛ فالحمض النووي الذي لا يجيد النسخ جيداً يمكنه البقاء إذا اقترن ببروتين بارع جداً في المساعدة. وعلى العكس من ذلك، يمكن للبروتين الذي ليس فعالاً للغاية أن يستمر إذا اقترن بحمض نووي دقيق للغاية.

هذه العلاقة هي ما يسميه الباحثون "جبهة باريتو" (Pareto front)، وهو مفهوم يصف حالة يمكنك فيها المقايضة بميزة مقابل أخرى. في عمليات المحاكاة التي أجروها، وجدوا حدوداً واضحة بين عالم تموت فيه الجزيئات وعالم تزدهر فيه. في أحد جانبي هذا الخط، تكون الجزيئات أضعف من أن تبقى على قيد الحياة، وفي الجانب الآخر، تشكل وحدة تعاونية تنمو وتستمر. والمكتشف الأكثر إثارة هو أن هذا الانتقال لا يتطلب أن يكون كلا الجزيئين مثاليين، بل يتطلب فقط أن يكونا جيدين بما يكفي عند اجتماعهما. يوضح النموذج أن نظاماً يحتوي على أحماض نووية ضعيفة وبروتينات قوية يمكنه البقاء بنفس قدر نظام يحتوي على أحماض نووية قوية وبروتينات ضعيفة، طالما أنهما مرتبطان.

نظر الباحثون أيضاً في مدى استمرار هذه الأنظمة. وجدوا أن الجزيء الواحد، الذي يعمل بمفرده، له عمر قصير جداً؛ فهو يتحلل بسرعة، وبدون وسيلة لنسخ نفسه بدقة، تنتهي سلالته فوراً. ولكن عندما توحد هذان الجزيئان قواهما، يكتسب النظام بأكمله عمراً أطول بكثير. يمكن لسلالة هذه الوحدات التعاونية أن تستمر لفترة طويلة، وهي فترة أطول بكثير مما يمكن لأي جزيء منفرد أن يعيشه بمفرده. وهذا الاستمرار هو ما يحدده الباحثون على أنه البداية الحقيقية للحياة: التحول من التفاعلات الكيميائية قصيرة العمر إلى السلالات طويلة العمر التي يمكنها التطور.

يتحدى هذا النموذج الفكرة القائلة بأن الحياة يجب أن تبدأ بجزيء واحد مثالي يمكنه القيام بكل شيء. بدلاً من ذلك، يشير إلى أن الحياة بدأت بشراكة. يجادل الباحثون بأن الانتقال من الكيمياء إلى البيولوجيا لم يكن قفزة مفاجئة نحو الكمال، بل عملية تدريجية تعلم فيها نظامان غير كاملين الاعتماد على بعضهما البعض. وفرت البروتينات اللياقة الوظيفية، مما ساعد النظام على النمو والتكيف، بينما وفرت الأحماض النووية الوراثة، مما ضمن نقل التركيبات الناجحة.

يلاحظ المؤلفون بعناية أن عملهم هو محاكاة، وهو استكشاف رياضي لكيفية عمل هذه الديناميكيات. هم لا يدعون أنهم اكتشفوا الحدث التاريخي الدقيق الذي بدأ الحياة، بل يسعون لإظهار آلية فيزيائية معقولة تجعل أصل الحياة أكثر احتمالاً. يوضح نموذجهم أن "مفارقة آيجن" (Eigen paradox) — وهي الفكرة القائلة بأنك تحتاج إلى بروتينات جيدة لصنع أحماض نووية جيدة، وأحماض نووية جيدة لصنع بروتينات جيدة، مما يخلق حلقة مفرغة — يمكن حلها من خلال التعاون. فمن خلال تقاسم العبء، يمكن للجزيئين التغلب على القيود التي قد تمنع أياً منهما من النجاح بمفرده.

في النهاية، تقدم الورقة رؤية هادئة ولكنها قوية: قد لا يكون أصل الحياة متعلقاً بإيجاد جزيء واحد معجز، بل قد يكون متعلقاً بطريقتين لجزيئين مختلفين في الالتصاق ببعضهما البعض. قدم أحدهما الذاكرة، وقدم الآخر العضلات. ومعاً، خلقا نظاماً كان أعظم من مجموع أجزائه، مما سمح لأول السلالات بالاستمرار لفترة كافية لتتطور إلى الحياة المعقدة التي نراها اليوم. ويخلص الباحثون إلى أن هذا التقسيم للعمل، حيث يخزن أحد الجزيئين المخطط ويبني الآخر الآلة، ليس مجرد سمة للحياة الحديثة، بل هو الأساس الذي جعل الحياة ممكنة في المقام الأول.