تكشف الدراسة أن دورات الجليد على الأرض المبكرة أدت إلى تكوين الخلايا الأولى

اكتشف العلماء في معهد علوم الأرض والحياة، الواقع في طوكيو، أن التغيرات الشديدة في درجات الحرارة لعبت دورا رئيسيا في ظهور الكائنات الحية الأولى. تشير الدراسة إلى أن دورات تجميد الماء والذوبان كانت ضرورية لتكوين وتطور أغشية الخلايا البدائية. يحاكي البحث الظروف البيئية منذ مليارات السنين لفهم سلوك الجزيئات الأساسية. وتظهر النتائج منظورا جديدا للبيولوجيا التطورية.

يوضح البحث أن التحول الحراري المتكرر سمح للأجزاء الجزيئية البسيطة بدمج المواد الوراثية والتقاطها بكفاءة أكبر. أدت العملية الفيزيائية لتغيير حالة الماء إلى إعادة تنظيم الدهون، مما أدى إلى إنشاء هياكل أكثر تعقيدًا واستقرارًا. سهّلت ديناميكية التجميع والتفكيك هذه الاحتفاظ بسلاسل الحمض النووي داخل الحويصلات. يساعد هذا التقدم في تفسير الجسر بين الكيمياء غير العضوية والأنظمة البيولوجية الأولى القادرة على التكاثر.

دور التجميد في تكوين الأغشية الأولى

قدمت الأرض المبكرة بيئة معادية وغير مستقرة للغاية للكيمياء العضوية. كان تشكيل حجرات معزولة متطلبًا أساسيًا حتى يمكن حدوث التفاعلات الكيميائية بطريقة محكمة ومستمرة. ولاحظ الباحثون أن الوجود البسيط للجزيئات في الماء لم يكن كافيا لتوليد خلايا وظيفية. أدى تطبيق الدورات الحرارية القصوى إلى تغيير هذا السيناريو. يغير البرد الشديد البنية الفيزيائية للمياه ويركز المواد الذائبة في المساحات غير المتجمدة.

أثناء عملية التجميد، يؤدي تكوين بلورات الجليد إلى ضغط الحويصلات الدهنية إلى مساحات أصغر بشكل متزايد. يجبر هذا الضغط الميكانيكي الأغشية على التمزق مؤقتًا والاختلاط مع الهياكل الأخرى المجاورة. عندما ترتفع درجة الحرارة ويذوب الجليد، يتم إعادة بناء الأغشية بسرعة. تؤدي الدورة المتكررة إلى أجزاء أكبر وأكثر تعقيدًا مع كل مرحلة ذوبان جديدة. تعمل الديناميكيات الفيزيائية كمحرك طبيعي لنمو الخلايا.

أنواع مختلفة من الدهون والسلوك الخلوي

استخدم فريق البحث ثلاثة أنواع مختلفة من الدهون لفهم كيفية تفاعل التركيبات الكيميائية المختلفة مع الإجهاد الحراري. كان الهدف من اختيار المواد هو محاكاة الجزيئات التي ربما كانت موجودة في المحيطات البدائية. وقد أوضح التحليل قدرة كل مادة على تكوين حويصلات كبيرة أحادية الصفيحة في ظل ظروف درجات حرارة متفاوتة. كشف سلوك كل مركب عن خصائص ذوبان وثبات هيكلي مميزة.

• POPC: يشكل الدهن الذي يحتوي على رابطة مزدوجة واحدة في سلسلة الأسيل أغشية صلبة تحافظ على البنية الأصلية دون معدل اندماج مرتفع.
• PLPC: أظهر الجزيء الذي يحتوي على رابطتين مزدوجتين سيولة عالية وأظهر أكبر قدرة على النمو أثناء الاختبارات الحرارية.
• DOPC: يوفر المركب ذو الروابط المزدوجة في كلتا السلسلتين أقصى مستوى من السيولة بين جميع العينات التي تم تحليلها في المختبر.

أشارت النتائج إلى أن وجود الدهون PLPC كان حاسما لنجاح اندماج الخلايا. سمحت السيولة العالية لهذا الجزيء للأغشية بإعادة تنظيم نفسها بسهولة بعد التمزق الناجم عن بلورات الجليد. تعد المرونة الهيكلية عاملاً حاسماً لبقاء أي نظام بيولوجي ناشئ. فشلت الأغشية الصلبة جدًا في دمج مواد جديدة وظلت راكدة في حجمها الأصلي، مما حد من تطورها.

التقاط المادة الوراثية داخل الحويصلات

إن التكوين البسيط للفقاعة الدهنية لا يشكل خلية حية دون وجود تعليمات وراثية. اختبرت التجربة قدرة هذه الحويصلات البدائية على ابتلاع وحماية جزيئات الحمض النووي أثناء دورات الحرارة. تعمل مرحلة التجميد على زعزعة استقرار حاجز الدهون وإنشاء فتحات مؤقتة في الهيكل. يمكن للمادة الوراثية المنتشرة في البيئة المائية أن تخترق هذه الأجزاء قبل أن ينغلق الغشاء مرة أخرى عند الذوبان.

Leia Também

يظهر سوق العقود الآجلة انخفاضًا مع مؤشري S&P 500 وDow Jones بعد أرباح الشركات

البنك المركزي الأمريكي يجمد أسعار الفائدة مع وداع جيروم باول كرئيس

التضخم يحفز شركة كوكا كولا على تقليل حجم التغليف في البرازيل؛ الشركة تنفي مغادرة البلاد

أظهرت الحويصلات المكونة من PLPC كفاءة ملحوظة في الاحتفاظ بالحمض النووي بعد دورات متعددة. قام البحث بقياس كمية المادة الوراثية المغلفة وأكد أن الاختلاف الحراري يعمل كآلية حقن طبيعية. وبدون هذه العملية الفيزيائية، فإن جزيئات الحمض النووي ستواجه صعوبة كبيرة في عبور حاجز الدهون تلقائيًا. يمثل الاتحاد بين الحجرة الواقية وجزيء المعلومات بداية التعقيد البيولوجي على الكوكب.

يحول التغليف الناجح الحويصلة الخاملة إلى خلية أولية ذات إمكانات تطورية. إن حماية المادة الوراثية من التدهور البيئي يسمح للجزيئات بالتكاثر بأمان. يعمل الغشاء كمرشح انتقائي يحافظ على المكونات الأساسية قريبة من بعضها البعض. يعمل القرب المادي على تسريع التفاعلات الكيميائية الداخلية ويخلق بيئة دقيقة مواتية لتطوير الوظائف الخلوية الأساسية.

الإعدادات الجيولوجية للأرض المبكرة والتطور البيولوجي

لقد ناقش المجتمع العلمي لعقود من الزمن الأماكن الدقيقة التي يمكن أن تظهر فيها الحياة. لطالما اعتبرت الفتحات الحرارية المائية الموجودة في قاع المحيطات المهد الأكثر احتمالا بسبب إمداداتها الوفيرة من الطاقة والمعادن. تقدم الدراسة الجديدة البيئات الباردة والأسطح الجليدية كسيناريوهات قابلة للحياة على قدم المساواة وربما متفوقة لمراحل معينة من التطور. يوفر التناوب بين التجميد الليلي أو الموسمي والذوبان أثناء النهار الطاقة الميكانيكية اللازمة لتجميع الخلايا.

يتطلب دمج الجزيئات العضوية البسيطة في هياكل معقدة شروطًا محددة تمنع التشتت الفوري للمركبات. يعمل الثلج كمصفوفة صلبة تحصر المواد وتزيد من احتمالية اللقاءات الكيميائية المنتجة. يعتمد الانتقال إلى الحياة على قدرة هذه الخلايا الأولية على الحفاظ على سلامتها مع اكتساب وظائف جديدة. بدأ الانتقاء الطبيعي في العمل على هذه الأجزاء قبل وقت طويل من ظهور أول الكائنات الحية الحديثة أحادية الخلية.

إن تطوير الأنظمة الداخلية القادرة على إملاء سلوك الغشاء يمثل الخطوة الأخيرة نحو التطور الدارويني. سيطرت الخلايا الأولية التي يمكنها الاحتفاظ بالحمض النووي والنمو بكفاءة على البيئة البدائية. يعزز البحث فكرة أن العمليات الفيزيائية والميكانيكية البحتة هي التي وجهت الكيمياء قبل الحيوية في مراحلها المبكرة. إن فهم هذه الديناميكيات يوسع المعرفة حول المتطلبات الأساسية لوجود الحياة القائمة على الكربون.