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

जैसा कि हम जानते हैं, जीवन दो बहुत ही अलग प्रकार के अणुओं के बीच की साझेदारी पर बना है। एक प्रकार, न्यूक्लिक एसिड, जीवन के पुस्तकालय के रूप में कार्य करता है, जो बाकी सब कुछ बनाने के निर्देश संग्रहीत करता है। दूसरा प्रकार, प्रोटीन, कार्यबल के रूप में कार्य करता है, जो उन रासायनिक कार्यों को पूरा करता है जो एक कोशिका को जीवित और विकसित रखने के लिए आवश्यक हैं। दशकों से, वैज्ञानिक इस बात पर विचार कर रहे हैं कि यह साझेदारी कैसे शुरू हुई। प्रचलित विचार, जिसे आरएनए वर्ल्ड हाइपोथीसिस (RNA world hypothesis) के रूप में जाना जाता है, यह सुझाव देता है कि जीवन केवल एक ही खिलाड़ी के साथ शुरू हुआ था: आरएनए, जो जानकारी भी संग्रहीत कर सकता था और कुछ रासायनिक कार्य भी कर सकता था। हालाँकि, यह दृष्टिकोण इस बात को समझाने में संघर्ष करता है कि कैसे एक एकल अणु इन दोनों भूमिकाओं को इतनी पूर्णता से निभा सकता था कि एक ऐसी वंशावली शुरू हो सके जो जीवित रहे और विकसित हो सके। एक अन्य संभावना यह है कि प्रोटीन पहले आए, लेकिन उनमें खुद को विश्वसनीय रूप से कॉपी करने की क्षमता का अभाव है। मुख्य प्रश्न अभी भी बना हुआ है: ये दो अलग-अलग प्रणालियाँ मिलकर पहले जीवित कोशिकाओं का निर्माण कैसे कर सकीं?

स्टोनी ब्रुक यूनिवर्सिटी के दो शोधकर्ताओं, मोहम्मद स्वाइलेम और केन ए. डिल ने इस उत्पत्ति की कहानी के बारे में सोचने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है। यह पूछने के बजाय कि कौन सा अणु पहले आया, वे पूछते हैं कि वे दोनों शुरुआत से ही एक-दूसरे को जीवित रहने में कैसे मदद कर सकते थे। उनका काम बताता है कि कुंजी इनमें से किसी भी अणु की पूर्णता में नहीं थी, बल्कि श्रम के विभाजन में थी जिसने उन्हें एक-दूसरे के अस्तित्व को खड़ा करने (बूटस्ट्रैप करने) की अनुमति दी। दोनों की शक्तियों को मिलाकर, उनका तर्क है कि जीवन उभर सकता था, भले ही व्यक्तिगत भाग कितने भी अपूर्ण क्यों न रहे हों।

उनके तर्क को समझने के लिए, यह देखना सहायक है कि विकास (इवोल्यूशन) एक परीक्षण और त्रुटि (ट्रायल एंड एरर) की प्रक्रिया के रूप में कैसे कार्य करता है। कल्पना कीजिए कि सरल, स्व-प्रतिकृति (self-replicating) अणुओं की एक आबादी है। कभी-कभी, नकल करने के दौरान एक गलती होती है, जिससे एक नया संस्करण बनता है। यदि यह नया संस्करण जीवित रहने या प्रतियां बनाने में बेहतर है, तो यह अधिक सामान्य हो जाएगा, जबकि कमजोर संस्करण गायब हो जाएंगे। यह प्राकृतिक चयन का इंजन है। लेकिन इस इंजन को चलाने के लिए, दो अलग-अलग चीजें होनी चाहिए: यादृच्छिक परिवर्तनों को उत्पन्न करने का एक तरीका (परीक्षण/ट्रायल) और यह परीक्षण करने का एक तरीका कि कौन से परिवर्तन बेहतर हैं (त्रुटि/एरर)। शोधकर्ताओं का तर्क है कि हमारे कोशिकाओं में अणुओं के दो प्रकार इन अलग-अलग कार्यों के लिए पूरी तरह से उपयुक्त हैं।

न्यूक्लिक एसिड, जैसे डीएनए और आरएनए, कठोर और स्थिर होते हैं। उनकी संरचना सूचना को अपने परिवेश से प्रभावित हुए बिना संग्रहीत करने की अनुमति देती है। वे एक ब्लूप्रिंट (खाके) होने में उत्कृष्ट हैं, निर्देशों को बिना बदले ले जाने में। हालाँकि, वे रासायनिक कार्य करने में बहुत अच्छे नहीं हैं। दूसरी ओर, प्रोटीन लचीले और विविध होते हैं। वे जटिल आकारों में मुड़ते हैं जो उन्हें उपकरण के रूप में कार्य करने, प्रतिक्रियाओं को तेज करने और संरचनाएं बनाने की अनुमति देते हैं। लेकिन प्रोटीन सूचना संग्रहीत करने में कमजोर होते हैं; उन्हें सटीक रूप से पढ़ना और कॉपी करना कठिन होता है। शोधकर्ताओं के दृष्टिकोण में, विकास को एक ऐसी प्रणाली की आवश्यकता थी जहाँ "ब्लूप्रिंट" को बिना किसी पूर्वाग्रह के यादृच्छिक रूप से बदला जा सके, जबकि "उपकरणों" को सिस्टम को बढ़ने में मदद करने की उनकी क्षमता के लिए परखा जा सके।

लेखकों ने इन दोनों अणुओं के बीच परस्पर क्रिया (इंटरैक्शन) होने पर क्या होता है, इसका परीक्षण करने के लिए एक कंप्यूटर मॉडल बनाया। उन्होंने एक ऐसी स्थिति से शुरुआत की जहाँ दोनों में से कोई भी अणु अपने काम में बहुत अच्छा नहीं था। न्यूक्लिक एसिड खुद को कॉपी करने में बहुत सटीक नहीं थे, और प्रोटीन उस कॉपी करने में बहुत मददगार नहीं थे। एक ऐसी दुनिया में जहाँ ये अणु अकेले कार्य करते, वे बस लुप्त हो जाते। मॉडल ने दिखाया कि बिना मदद के, इन अणुओं की आबादी तब तक कम हो जाती जब तक कि वे गायब न हो जाएं, क्योंकि वे टूटने या पतले होने की दर को पार करने में असमर्थ थे।

हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने दोनों अणुओं को मिलकर काम करने की अनुमति दी, तो परिणाम नाटकीय रूप से बदल गया। उनके मॉडल में, प्रोटीन न्यूक्लिक एसिड को खुद को अधिक प्रभावी ढंग से कॉपी करने में मदद करते थे, जबकि न्यूक्लिक एसिड प्रोटीन बनाने के निर्देश प्रदान करते थे। इसने एक फीडबैक लूप बनाया। भले ही नकल अपूर्ण थी और प्रोटीन केवल मध्यम रूप से सहायक थे, संयोजन ने सिस्टम को बढ़ने में सक्षम बनाया। शोधकर्ताओं ने पाया कि दो अणु एक-दूसरे को बचा सकते हैं। एक न्यूक्लिक एसिड जो कॉपी करने में बहुत अच्छा नहीं था, वह एक ऐसे प्रोटीन के साथ मिलकर जीवित रह सकता था जो मदद करने में बहुत अच्छा था। इसके विपरीत, एक प्रोटीन जो बहुत कुशल नहीं था, वह एक ऐसे न्यूक्लिक एसिड के साथ बना रह सकता था जो बहुत सटीक था।

यह संबंध जिसे शोधकर्ता "पारेटो फ्रंट" (Pareto front) कहते हैं, एक ऐसी अवधारणा है जो एक स्थिति का वर्णन करती है जहाँ आप एक लाभ के बदले दूसरे का व्यापार (ट्रेड-ऑफ) कर सकते हैं। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने एक ऐसी दुनिया के बीच एक स्पष्ट सीमा पाई जहाँ अणु मर जाते हैं और एक ऐसी दुनिया के बीच जहाँ वे फलते-फूलते हैं। इस रेखा के एक तरफ, अणु जीवित रहने के लिए बहुत कमजोर हैं। दूसरी तरफ, वे एक सहकारी इकाई बनाते हैं जो बढ़ती है और बनी रहती है। सबसे उल्लेखनीय निष्कर्ष यह है कि इस संक्रमण के लिए दोनों अणुओं का पूर्ण होना आवश्यक नहीं है। इसके लिए केवल इतना आवश्यक है कि वे मिलकर पर्याप्त रूप से अच्छे हों। मॉडल दिखाता है कि खराब न्यूक्लिक एसिड और मजबूत प्रोटीन वाला सिस्टम, एक मजबूत न्यूक्लिक एसिड और खराब प्रोटीन वाले सिस्टम के समान ही जीवित रह सकता है, जब तक कि वे जुड़े हुए हैं।

शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि ये प्रणालियाँ कितने लंबे समय तक चल सकती हैं। उन्होंने पाया कि एक अकेला अणु, अकेले कार्य करते हुए, बहुत छोटा जीवन रखता है। वह जल्दी नष्ट हो जाता है, और खुद को सटीक रूप से कॉपी करने के तरीके के बिना, उसकी वंशावली तुरंत समाप्त हो जाती है। लेकिन जब ये दो अणु एकजुट होते हैं, तो पूरी प्रणाली को बहुत लंबा जीवन प्राप्त होता है। इन सहकारी इकाइयों की वंशावली लंबे समय तक बनी रह सकती है, बहुत लंबे समय तक, जितना कि कोई भी एकल अणु अकेले जीवित रह सकता है। यही निरंतरता (पर्सिस्टेंस) जिसे शोधकर्ता जीवन की वास्तविक शुरुआत मानते हैं: अल्पकालिक रासायनिक प्रतिक्रियाओं से दीर्घकालिक वंशावलियों में बदलाव जो विकसित हो सकती हैं।

यह मॉडल इस विचार को चुनौती देता है कि जीवन की शुरुआत एक एकल, पूर्ण अणु से होनी चाहिए जो सब कुछ कर सके। इसके बजाय, यह सुझाव देता है कि जीवन एक साझेदारी के साथ शुरू हुआ था। शोधकर्ताओं का तर्क है कि रसायन से जीव विज्ञान (बायोलॉजी) तक का संक्रमण पूर्णता की अचानक छलांग नहीं थी, बल्कि एक क्रमिक प्रक्रिया थी जहाँ दो अपूर्ण प्रणालियों ने एक-दूसरे पर निर्भर रहना सीखा। प्रोटीनों ने कार्यात्मक फिटनेस (फंक्शनल फिटनेस) प्रदान की, जिससे सिस्टम को बढ़ने और अनुकूलित होने में मदद मिली, जबकि न्यूक्लिक एसिड ने वंशानुगतता (हेरिटेबिलिटी) प्रदान की, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि सफल संयोजनों को आगे बढ़ाया जा सके।

लेखक सावधानीपूर्वक नोट करते हैं कि उनका कार्य एक सिमुलेशन है, जो इस बात की गणितीय खोज है कि ये गतिशीलता कैसे काम कर सकती हैं। वे यह दावा नहीं करते हैं कि उन्होंने जीवन शुरू करने वाली सटीक ऐतिहासिक घटना की खोज कर ली है, बल्कि उन्होंने एक संभावित भौतिक तंत्र को दिखाने का प्रयास किया है जो जीवन की उत्पत्ति को अधिक संभावित बनाता है। उनका मॉडल दिखाता है कि "आइगेन विरोधाभास" (Eigen paradox)—यह विचार कि आपको अच्छे न्यूक्लिक एसिड बनाने के लिए अच्छे प्रोटीन और अच्छे प्रोटीन बनाने के लिए अच्छे न्यूक्लिक एसिड की आवश्यकता है, जो एक 'कैच-22' जैसी स्थिति पैदा करता है—सहयोग के माध्यम से हल किया जा सकता है। भार साझा करके, दोनों अणु उन सीमाओं को पार कर सकते हैं जो उनमें से किसी एक को अकेले सफल होने से रोकती हैं।

अंत में, यह शोध पत्र एक शांत लेकिन शक्तिशाली अंतर्दृष्टि प्रदान करता है: जीवन की उत्पत्ति शायद एक एकल, चमत्कारिक अणु को खोजने के बारे में नहीं थी। यह दो अलग-अलग प्रकार के अणुओं के एक साथ जुड़ने के बारे में हो सकता है। एक ने स्मृति (मेमोरी) प्रदान की, दूसरे ने शक्ति (मसल) प्रदान की। साथ मिलकर, उन्होंने एक ऐसी प्रणाली बनाई जो अपने हिस्सों के योग से कहीं अधिक बड़ी थी, जिससे पहली वंशावलियों को उस जटिल जीवन में विकसित होने के लिए पर्याप्त समय मिला जिसे हम आज देखते हैं। शोधकर्ता निष्कर्ष निकालते हैं कि श्रम का यह विभाजन, जहाँ एक अणु योजना को संग्रहीत करता है और दूसरा मशीन बनाता है, न केवल आधुनिक जीवन की एक विशेषता है, बल्कि वह आधार भी है जिसने जीवन को संभव बनाया।