همه سلول‌های زنده از طریق هم‌رسانی الکترون‌های پرانرژی از یک طرف غشاء به سمت دیگر، به خود نیرو می‌دهند. مکانیسم‌های مبتنی بر غشاء برای انجام این کار، به یک معنا، به اندازه کد ژنتیکی یک ویژگی جهانی زندگی هستند. اما بر خلاف کد ژنتیکی، این مکانیسم‌ها در همه جا یکسان نیستند: دو دسته ساده سلول‌ها، باکتری‌ها و باستان‌ها، دارای غشاها و مجتمع‌های پروتئینی برای تولید انرژی هستند که از نظر شیمیایی و ساختاری متفاوت هستند. این تفاوت ها حدس زدن چگونگی تامین انرژی اولیه سلول ها را دشوار می کند.
این رمز و راز منجر شد نیک لین، استاد بیوشیمی تکاملی در دانشگاه کالج لندن، به یک فرضیه غیرمتعارف در مورد منشاء حیات. اگر زندگی در یک محیط زمین‌شناسی به وجود می‌آمد که در آن شیب‌های الکتروشیمیایی در میان موانع کوچک به‌طور طبیعی رخ می‌داد و از شکل اولیه متابولیسم پشتیبانی می‌کرد در حالی که سلول‌ها همانطور که می‌دانیم تکامل می‌یابند؟ جایی که ممکن است این امکان وجود داشته باشد: دریچه های هیدروترمال قلیایی در اعماق بستر دریا، درون سازندهای سنگی بسیار متخلخل که تقریباً شبیه اسفنج های معدنی هستند.
لین این ایده تحریک آمیز را در چندین گونه از مجله اوراق، و در برخی از کتابهای خود از جمله به آن پرداخته است سوال حیاتی، جایی که او نوشت: "متابولیسم کربن و انرژی توسط شیب پروتون هدایت می شود، دقیقا همان چیزی که دریچه ها به صورت رایگان ارائه می کنند." او این ایده را با جزئیات بیشتری برای عموم در آخرین کتاب خود شرح می دهد. ترانسفورماتور: شیمی عمیق زندگی و مرگ. از نظر او، متابولیسم در زندگی نقشی اساسی دارد و اطلاعات ژنتیکی به جای برعکس، به طور طبیعی از آن بیرون می آید. لین معتقد است که پیامدهای این معکوس تقریباً همه رازهای بزرگ در زیست شناسی، از جمله ماهیت سرطان و پیری را لمس می کند.
تئوری لین هنوز تنها یکی از نظریه های موجود در زمینه منشأ مطالعات زندگی است. بسیاری از دانشمندان، اگر نه بیشتر دانشمندان، بر تئوری هایی هستند که زندگی با آنها آغاز شده است مخلوط های خود تکثیر شونده of RNA و سایر مولکول هاو روی سطح زمین یا در نزدیکی آن پدید آمده و توسط نور خورشید تغذیه شده است. مطالعات دریچه های گرمابی به عنوان بوته های حیات در دهه های اخیر رونق گرفته است، اما برخی از آنها به دریچه های آتشفشانی در آب شیرین، نه دریچه های عمیق در کف دریا. با این حال، در حالی که توضیح لین به همه سؤالات در مورد چگونگی شروع زندگی پاسخ نمی دهد، به سؤالات دشوار در مورد چگونگی انجام سنتز انرژی بر پروتئین ها و سایر مولکول های زیستی ضروری می پردازد.
تحقیق در مورد اینکه چگونه نیاز به انرژی بر تکامل زندگی تأثیر گذاشته و آن را محدود کرده است، همیشه موضوع اصلی حرفه لین به عنوان یک دانشمند - با بیش از 100 مقاله در مجلات معتبر - و یک نویسنده علمی بوده است. لین در سال 2015 جایزه انجمن بیوشیمیایی را به خاطر کمک هایش در علوم زیستی دریافت کرد و در سال 2016 انجمن سلطنتی لندن به او اهدا کرد. جایزه مایکل فارادی برای تعالی در انتقال علم به عموم
کوانتوم اخیراً با لین در خانه اش در لندن از طریق ویدئو کنفرانس صحبت کرد. مصاحبه برای وضوح فشرده و ویرایش شده است.
کتاب شما استدلال می‌کند که جریان انرژی و ماده، تکامل حیات را تشکیل می‌دهد و متابولیسم چگونه است "ژن ها را به وجود می آورد." قانع‌کننده‌ترین دلیل برای اینکه فکر کنیم متابولیسم، نه اطلاعات ژنتیکی، ابتدا تکامل یافته است، چیست؟
دیدگاه خالصانه «اول اطلاعات» دنیای RNA است، جایی که برخی از فرآیندها در محیط نوکلئوتیدها را می‌سازند و نوکلئوتیدها فرآیندی را طی می‌کنند که باعث می‌شود به زنجیره‌های پلیمری متصل شوند. سپس ما جمعیتی از RNA داریم، و آنها همه چیز را اختراع می کنند، زیرا هم قادر به کاتالیزور واکنش ها و هم کپی کردن خود هستند. اما پس از آن چگونه RNA ها همه متابولیسم، سلول ها، ساختار فضایی و غیره را اختراع کردند؟ ژن ها در واقع حتی امروز هم این کار را نمی کنند. سلول‌ها از سلول‌ها می‌آیند و ژن‌ها برای سواری همراه هستند. پس چرا ژن ها در همان ابتدا این کار را انجام می دهند؟
و چگونه این کار را انجام خواهند داد؟ فرض کنید 10 مرحله در یک مسیر بیوشیمیایی وجود دارد، و هر مرحله به خودی خود کاربرد زیادی ندارد. هر محصول در یک مسیر باید برای تکامل آن مفید باشد، که اینطور نیست. به نظر می رسد که تکامل حتی یک مسیر واحد بسیار دشوار است.
چه گزینه ای وجود دارد؟
جایگزین این است که این چیزها به طور خود به خود در شرایط مساعد اتفاق می افتند، و شما مقادیر بسیار کمی از تبدیل متقابل را از یک واسطه به واسطه بعدی در تمام طول مسیر دریافت می کنید. خیلی زیاد نیست و در مقایسه با واکنش های کاتالیز شده توسط آنزیم خیلی سریع نیست، اما وجود دارد. سپس هنگامی که یک ژن در مراحل بعدی بوجود می آید، می تواند هر یک از این مراحل را کاتالیز کند، که تمایل به سرعت بخشیدن به کل مسیر را دارد.
که مشکل را بسیار ساده تر می کند. اما این پیش‌بینی نگران‌کننده را نیز انجام می‌دهد که همه شیمی در این مسیر باید مورد توجه قرار گیرد. و سپس شما می گویید که برای مسیر دیگری و مسیری دیگر، و این که هسته بیوشیمی اتفاقاً در غیاب ژن ها از نظر ترمودینامیکی مورد توجه قرار می گیرد، به گزاره ای ترسناک تبدیل می شود.
شش یا هفت سال پیش، این موقعیت آسانی برای حفظ آن نبود، زیرا در واقع هیچ مدرکی برای آن وجود نداشت. اما از آن زمان تاکنون، حداقل سه یا چهار مورد از این مسیرها به صورت خود به خود و در سطوح پایین در آزمایشگاه نشان داده شده است. همه مسیرها کامل نیستند، اما مراحل میانی رخ می دهد. به نظر می رسد که این موضع غیرمنطقی نیست که بگوییم ژن ها در دنیایی به وجود آمده اند که قبلاً متابولیسم اولیه کاملاً پیچیده ای داشتیم.
بیایید در مورد چگونگی تکامل پروتو متابولیسم در دریچه های گرمابی اعماق دریا صحبت کنیم. چه چیزی در مورد محیط دریچه وجود دارد که باعث می‌شود فکر کنید به نفع آغاز چیزی است که ما آن را چرخه کربس می‌نامیم، فرآیند متابولیک که انرژی را از کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و پروتئین‌ها به دست می‌آورد؟
بیایید با چیزی شروع کنیم: هیدروژن و دی اکسید کربن، که به راحتی واکنش نشان نمی دهند. زندگی چگونه آنها را وادار به واکنش می کند؟ همانطور که در میتوکندری ها و برخی باکتری ها می بینیم، زندگی از یک بار الکتریکی روی غشاء برای انتقال الکترون ها از هیدروژن به پروتئین های گوگرد آهن مانند فرودوکسین استفاده می کند. این خوشه‌های کوچک یون‌های آهن و یون‌های گوگرد در قلب پروتئین‌های باستانی مانند مواد معدنی کوچکی هستند. شما این مواد معدنی را در دریچه های گرمابی دریافت می کنید و همچنین دی اکسید کربن و هیدروژن دریافت می کنید و حتی موانع نازکی در سنگ متخلخل وجود دارد که بار الکتریکی روی آنها وجود دارد.
سوال این است: آیا این ساختار در دریچه ها به طور موثر واکنش بین دی اکسید کربن و هیدروژن را هدایت می کند؟ و پاسخی که در یکی دو سال گذشته در آزمایشگاه پیدا کردیم این است که بله، واقعاً اینطور است. ما چیز زیادی به دست نمی آوریم، اما با شروع بهینه سازی فرآیندمان، بیشتر به دست می آوریم، و آنچه می بینیم تولید شده، واسطه های چرخه کربس است. و اگر مقداری نیتروژن وارد کنید، همان آمینو اسیدهایی را دریافت می کنید که زندگی از آن استفاده می کند.
بنابراین این شیمی از نظر ترمودینامیکی مورد علاقه است. فقط همین مراحل اولیه هستند که سرکش هستند، اما به نظر می رسد بارهای الکتریکی دریچه گرمابی مانع را برای اولین مرحله کاهش می دهد، بنابراین بقیه ممکن است اتفاق بیفتد. در واقع آنچه شما دارید جریان مداوم سیالات گرمابی است که از طریق این واکنش الکتروشیمیایی می گذرد، گازهای موجود در محیط را به مولکول های آلی تر تبدیل می کند، که می توانید تصور کنید که در منافذ سلول مانند فرو می روند، خود را به شکل موجودات سلول مانند می سازند و بیشتر می سازند. از خودشان این یک شکل بسیار خشن از رشد است، اما از این نظر واقعی است.
اما پس چگونه این سلول های اولیه اولیه از شیب پروتونی که به صورت رایگان در دریچه های گرمابی دریافت می کردند مستقل شدند؟
بسیاری از اینها حدس و گمان باقی می ماند، اما به نظر می رسد پاسخ این است که برای مستقل بودن به ژن نیاز دارید. و بنابراین این یک سوال اساسی است: ژن ها از کجا و چه زمانی وارد می شوند؟
ما نشان داده‌ایم که از نظر تئوری، اگر توالی‌های تصادفی RNA را معرفی کنید و فرض کنید که نوکلئوتیدهای موجود در آنجا می‌توانند پلیمریزه شوند، زنجیره‌های کوچکی از نوکلئوتیدها به دست می‌آید. فرض کنید هفت یا هشت حرف تصادفی طول می کشد، بدون هیچ اطلاعاتی در آن کدگذاری شده است. دو راه وجود دارد که اکنون می تواند واقعاً به شما کمک کند. یکی این است که به عنوان یک الگو برای RNA بیشتر عمل می کند: می تواند یک کپی دقیق از همان دنباله را الگوبرداری کند، حتی اگر آن توالی هیچ اطلاعاتی در آن نداشته باشد. اما دومین کاری که در اصل می تواند انجام دهد این است که به عنوان یک الگو برای اسیدهای آمینه عمل کند. الگوهایی از برهمکنش‌های بیوفیزیکی غیراختصاصی بین اسیدهای آمینه و حروف در RNA وجود دارد - اسیدهای آمینه آبگریز بیشتر با بازهای آبگریز تعامل دارند.
بنابراین شما یک توالی تصادفی از RNA دارید که یک پپتید غیر تصادفی تولید می کند. و این پپتید غیرتصادفی می تواند به طور تصادفی عملکردی در یک سلول اولیه در حال رشد داشته باشد. می تواند باعث رشد بهتر یا بدتر سلول شود. می تواند به تکثیر RNA کمک کند. می تواند به کوفاکتورها متصل شود. سپس انتخابی برای آن پپتید و توالی RNAی که باعث ایجاد آن شده است دارید. اگرچه این یک سیستم بسیار ابتدایی است، اما به این معنی است که ما به تازگی وارد دنیای ژن ها، اطلاعات و انتخاب طبیعی شده ایم.
ما به تازگی از یک سیستم بدون اطلاعات به یک سیستم با اطلاعات تبدیل شده‌ایم که تقریباً هیچ تغییری در خود سیستم وجود ندارد. تمام کاری که ما انجام دادیم معرفی RNA تصادفی است. حالا درسته؟ آنها می گویند زیباترین ایده ها را می توان با حقایق زشت کشت. و ممکن است درست نباشد، اما آنقدر قدرت توضیحی بالایی دارد که نمی توانم باور کنم که درست نباشد.
بنابراین در دریچه های هیدروترمال مقداری واسطه چرخه کربس به دست می آوریم. اما چگونه همه آنها به عنوان یک چرخه گرد هم آمدند؟ آیا مهم است که این به عنوان یک چرخه به جای زنجیره خطی از واکنش ها عمل کند؟
ما اغلب بر چرخه کربس تمرکز می کنیم که بارها و بارها همان واکنش های تولید کننده انرژی را انجام می دهد. اما چرخه کربس می تواند در هر دو جهت عمل کند. در میتوکندری ما، دی‌اکسید کربن و هیدروژن را از مولکول‌های میانی جدا می‌کند تا برای تولید انرژی، بار الکتریکی روی غشاء ایجاد کند. اما در بسیاری از باکتری‌های باستانی دقیقاً برعکس عمل می‌کند: از بار الکتریکی روی یک غشاء برای ایجاد واکنش‌هایی با دی‌اکسید کربن و هیدروژن استفاده می‌کند تا آن واسطه‌ها را بسازد، که به پیش‌سازهایی برای ساخت اسیدهای آمینه مورد نیاز برای رشد تبدیل می‌شوند.
و این فقط در باکتری های باستانی نیست - سلول های ما هنوز از چرخه کربس برای بیوسنتز استفاده می کنند. ما از دهه 1940 می دانیم که چرخه کربس گاهی اوقات می تواند در سلول های ما به سمت عقب حرکت کند و مولکول های واسطه آن گاهی اوقات به عنوان پیش ساز برای ساخت اسیدهای آمینه استفاده می شوند. میتوکندری های ما بر اساس نیازهای سلول های ما، دو فرآیند متضاد، تولید انرژی و بیوسنتز را متعادل می کنند. در این مورد نوعی یین و یانگ وجود دارد.
چرخه کربس هرگز به‌عنوان یک چرخه واقعی عمل نکرد، مگر در سلول‌های بسیار پرانرژی، مانند ماهیچه‌های پرواز کبوتر، جایی که برای اولین بار کشف شد. در اکثر سلول‌ها، چرخه کربس بیشتر شبیه یک دوربرگردان است تا یک چرخه، با چیزهایی که در نقاط مختلف وارد و خارج می‌شوند. و این یک دوربرگردان است که می تواند در هر دو جهت حرکت کند، بنابراین به نوعی کثیف است.
چگونه افزایش اکسیژن با جهت مطلوب شار متابولیک و تکامل اولین حیوانات چند سلولی مرتبط بود؟
به نظر می رسد اولین حیوانات زمانی در حال تکامل بوده اند که سطح اکسیژن در بیشتر مواقع بسیار پایین بوده است. آنها در گلی که پر از سولفید بود، مانند گازهای فاضلاب می خزیدند. این کرم‌های اولیه برای خزیدن به مقداری اکسیژن نیاز داشتند، اما همچنین باید این همه سولفید را سم زدایی کنند و با مقدار زیادی دی اکسید کربن در محیط خود مقابله کنند.
متوجه شدم که تنها راهی که می توانید این کار را انجام دهید، داشتن انواع مختلف بافت است که کارهای متفاوتی را انجام می دهند. به محض اینکه در حال خزیدن هستید، به عضلات نیاز دارید و به نوعی سیستم تنفسی نیاز دارید. این دو نوع بافت متفاوت است، یکی از آنها باید اکسیژن را حفظ کند و در صورت نیاز آن را فراهم کند، در حالی که دیگری سعی می کند در غیاب اکسیژن کار کند. آنها باید بیوشیمی خود را به روش های مختلف، با شارهای مختلف در چرخه کربس خود انجام دهند. شما به نوعی مجبور هستید دو یا سه کار را همزمان انجام دهید.
اکنون، در مقابل، این گروه مرموز از موجودات ساده به نام جانوران ادیاکران وجود داشت. آنها در عمق 200 متری اقیانوس زندگی می کردند و درست قبل از انفجار کامبرین در حدود 540 میلیون سال پیش، زمانی که سطح اکسیژن در محیط کاهش یافت، منقرض شدند. جانوران Ediacaran تمایز بافتی زیادی نداشتند و آنها فقط می‌توانستند یک کار را در یک زمان بیوشیمیایی انجام دهند. هنگامی که سطح اکسیژن درست قبل از کامبرین کاهش یافت، آنها نتوانستند با محیط های جدید سازگار شوند.
اما به محض اینکه چندین بافت دارید، می توانید کارها را به صورت موازی انجام دهید. شما می توانید کاری که این بافت انجام می دهد و کاری که آن بافت انجام می دهد متعادل کنید. شما نمی توانید انرژی و بیوسنتز را به طور همزمان به راحتی انجام دهید - انجام یکی یا دیگری آسان تر است. این نوع ما را مجبور می کند که متابولیسم های متفاوتی در بافت های مختلف داشته باشیم.
بنابراین تمایز بافت تنها به داشتن ژن هایی نیست که می گویند: "این به کبد تبدیل می شود" یا "این به بافت عصبی تبدیل می شود." این اجازه می‌دهد سبک‌های زندگی که قبلاً امکان‌پذیر نبودند، و به اولین کرم‌ها اجازه داد تا از شرایط بدی عبور کنند که هر چیز دیگری را از بین برد. انفجار کامبرین پس از آن اتفاق افتاد. وقتی سطح اکسیژن در نهایت بالا رفت، این کرم‌های شکوهمند با بافت‌های متعدد ناگهان تنها نمایش در شهر بودند.
این به برخی از ایده های شما در مورد سرطان مرتبط است. از دهه 1970، بیشتر مؤسسات زیست پزشکی که برای درمان و پیشگیری از سرطان ها کار می کنند، بر روی انکوژن ها متمرکز شده اند. با این حال شما استدلال می کنید که سرطان یک بیماری ژنومی نیست بلکه یک بیماری متابولیک است. میشه توضیح بدید چرا؟
حدود 10 سال پیش، جامعه سرطانی از کشف این که در برخی سرطان ها، جهش ها می تواند منجر به عقب رفتن قسمت هایی از چرخه کربس شود، شگفت زده شدند. این بسیار شوک بود زیرا چرخه کربس معمولاً به عنوان چرخش به جلو برای تولید انرژی آموزش داده می شود. اما معلوم شد که در حالی که یک سلول سرطانی به انرژی نیاز دارد، چیزی که واقعاً به آن نیاز دارد، بلوک‌های ساختمانی مبتنی بر کربن برای رشد است. بنابراین، کل حوزه انکولوژی شروع به دیدن این معکوس شدن چرخه کربس به عنوان نوعی سیم کشی مجدد متابولیک کرد که به رشد سلول های سرطانی کمک می کند.
این کشف همچنین باعث تفسیر مجدد این واقعیت شد که سلول های سرطانی عمدتاً با آنچه گلیکولیز هوازی نامیده می شود رشد می کنند. در واقع، سلول‌های سرطانی از سوختن اکسیژن در میتوکندری خود برای تنفس به تخمیر برای انرژی مانند سلول‌های مخمر، حتی در حضور اکسیژن تغییر می‌کنند. زمانی که اتو واربورگ این موضوع را تقریباً 100 سال پیش گزارش کرد، روی جنبه انرژی تمرکز کرد. اما جامعه سرطان اکنون می بیند که این تغییر در مورد رشد است. سلول های سرطانی با تبدیل به گلیکولیز هوازی برای تامین انرژی، میتوکندری خود را برای اهداف دیگر آزاد می کنند. سلول های سرطانی دارای میتوکندری های بیوسنتزی برای ساخت بلوک های زندگی هستند.
درست است که شما جهش های انکوژن را در سرطان ها می بینید. اما سرطان‌ها صرفاً توسط برخی جهش‌های ژنتیکی قطعی ایجاد نمی‌شوند که سلول‌ها را مجبور می‌کند بدون توقف به رشد خود ادامه دهند. متابولیسم نیز برای فراهم کردن محیطی مناسب برای رشد مهم است. رشد به این معنا قبل از ژن است.
چه چیزی ما را در برابر سرطان با افزایش سن آسیب پذیرتر می کند، اگر این انباشت جهش نباشد؟
من فکر می کنم هر گونه آسیب به تنفس که چرخه کربس را کند می کند، احتمال بازگشت آن به بیوسنتز را بیشتر می کند. با بالا رفتن سن و انباشته شدن انواع آسیب های سلولی، این بخش مرکزی متابولیسم ما احتمالاً شروع به عقب رفتن می کند یا به طور موثر جلو نمی رود. یعنی انرژی کمتری خواهیم داشت. این بدان معنی است که ما شروع به افزایش وزن خواهیم کرد زیرا شروع به تبدیل دی اکسید کربنی که بازدم می کنیم به مولکول های آلی می کنیم. خطر ابتلا به بیماری هایی مانند سرطان در ما افزایش می یابد زیرا متابولیسمی داریم که مستعد چنین رشدی است.
جامعه پیری شناسی 10 تا 20 سال است که در همین راستا صحبت می کند. بزرگترین عامل خطر برای بیماری های مرتبط با افزایش سن، جهش نیست. قدیمی است اگر بتوانیم روند اصلی پیری را حل کنیم، می‌توانیم بیشتر بیماری‌های مرتبط با افزایش سن را درمان کنیم. از بسیاری جهات به طرز وسوسه انگیزی ساده به نظر می رسد. آیا واقعاً ما به طور ناگهانی به 120 یا 800 زندگی خواهیم کرد؟ من نمی بینم که به این زودی اتفاق بیفتد. اما سوال اینجاست که چرا نه؟
چرا پیر می شویم؟ چه چیزی باعث آسیب سلولی در حال رشد می شود؟
ما طی پنج یا شش سال گذشته کشف کرده‌ایم که واسطه‌های چرخه کربس سیگنال‌های قوی هستند. بنابراین اگر چرخه کند شود و شروع به عقب رفتن کند، ما شروع به جمع آوری مواد واسطه می کنیم و چیزهایی مانند سوکسینات شروع به خونریزی از میتوکندری می کنند. آنها هزاران ژن را روشن و خاموش می کنند و وضعیت اپی ژنتیکی سلول ها را تغییر می دهند. افزایش سن نشان دهنده وضعیت متابولیسم شماست.
ما معمولا فراموش می کنیم که متابولیسم شامل 20 میلیارد واکنش در ثانیه، ثانیه به ثانیه، در هر سلول بدن شما می شود. حجم انبوه مولکول‌هایی که به طور مداوم در تمام این مسیرها تغییر شکل می‌دهند، از جمله تا قلب چرخه کربس، بسیار زیاد است. این یک رودخانه اجتناب ناپذیر از واکنش ها است. ما نمی‌توانیم جریان آن را معکوس کنیم، اما شاید بتوانیم امیدوار باشیم که آن را کمی بهتر بین بانک‌ها هدایت کنیم.
