دانشمندان شرایطی را بازسازی کردند که به پیدایش حیات پیچیده منجر شد - وبلاگ ماکارون

به گزارش وبلاگ ماکارون، همزیستی درون سلولی (Endosymbiosis) یکی از مهم ترین فرایندهای زیستی است که به پیدایش حیات پیچیده روی زمین منجر شده است. این پدیده، زمانی رخ می دهد که یک سلول وارد سلول دیگری گردد و به جای بلعیده شدن، در آنجا باقی بماند. در شرایط مناسب، این ارتباط می تواند آن قدر پایدار گردد که میلیون ها یا حتی میلیاردها سال ادامه پیدا کند و تکامل را به پیش ببرد. زندگی در سطح میکروبی، برخلاف تصور رایج، یک نبرد انفرادی نیست، بلکه ارگانیسم های تک سلولی در رقابت و تعامل دائمی با یکدیگر هستند. در دریاها، خاک و حتی بدن انسان، میکروب ها (Microbes) نه تنها برای جذب مواد مغذی با هم رقابت می نمایند، بلکه دی ان ای (DNA) خود را مبادله نموده و حتی همدیگر را می خورند. اما گاهی اوقات، این تعاملات به سطحی عمیق تر می رسند؛ یک سلول می تواند به درون سلول دیگر وارد شده و به جای نابودی، در آنجا ساکن گردد. اگر شرایط مناسب باشد، این همزیستی به یک شراکت پایدار (Stable Partnership) تبدیل می گردد که می تواند مسیر تکامل را دگرگون کند.

نمونه های پیروز این فرایند را در سراسر دنیای زیستی می توان یافت. میتوکندری (Mitochondria)، که امروز به عنوان نیروگاه سلول های ما شناخته می گردد، زمانی یک باکتری مستقل (Free-Living Bacteria) بود. کلروپلاست (Chloroplast)، که در گیاهان مسئول انجام فتوسنتز است، در گذشته یک موجودیت جداگانه محسوب می شد. بسیاری از حشرات (Insects) برای دریافت مواد مغذی ضروری به باکتری هایی که درون بدنشان زندگی می نمایند، وابسته اند. حتی در پژوهش های نو، نوعی اندوسیمبیونت به نام نیتروپلاست (Nitroplast) کشف شده است که به بعضی جلبک ها (Algae) در پردازش نیتروژن یاری می نماید.

اما همچنان بسیاری از جنبه های این پدیده برای دانشمندان ناشناخته است. چگونه یک سلول که وارد دیگری شده است، از نابودی به وسیله سیستم ایمنی میزبان فرار می نماید؟ چه عواملی باعث می گردد که این ارتباط به جای یک رابطه موقتی، به یک همزیستی دائمی (Permanent Symbiosis) تبدیل گردد؟ آیا می توان این فرایند را در آزمایشگاه بازسازی کرد؟

اکنون، برای اولین بار، پژوهشگران توانسته اند همزیستی درون سلولی را در شرایط آزمایشگاهی به وجود بیاورند. آن ها با تزریق باکتری ها (Bacteria) به درون قارچ ها (Fungi)، این فرایند را در سطح میکروسکوپی مشاهده نموده و نشان داده اند که چگونه چنین ارتباطاتی در طبیعت شکل می گیرند. برخلاف تصورات اولیه، این سازگاری بسیار سریع تر از حد انتظار رخ داد، که نشان می دهد همزیستی در سطح سلولی، امری طبیعی و رایج است.

همزیستی یا نبرد برای بقا؟ سلول ها چگونه با یکدیگر سازگار می شوند؟

جولیا وورهولت (Julia Vorholt)، میکروبیولوژیستی که سال ها درباره همزیستی درون سلولی تحقیق نموده است، باور دارد که این فرایند یک بازی حساس بین بقا (Survival) و تکامل (Evolution) است. دانشمندان بر این باورند که زمانی که یک باکتری به درون یک سلول میزبان (Host Cell) وارد می گردد، این رابطه در مرز میان عفونت (Infection) و همزیستی (Symbiosis) قرار می گیرد.

مشکل اصلی این است که اگر باکتری بیش ازحد سریع تکثیر گردد، می تواند منابع میزبان را مصرف کند و در نهایت باعث مرگ هر دو موجود گردد. از سوی دیگر، اگر تکثیر آن بیش ازحد کند باشد، فرصت تثبیت خود را از دست می دهد و از سیستم بیولوژیکی حذف می گردد. برای پیروزیت در همزیستی پایدار (Stable Endosymbiosis)، باید نوعی تعادل تکثیری (Goldilocks Reproductive Rate) وجود داشته باشد؛ یعنی نه آن قدر سریع که منابع میزبان تمام شوند، و نه آن قدر کند که باکتری نتواند جایگاه خود را تثبیت کند.

اما چالش اصلی این نیست. برای اینکه یک باکتری به یک اندوسیمبیونت واقعی (True Endosymbiont) تبدیل گردد، باید وارد چرخه فراوریمثل (Reproductive Cycle) میزبان شده و به وسیله آن به نسل های بعدی انتقال یابد. سپس، جهش های ژنتیکی (Genetic Mutations) باید به گونه ای رخ دهند که میزبان و همزیست در هماهنگی کامل تکامل پیدا نمایند. زمانی که این اتفاق بیفتد، این دو ارگانیسم کاملاً به یکدیگر وابسته (Dependent) شده و ادامه بقای آن ها بدون هم غیرممکن خواهد بود.

وورهولت شرح می دهد که در این مرحله، میزبان و همزیست به یکدیگر معتاد می شوند! این اعتیاد بیولوژیکی، پایه و اساس تکامل سلول های پیچیده ای است که امروزه در تمامی اشکال حیات دیده می شوند.

آزمایشی که مسیر تکامل را بازسازی کرد

دانشمندان برای ایجاد این همزیستی در شرایط آزمایشگاهی، با چالش های بسیاری روبرو بودند. در ابتدا، کوشش های پیشین برای وارد کردن باکتری به درون سلول های میزبان، اغلب با مرگ میزبان یا نابودی باکتری همراه بود. اما در یک آزمایش نو، محققان از یک روش ابتکاری استفاده کردند که شامل تزریق مستقیم باکتری به درون قارچ بود. این تزریق با استفاده از پمپ هوا (Air Pump) و تکنیک های پیشرفته زیست شناسی سلولی انجام شد.

پس از ورود باکتری ها به داخل سلول میزبان، اتفاقی شگفت انگیز رخ داد: برخلاف پیش بینی های اولیه، میزبان و همزیست به سرعت با یکدیگر سازگار شدند. این نشان می دهد که طبیعت به گونه ای طراحی شده است که همزیستی، نه استثنا، بلکه قاعده است.

واسیلیس کوکوریس (Vasilis Kokkoris)، زیست شناس سلولی که در این مطالعه مشارکت نداشت، نتایج این پژوهش را بسیار مهم می داند و می گوید:

برای من، این یعنی ارگانیسم ها ذاتاً تمایل دارند با هم زندگی نمایند. این یافته، یک تحول بزرگ در درک ما از تکامل است.

آینده ای فراتر از علم تکامل؛ مهندسی سلول های مصنوعی

دانشمندان اکنون به این فکر می نمایند که چگونه می توان از این اطلاعات برای مهندسی سلول های مصنوعی (Synthetic Cells) با توانایی های خاص استفاده کرد. اگر بتوان فرایند همزیستی درون سلولی را کنترل کرد، می توان ارگانیسم های مهندسی شده ای ساخت که دارای قابلیت هایی مانند فتوسنتز (Photosynthesis)، فراوری انرژی بیولوژیکی یا حتی پردازش مواد سمی باشند.

علاوه بر این، درک بهتر فرایندهای همزیستی می تواند به پژوهش های پزشکی نیز یاری کند. بعضی از بیماری ها، مانند بیماری های خودایمنی (Autoimmune Diseases)، ناشی از عدم تعادل در روابط میکروبی درون بدن هستند. اگر دانشمندان بتوانند این روابط را بهتر درک نمایند، ممکن است بتوانند راه های درمانی نوی برای این بیماری ها پیدا نمایند.

همان طور که میتوکندری و کلروپلاست روزی نقش خود را در تکامل سلول های پیچیده تثبیت کردند، شاید روزی اندوسیمبیونت های مصنوعی، دنیای زیست فناوری را متحول نمایند.

منبع

نوشته های مرتبط:

از سلول تا حیات: سلول های مصنوعی در داستان های علمی-تخیلی

چه کسی نخستین بار به صورت علمی روی منشأ حیات کار کرد؟

چشم ها چگونه در موجودات زنده تکامل پیدا کردند؟

دانشمندان انگلیسی ادعا می نمایند که شاهدی بر وجود حیات فرازمینی یافته اند!

زندگی روی زمین با چیزی بیش از RNA شروع شده: احتمالا DNA و RNA همزمان در روی زمین تشکیل شده اند