Conditions for Darwinian evolution in compartmentalized autocatalytic reaction networks
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि प्रोटोसेल्स (protocells) के भीतर बहुस्थिर ऑटोकैटलिटिक प्रतिक्रिया नेटवर्क विभिन्न विकास-विभाजन व्यवस्थाओं के बीच स्टोकेस्टिक विविधताओं के बावजूद वंशानुगत संरचनात्मक अवस्थाओं को बनाए रख सकते हैं, जिससे आनुवंशिकी के आगमन से पहले प्रारंभिक जीवन रूपों में प्राकृतिक चयन के कार्य करने के लिए आवश्यक स्थितियाँ स्थापित होती हैं।
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चमक से पहले की चमक: बिना किसी ब्लूप्रिंट के जीवन कैसे शुरू हुआ होगा
पृथ्वी पर जीवन के सबसे शुरुआती क्षणों की कल्पना करें, जो डीएनए, जीन, या आधुनिक कोशिकाओं में पाए जाने वाले जटिल निर्देशों के अस्तित्व में आने से बहुत पहले के थे। वैज्ञानिक इसे "जीवन की उत्पत्ति" कहते हैं, और लंबे समय तक, कई लोग मानते थे कि यह एक "रेप्लिकेशन-फर्स्ट" (प्रतिकृति-प्रथम) विचार के साथ शुरू हुआ था: एक जादुई अणु (जैसे आरएनए) जो खुद की सटीक नकल कर सकता था, जो पहले ब्लूप्रिंट के रूप में कार्य करता था। लेकिन इसमें एक समस्या है: शून्य से एक पूर्ण स्वयं-प्रतिलिपि बनाने वाला अणु बनाना अविश्वसनीय रूप से कठिन है, जैसे कागज के बिखरे हुए टुकड़ों से एक काम करने वाली फोटोकॉपी मशीन बनाने की कोशिश करना।
इसलिए, वैज्ञानिकों ने एक अलग रास्ता प्रस्तावित किया: "मेटाबॉलिज्म-फर्स्ट" (चयापचय-प्रथम)। इस परिदृश्य में, पहले जीवित जीव स्वयं की नकल करने वाले एकल अणु नहीं थे, बल्कि प्रोटोसेल्स (protocells) नामक साबुन के बुलबुले जैसे छोटे कंटेनर थे। इन बुलबुलों के भीतर, रसायनों का एक सूप एक-दूसरे के साथ प्रतिक्रिया करता था। कुछ रसायन खुद को बनाने में मदद करते थे, जिससे एक स्व-स्थायी लूप बनता था जिसे ऑटोकैटलिटिक नेटवर्क (autocatalytic network) कहा जाता है। बड़ा सवाल यह है: क्या ये बेतरतीब, केवल रासायनिक बुलबुले विकसित हो सकते थे? विकसित होने के लिए, एक प्रणाली को तीन चीजों की आवश्यकता होती है: वंशानुक्रम (traits को अगली पीढ़ी तक पहुँचाना), विविधता (पीढ़ियों के बीच कुछ अंतर), और चयन (कुछ संस्करण दूसरों की तुलना में बेहतर जीवित रहते हैं)। पेचीदा हिस्सा यह है कि ये शुरुआती बुलबुले संभवतः लीकी (leaky) और बेतरतीब थे। यदि एक बुलबुला दो भागों में विभाजित होता है, तो क्या उसके अंदर का रासायनिक "नुस्खा" निष्ठापूर्वक नीचे जाता है, या यह हर बार केवल एक रैंडम सूप बन जाता है? यदि नुस्खे को याद नहीं रखा जा सकता, तो प्राकृतिक चयन नहीं हो सकता, और जीवन जैसा हम जानते हैं, कभी शुरू ही नहीं हो पाएगा।
पेपर का बड़ा विचार: रासायनिक स्मृति के लिए 'स्वीट स्पॉट' खोजना
मत्सुबारा और सहयोगियों का यह शोध पत्र इसी सटीक प्रश्न का उत्तर देने के लिए गणित और सिमुलेशन में गहराई तक जाता है: क्या एक बढ़ते, विभाजित होते बुलबुले के भीतर एक रासायनिक प्रणाली अपने स्वयं के नुस्खे को याद रख सकती है? शोधकर्ताओं ने इन प्रोटोसेल्स के कंप्यूटर मॉडल बनाए, जिनमें दो प्रतिस्पर्धी प्रकार की रासायनिक "टीमें" (मान लीजिए टीम रेड और टीम ब्लू) भरी गईं जो एक ही भोजन खाती हैं। वे देखना चाहते थे कि क्या ज्यादातर रेड से भरा बुलबुला विभाजित होकर ज्यादातर रेड बच्चे पैदा करेगा, या रसायन आपस में मिल जाएंगे और हर बार एक उबाऊ, एकसमान ग्रे सूप बन जाएंगे।
टीम ने खोजा कि इन रासायनिक बुलबुलों को विकसित होने के लिए, उन्हें एक बहुत ही विशिष्ट प्रकार के "व्यक्तित्व" की आवश्यकता होती है। इनके भीतर की रासायनिक प्रतिक्रियाएं नॉन-लीनियर (गैर-रेखीय) होनी चाहिए, जिसका अर्थ है कि वे केवल एक स्थिर, उबाऊ गति से नहीं बढ़ती हैं। इसके बजाय, उन्हें "बाइस्टेबल" (bistable) होना चाहिए, जो एक फैंसी तरीका है यह कहने का कि प्रणाली सहज रूप से दो अलग-अलग अवस्थाओं में से एक में रह सकती है: एक रेड-प्रधान अवस्था या एक ब्लू-प्रधान अवस्था। इसे एक ऐसे परिदृश्य में एक गेंद की तरह समझें जिसमें दो गहरे गड्ढे (valleys) हैं। यदि गेंद रेड वैली में है, तो वह वहीं रहती है; यदि वह ब्लू वैली में है, तो वह वहीं रहती है। वह दूसरी तरफ जाने के लिए तब तक नहीं जाएगी जब तक उसे जोर से धक्का न दिया जाए। पेपर दिखाता है कि यदि रासायनिक प्रतिक्रियाओं को सही ढंग से सेट किया जाता है, तो ये दो घाटियाँ इतनी स्थिर होती हैं कि जब बुलबुला बढ़ता और विभाजित होता है, तो "रेड" बुलबुले रेड ही रहते हैं, और "ब्लू" बुलबुले ब्लू ही रहते हैं। यही बिना किसी डीएनए के वंशानुक्रम का जन्म है।
हालाँकि, शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि यह स्मृति नाजुक है। उन्होंने बुलबुलों के बढ़ने और विभाजित होने के विभिन्न तरीकों का परीक्षण किया। कुछ बुलबुले दो में विभाजित होने वाली कोशिका (बाइनरी विखंडन) की तरह विभाजित होते हैं, जबकि अन्य एक साथ कई छोटे टुकड़ों में फट सकते हैं। उन्होंने पाया कि विभाजन का समय अत्यंत महत्वपूर्ण है। यदि बुलबुले बहुत तेजी से बढ़ते हैं या बहुत बार विभाजित होते हैं, तो रासायनिक स्मृति मिट जाती है, और सिस्टम एक एकल, एकसमान अवस्था में ढह जाता है। लेकिन यदि समय बिल्कुल सही है—विशेष रूप से, यदि विभाजनों के बीच का समय एक निश्चित क्रिटिकल थ्रेशोल्ड से नीचे रखा जाता है—तो दो अलग-अलग अवस्थाएं जीवित रह सकती हैं। पेपर सुझाव देता है कि इस स्मृति को जीवित रखने का सबसे विश्वसनीय तरीका "सीरियल डाइल्यूशन" (क्रमिक तनुकरण) जैसी प्रक्रिया है, जहाँ सामग्री को समय-समय पर पतला किया जाता है और ताजा भोजन जोड़ा जाता है, जो एक रीसेट बटन की तरह कार्य करता है जो सिस्टम को उसके चुने हुए वैली में रखता है।
महत्वपूर्ण रूप से, पेपर ने यह भी देखा कि जब नॉइज़ (रैंडमनेस/शोर) और प्रतिस्पर्धा जोड़ी जाती है तो क्या होता है। वास्तविक दुनिया में, अणु बेतरतीब ढंग से एक-दूसरे से टकराते हैं, और कभी-कभी एक बुलबुला असमान रूप से विभाजित हो सकता है। सिमुलेशन दिखाते हैं कि जब तक बुलबुले इन रैंडम झटकों को कम करने के लिए पर्याप्त बड़े हैं, रासायनिक स्मृति बनी रहती है। इससे भी बेहतर, उन्होंने दिखाया कि यदि एक रासायनिक टीम (मान लीजिए रेड) दूसरी टीम (ब्लू) की तुलना में बुलबुले को तेजी से बढ़ाती है, तो प्राकृतिक चयन शुरू हो जाता है। रेड बुलबुले तेजी से संख्या बढ़ाएंगे, आबादी पर कब्जा कर लेंगे, और अंततः प्रमुख प्रकार बन जाएंगे। यह साबित करता है कि इन रासायनिक बुलबुलों की एक आबादी डार्विनियन आबादी की तरह कार्य कर सकती है, विकसित और अनुकूलित हो सकती है, और यह सब बिना किसी जीन के होता है।
लेखकों ने यह भी जांचा कि क्या यह वास्तव में एक वास्तविक लैब में काम कर सकता है। उन्होंने एज़ोआर्कस राइबोजाइम (Azoarcus ribozymes) नामक आरएनए एंजाइमों का उपयोग करके एक ज्ञात प्रणाली को देखा। जबकि इस प्रणाली का मानक संस्करण इस तरह की स्मृति दिखाने के लिए सही "व्यक्तित्व" नहीं रखता है, उन्होंने पाया कि यदि वे अतिरिक्त मेटाबॉलिक स्टेप्स को शामिल करने के लिए सिस्टम को ट्यून करते हैं (विकास नियम को नॉन-लीनियर बनाना), तो यह काम करना चाहिए। वे भविष्यवाणी करते हैं कि लैब सेटिंग में, यदि आप इन प्रयोगों को विशिष्ट समय के साथ चलाते हैं—बुलबुलों को हर 50 से 125 मिनट में पतला करना और हर बार 2.5 से 11 के कारक से पतला करना—तो आप इन विशिष्ट रासायनिक अवस्थाओं को विरासत में मिलते हुए देख पाएंगे।
इसका क्या अर्थ है (और क्या नहीं है)
यह पेपर यह दावा नहीं करता है कि इसने पहला जीवित जीव खोज लिया है, न ही यह कहता है कि जीवन निश्चित रूप से इसी तरह शुरू हुआ था। इसके बजाय, यह नियमों का एक कठोर सेट और मापदंडों का एक "सेफ ज़ोन" प्रदान करता है जहाँ विकास संभव है। यह इस विचार को खारिज करता है कि कोई भी रासायनिक सूप विकसित हो सकता है; यह दिखाता है कि बिना सही नॉन-लीनियर प्रतिक्रियाओं और विकास एवं विभाजन के सही समय के बिना, वंशानुक्रम असंभव है। यह यह भी चेतावनी देता है कि यदि आप सिस्टम को बहुत अधिक धकेलते हैं—रेड और ब्लू के बीच प्रतिस्पर्धा को बहुत तीव्र बनाकर—तो आप अनजाने में दो अलग-अलग अवस्थाओं को नष्ट कर सकते हैं, जिससे आप फिर से केवल एक उबाऊ अवस्था के साथ रह जाएंगे।
संक्षेप में, पेपर सुझाव देता है कि जीवन के मार्ग को शुरू में एक पूर्ण जेनेटिक ब्लूप्रिंट की आवश्यकता नहीं रही होगी। इसके बजाय, यह सरल, बेतरतीब रासायनिक लूपों से शुरू हो सकता है, जो सही परिस्थितियों में, यह सीख गए कि वे कौन हैं और अपनी पहचान अपने बच्चों को कैसे सौंपी जाए। यह एक आशावादी सिमुलेशन है जो दिखाता है कि डार्विनियन विकास के लिए आवश्यक सामग्रियां पहुंच के भीतर हैं, यहाँ तक कि केवल रसायनों और बुलबुलों की दुनिया में भी।
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