در طلوع حیات، گرما ممکن است موجب تقسیم سلولی شده باشد
حرکت ظریف پروتئین‌ها به سلول‌های مدرن کمک می‌کند تا تکثیر شوند. در جریان تقسیم سلولی، آنزیم‌ها و پروتئین‌های ساختاری همانندسازی DNA و تقسیم محتویات سیتوپلاسمی سلول و تقسیم غشا را سازمان‌دهی می‌کنند. انجام صحیح این فرایندها بسیار مهم است؛ زیرا بروز خطا می‌تواند به تولید سلول‌های دختری غیرطبیعی یا بدون قدرت زنده ماندن منجر شود.
میلیاردها سال پیش، همین چالش باید پیشِ روی اولین مجموعه‌های غشایی بوده باشد که به‌طور خود‌به‌خود از مواد بی‌جان به‌وجود آمده بودند؛ اما این پروتوسل‌ها (پیش‌سازهای سلول‌های زنده) باید بدون تکیه بر پروتئین‌های بزرگ تکثیر می‌شدند. اینکه آن‌ها چگونه این کار را انجام دادند، سؤال مهمی برای اختر زیست‌شناسان و بیوشیمی‌دانانی است که منشأ حیات را مطالعه می‌کنند. آنا وانگ، اخترزیست‌شناس دانشگاه نیوساوث‌ولز استرالیا گفت: «اگر همه‌ی آنزیم‌های سلول را حذف کنید، اتفاقی نمی‌افتد. آن‌ها بسیار پایدار هستند.»
در مطالعه‌ای که اخیرا در مجله‌ی Biophysical Journal منتشر شده است، رومن آتال، فیزیک‌دان شهر علم‌و‌صنعت فرانسه و لوران شوارتز از بیمارستان‌های عمومی پاریس معادلات ریاضی را توسعه دادند که نشان می‌دهد چگونه گرما به‌تنهایی می‌توانسته است برای هدایت یکی از بخش‌های مهم فرایند تکثیر، یعنی شکافتن پروتوسل و تقسیم آن کافی بوده باشد.
آتال فکر می‌کند که فرایندهای شیمیایی و فیزیکی فعال در زندگی اولیه احتمالاً بسیار ساده بودند؛ بنابراین، ترمودینامیک به‌تنهایی می‌توانسته است نقش مهمی در چگونگی آغاز حیات داشته باشد. به‌گفته‌ی وی، معادلات بنیادینی که او روی آن‌ها کار کرده است، می‌توانند برخی از قوانین حاکم بر نحوه‌ی پیدایش اولیه‌ی زندگی را توضیح دهند.
تلنگری برای تقسیم‌شدن
برای اینکه سلول‌های ابتدایی بدون ماشین‌آلات پروتئینی پیچیده تقسیم شوند، به محرک فیزیکی یا شیمیایی نیاز خواهد بود. کشف فرایندهای که موجب تقسیم اولین سلول‌ها شد، زمانی چالش‌برانگیزتر می‌شود که در نظر بگیرید که دانشمندان هنوز درباره‌ی تعریف حیات و پروتوسل‌ها اتفاق‌نظر ندارند.
آنچه دانشمندان درباره‌اش اتفاق‌نظر دارند، این است که پروتوسل‌ها باید نوعی اطلاعات موروثی داشته باشند که بتوانند به سلول‌های دختری منتقل شوند و متابولیسمی داشته باشند که واکنش‌های شیمیایی را انجام بدهد و از غشای لیپیدی برخوردار باشند که متابولیسم و اطلاعات موروثی را از محیط آن‌ها جدا کند. درحالی‌که دنیای شیمیایی بیرون تصادفی بود، دیواربندی فراهم‌شده‌ی غشای لیپیدی می‌توانست ناحیه‌ای با آنتروپی کمتر ایجاد کند.
برای اینکه پروتوسلی پیش از تقسیم رشد کند، باید نه‌تنها حجم درون سلول، بلکه سطح غشای اطراف را نیز افزایش دهد. برای ایجاد دو سلول دختری کوچک‌تر با حجم مشابه با سلول والدی به لیپیدهای اضافی برای غشاهای آن‌ها نیاز است؛ زیرا سطح آن‌ها درمقایسه‌با حجم بزرگ‌تر خواهد بود.
درنتیجه‌ی واکنش‌های شیمیایی موردنیاز برای تأمین سوخت لازم برای تولید لیپیدها، انرژی به‌شکل گرما آزاد می‌شود. همان‌طور‌که آتال این ایده‌ها را با شوارتز درمیان می‌گذاشت، به این موضوع فکر می‌کرد که آیا این انرژی برای تحریک تقسیم اولیه سلول کافی بوده است یا خیر.
آتال با جست‌وجو در مقالات پژوهشی، مطالعه‌ای را پیدا کرد که نشان می‌داد دمای میتوکندری‌ها کمی بیشتر از سلول اطراف آن‌ها است. او می‌خواست بداند که آیا این تفاوت انرژی می‌تواند در پروتوسل‌ها ایجاد شود و آیا برای آغاز تقسیم کافی است یا خیر. آتال برای مدل‌سازی این مسئله معادلاتی را طرح کرد. او فرض کرد که پروتوسل‌ها میله‌ای‌شکل هستند و غشای دولایه‌ای دارند که به مواد‌مغذی و مواد زائد اجازه‌ی انتشار می‌دهد.
آتال متوجه شد که انرژی تولیدشده‌ی متابولیسم سلولی ابتدایی لیپیدهای داخل غشا را سریع‌تر از لیپیدهای خارج از غشا گرم می‌کند. سپس، ترمودینامیک لیپیدهای داخلی پرانرژی را مجبور می‌کند که به‌‌سمت بیرون بچرخند و غشای بیرونی را گسترش دهند. راه‌حلی آسان برای این نبود تعادل آناست که سلول‌ها به‌هم فشار بیاورند و دو سلول دختری را ایجاد کنند. این فشردگی در میانه‌ی سلول والدی رخ می‌دهد که داغ‌ترین محل است و حرکات لیپیدی در آن بیشتر.
براساس مطالعه‌ی جدیدی، وزیکول‌های دارای غشا که پیش‌سازهای سلول‌های زنده بودند، ممکن است تحت‌تأثیر گرمای تولیدشده درونی تقسیم شده باشند.
کار آتال صرفاً تئوری است؛ اما می‌توان در آزمایشگاه با ایجاد وزیکول‌های مشابه و اندازه‌گیری اینکه آیا دمای درون آن‌ها از دمای بیرون آن‌ها متفاوت است، آن را آزمایش کرد. وانگ می‌گوید نبود تقارن در غشاهای لیپیدی می‌تواند در زندگی آغازین نقشی داشته باشد. اگرچه هم او و هم پل هیگز، بیوفیزیک‌دان دانشگاه مک‌مستر، درباره‌ی برخی از فرضیات مدل آتال تردید دارند.
آن‌ها خاطرنشان کردند ازآنجاکه سلول‌ها و پروتوسل‌ها کوچک هستند، گرمای بسیار کمی می‌تواند تولید شود و مشخص نیست که آیا تفاوت دما به‌اندازه‌ی کافی بزرگ است که قبل از اینکه گرما در سراسر غشا منتشر شود، فرایند شکافت را آغاز کند.
وانگ درباره‌ی حرکت پیشنهادی لیپیدها بین غشای درونی و غشای بیرونی نیز تردید دارد. در غشاهای امروزی، لیپیدها به‌راحتی جابه‌جا نمی‌شوند؛ زیرا مولکول‌های آن‌ها ساختارهای پیچیده‌ای دارند. البته این موضوع ممکن است درباره‌ی لیپیدهای ساده‌تری که برای ایجاد زندگی اولیه از آن‌ها استفاده شده است، صادق نباشد. او گفت وقتی در آزمایشگاه چنین وزیکول‌هایی تولید می‌شود، آن‌ها بدون قاعده در اطراف حرکت می‌کنند و نمی‌توانید جلو آن‌ها را بگیرید.
هیگز فرض آتال درباره‌ی میله‌ای‌شکل بودن سلول‌ها را نیز رد می‌کند. این شکل به پروتئین‌های خاصی نیاز دارد تا غشا را محکم نگه دارند که پروتوسل‌ها فاقد آن‌ها بوده‌اند؛ درنتیجه، آن‌ها کروی خواهند بود، نه میله‌ای. او گفت: «نمی‌دانم که بدون وجود دیواره‌ی سخت، چگونه می‌توان شکل میله‌ای را حفظ کرد.»
وانگ می‌گوید هیچ‌یک از این مسائل بدین‌معنا نیست که گرما در تقسیم سلولی آغازین نقشی نداشته است؛ بلکه ممکن است مدل ریاضی آتال دقیق‌ترین مدل ممکن نباشد. با‌این‌حال، کلودیا بونفیو، بیوشیمی‌دان دانشگاه استراسبورگ فرانسه می‌گوید این مقاله به آثار علمی موجود درباره‌ی حیات آغازین می‌افزاید؛ زیرا نقطه شروع خوبی برای آزمایش‌ها است. اغلب فراموش می‌کنیم که واکنش‌ها گرما را مصرف و تولید می‌کنند و این امر می‌تواند بر مواردی مانند شکافت تأثیرگذار باشد.
نظرات