الأشعة الكونية تفسر انحياز الحياة للحمض النووي الأصيل

مصر – ايهاب محمد زايد
ربما أعطت الأشعة الكونية اللولب الجيني الأيمن ميزة تطورية في بداية تاريخ الحياة.
حلزون مزدوج للحمض النووي يصطدم بأشعة كونية.
قد تفسر التفاعلات غير المتوازنة بين جزيئات الأشعة الكونية والجزيئات الحيوية غير المتوازنة سبب اعتماد الحياة على الأرض بشكل حصري على لولب الحمض النووي والحمض النووي الريبي الأيمن.
إذا كنت تستطيع أن تتقلص بشكل صغير بما يكفي لتنزل اللولب الجيني لأي حيوان أو نبات أو فطر أو بكتيريا أو فيروس على الأرض كما لو كان سلمًا حلزونيًا ، فستجد نفسك دائمًا تنعطف إلى اليمين – لا تتركه أبدًا. إنها سمة عالمية تحتاج إلى تفسير.
لا يرى الكيميائيون وعلماء الأحياء سببًا واضحًا وراء تفضيل كل أشكال الحياة المعروفة لهذه البنية. توجد جزيئات “Chiral” في أشكال مزدوجة تعكس بعضها البعض بالطريقة التي يتطابق بها القفاز الأيمن مع القفاز الأيسر. تنتج جميع التفاعلات الكيميائية المعروفة بشكل أساسي خليطًا متساويًا من الاثنين. من حيث المبدأ ، يجب أن يعمل خيط الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي المصنوع من طوب النيوكليوتيدات اليسرى تمامًا مثل خيط مصنوع من الطوب الأيمن (على الرغم من أن الوهم الذي يجمع بين الوحدات الفرعية اليمنى واليسرى قد لا يكون جيدًا على الأرجح).
ومع ذلك ، تستخدم الحياة اليوم واحدة فقط من مجموعتي الليغو المتاحتين في الكيمياء. يعتقد العديد من الباحثين أن الاختيار كان عشوائيًا: تلك الخيوط الجينية اليمنى ظهرت أولاً ، أو بأعداد أكبر قليلاً. ولكن لأكثر من قرن من الزمان ، فكر البعض في ما إذا كان لعقل علم الأحياء الفطري جذور أعمق.
كتب لويس باستور ، أحد العلماء الأوائل الذين أدركوا عدم التناسق في جزيئات الحياة ، في عام 1860: “هذه إحدى الروابط بين الحياة على الأرض والكون”.
الآن قد يكون اثنان من علماء الفيزياء قد تحققوا من صحة غرائز باستير من خلال ربط الالتواء غير المتغير في الحمض النووي الطبيعي بسلوك الجسيمات الأساسية. النظرية ، التي ظهرت في مايو في مجلة Astrophysical Journal Letters ، لا تشرح كل خطوة لكيفية اكتساب الحياة لسلطتها الحالية ، لكنها تؤكد أن شكل الحمض النووي للأرض والحمض النووي الريبي ليس من قبيل الصدفة. قد تعود كل اللوالب الخاصة بنا إلى تأثير غير متوقع من الأشعة الكونية.
قال ديميتار ساسيلوف ، عالم الفلك في جامعة هارفارد ومدير مبادرة أصول الحياة بالمدرسة ، والذي لم يشارك في البحث ، إن هذا العمل “يشير إلى عامل غير طبيعي جديد لم نفكر فيه”. “يبدو أنه جيد جدًا.”
الأشعة الكونية هي طلقات من الفضاء السحيق ، شظايا ذرية تمطر باستمرار على رؤوسنا. هذه الأجسام العنيفة هي مقلع قديم لـ Noémie Globus ، عالمة الفيزياء الفلكية عالية الطاقة في جامعة نيويورك ومركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية في معهد Flatiron. لكن Globus لم تفكر كثيرًا في كيفية تأثير الأشعة الكونية على الحياة حتى عام 2018 عندما كانت باحثة زائرة في معهد كافلي للجسيمات الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات ، حيث التقت روجر بلاندفورد ، زميل الفيزياء الفلكية والمدير السابق لمعهد جامعة ستانفورد.
لقد بدأوا من حقيقة أن زخات الأشعة الكونية ، مثل خيوط الحمض النووي ، لها استخدام يد. تنكسر الأحداث الفيزيائية عادةً إلى اليمين بقدر ما تنكسر إلى اليسار ، لكن بعض الجسيمات في زخات الأشعة الكونية تستغل أحد الاستثناءات النادرة للطبيعة.
عندما تصطدم البروتونات عالية الطاقة في الأشعة الكونية بالغلاف الجوي ، فإنها تنتج جسيمات تسمى البيونات ، ويخضع الانحلال السريع للبيونات للقوة الضعيفة – القوة الأساسية الوحيدة التي لها عدم تناسق مرآة معروف. تصطدم البيونات بالغلاف الجوي وتنتج زخات من الجسيمات بما في ذلك الإلكترونات وإخوتها الأثقل وزنًا ، الميونات ، وكلها مجهزة بالقوة الضعيفة بنفس الاتجاه المغناطيسي اللولبي بالنسبة لمسارها. قال جلوبوس إن الجسيمات ترتد حولها أثناء تواجدها في الغلاف الجوي ، لكنها عمومًا تميل إلى الحفاظ على تناسقها المفضل عندما تصطدم بالأرض.
افترض الباحثون أن الكائنات الحية الأولى على الأرض – والتي ربما كانت أكثر بقليل من أعمدة حلاقة عارية من المواد الجينية – جاءت على الأرجح في نوعين. كان لدى بعضها خيوط من الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي الملتفة مثل خيوطنا ، والتي أطلق عليها هي وبلاندفورد اسم الجزيئات “الحية” (تختلف اصطلاحات التسمية غير المتجانسة باختلاف المجال) ، بينما كان لدى البعض الآخر خيوط معكوسة المرآة – الحياة “الشريرة”. من خلال سلسلة من نماذج الألعاب ، حسب الباحثون أن جسيمات الأشعة الكونية المنحازة كانت أكثر احتمالًا إلى حد ما لفقدان إلكترون من حلزون “حي” منه من حلزون “شرير” ، وهو حدث يتسبب نظريًا في حدوث طفرات.
قد يكون التأثير ضئيلًا: قد تكون هناك حاجة لملايين إن لم يكن مليارات من ضربات الأشعة الكونية لإنتاج إلكترون حر إضافي واحد في خيط “حي” ، اعتمادًا على طاقة الحدث. ولكن إذا غيرت تلك الإلكترونات الأحرف في الشفرات الجينية للكائنات ، فربما تكون هذه التعديلات قد أضافت. يقترح جلوبس أنه على مدى مليون عام ربما تكون الأشعة الكونية قد سرعت تطور أسلافنا الأوائل ، مما سمح لهم بالتنافس على منافسيهم “الأشرار”. قالت: “إذا لم يكن لديك طفرات ، فلن تتطور”.
الشكل الذي يشرح سبب استناد الحياة على الأرض حصريًا إلى الحمض النووي الريبي والحمض النووي الريبي الأيمن.
لوسي ريدينغ-إيكاندا ؛ بإذن من مؤسسة Simons (مقتبس من مجلة Quanta)
تتمثل المهمة التالية للباحثين في معرفة ما إذا كان استخدام اليد للجسيمات الحقيقية يمكن أن يتسبب بالفعل في الطفرة السريعة التي شوهدت في نموذجهم. بعد أن نشروا أبحاثهم ، اتصلت Globus ب ديفيد ديمر ، عالم الأحياء والمهندس في جامعة كاليفورنيا ، سانتا كروز ، للحصول على المساعدة. أعجب بأفكارها ، واقترح أبسط اختبار بيولوجي يمكن أن يفكر فيه: اختبار جاهز يُعرف باسم اختبار أميس الذي يعرض مستعمرة بكتيرية لمادة كيميائية لمعرفة ما إذا كانت المادة تسبب طفرات. لكن بدلاً من تقييم مادة كيميائية ، يخطط الباحثون لتحميص الميكروبات بحزم من الإلكترونات اللولبية أو الميونات.
إن إثبات أن سيطرة الجسيمات يمكن أن تحور الميكروبات حقًا من شأنه أن يعزز حالتهم بأن الأشعة الكونية قد دفعت أسلافنا بعيدًا عن كتلة البداية التطورية ، لكنها ما زالت لا تفسر تمامًا التناسق المتماثل للحياة على الأرض. لا تتناول النظرية ، على سبيل المثال ، كيف تمكنت الكائنات الحية “الحية” والكائنات “الشريرة” من أن تتجسد من عصير بدائي يحتوي على كل من اللبنات الأساسية اليمنى واليسرى.
قال جيسون دوركين ، كبير علماء الأحياء الفلكية في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا والمحقق في Simons Collaboration on the Origins of Life: “هذه خطوة صعبة للغاية ، ولكن إذا كانت هذه [النظرية] يمكن أن توفر آلية مختلفة ، الضغط الدارويني ، سيكون هذا مثيرًا للاهتمام “.
حتى قبل أن يدخل التطور الجيني الصورة ، يبدو أن عملية أخرى غير معروفة تعيق الحياة “الشريرة”. توجد جزيئات الأحماض الأمينية البسيطة التي تشكل البروتينات أيضًا في تكوينات “حية” تفضلها تكوينات الحياة و “الشر” غير الموجودة (على الرغم من أن التزاوج المفضل للأحماض الأمينية “الحية” يكاد يكون حصريًا على اليد اليسرى).
وجد التحليل الدقيق للنيازك بواسطة Dworkin وآخرون أن بعض الأحماض الأمينية “الحية” تفوق عدد الأحماض “الشريرة” بنسبة 20٪ أو أكثر ، وهو فائض ربما تكون قد نقلته إلى الأرض. يمكن أن تكون الجزيئات الزائدة هي الناجين المحظوظين الذين تعرضوا لمليارات السنين للضوء المستقطب دائريًا ، وهي مجموعة من الحزم كلها تدور في نفس الاتجاه الذي أظهرت التجارب أنه يمكن أن يدمر نوعًا واحدًا من الأحماض الأمينية بشكل أكثر شمولاً قليلاً من الآخر.
ولكن ، مثل الأشعة الكونية ، فإن أشعة الضوء لها تأثير هامشي. ستكون هناك حاجة إلى تفاعلات لا حصر لها لترك خللًا ملحوظًا في التوازن ، لذلك قد تكون هناك قوة أخرى في العمل أيضًا. يقول دوركين إن على الضوء أن يسحق كميات ضخمة لا يمكن تحملها من الجزيئات لشرح التجاوزات من تلقاء نفسه.
شجع ساسيلوف Globus و Blandford على التفكير فيما إذا كانت الأشعة الكونية قد تتحد مع الضوء المستقطب لتشكيل الأحماض الأمينية على الكويكبات. على الأرض ، فإن جرعات الأشعة الكونية – التي يشبهها بالرصاص الأسرع من الصوت – التي ستكون ضرورية لإحداث فرق حلزوني ملحوظ قد تكون قاتلة للغاية ، كما تكهن. قال: “إنك تدمر الكثير من كل شيء”. “ربما تكون قد تركت بيدك [الصحيحة] ، لكنك في الأساس تطلق النار على قدمك.”
في النهاية ، تشير حقيقة أن الباحثين يكافحون من أجل إيجاد نظرية توازن بين صعود التباين في مواجهة تدمير المواد البيولوجية إلى أن أسلافنا ربما كانوا محظوظين بالعثور على هذا الخط الدقيق.
قال ساسيلوف: “هناك شيء مميز حول كواكب مثل الأرض يحمي هذا النوع من الكيمياء”.
المصدر كوانتا