دانشمندان شرایطی را بازسازی کردند که به پیدایش حیات پیچیده منجر شد
همزیستی درونسلولی (Endosymbiosis) یکی از مهمترین فرایندهای زیستی است که به پیدایش حیات پیچیده روی زمین منجر شده است. این پدیده، زمانی رخ میدهد که یک سلول وارد سلول دیگری شود و بهجای بلعیده شدن، در آنجا باقی بماند. در شرایط مناسب، این ارتباط میتواند آنقدر پایدار شود که میلیونها 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 ارگانیسمهای تکسلولی در رقابت و تعامل دائمی با یکدیگر هستند. در دریاها، خاک و حتی بدن انسان، میکروبها (Microbes) نهتنها برای جذب مواد مغذی با هم رقابت میکنند، بلکه دیانای (DNA) خود را مبادله کرده و حتی همدیگر را میخورند. اما گاهی اوقات، این تعاملات به سطحی عمیقتر میرسند؛ یک سلول میتواند به درون سلول دیگر وارد شده و بهجای نابودی، در آنجا ساکن شود. اگر شرایط مناسب باشد، این همزیستی به یک شراکت پایدار (Stable Partnership) تبدیل میشود که میتواند مسیر تکامل را دگرگون کند.
نمونههای موفق این فرایند را در سراسر دنیای زیستی میتوان یافت. میتوکندری (Mitochondria)، که امروز بهعنوان نیروگاه سلولهای ما شناخته میشود، زمانی یک باکتری مستقل (Free-Living Bacteria) بود. کلروپلاست (Chloroplast)، که در گیاهان مسئول انجام فتوسنتز است، در گذشته یک موجودیت جداگانه محسوب میشد. بسیاری از حشرات (Insects) برای دریافت مواد مغذی ضروری به باکتریهایی که درون بدنشان زندگی میکنند، وابستهاند. حتی در پژوهشهای جدید، نوعی اندوسیمبیونت به نام نیتروپلاست (Nitroplast) کشف شده است که به برخی جلبکها (Algae) در پردازش نیتروژن کمک میکند.
اما همچنان بسیاری از جنبههای این پدیده برای دانشمندان ناشناخته است. چگونه یک سلول که وارد دیگری شده است، از نابودی توسط سیستم ایمنی میزبان فرار میکند؟ چه عواملی باعث میشود که این ارتباط بهجای یک رابطه موقتی، به یک همزیستی دائمی (Permanent Symbiosis) تبدیل شود؟ آیا میتوان این فرایند را در آزمایشگاه بازسازی کرد؟
اکنون، برای اولینبار، پژوهشگران توانستهاند همزیستی درونسلولی را در شرایط آزمایشگاهی به وجود بیاورند. آنها با تزریق باکتریها (Bacteria) به درون قارچها (Fungi)، این فرایند را در سطح میکروسکوپی مشاهده کرده و نشان دادهاند که چگونه چنین ارتباطاتی در طبیعت شکل میگیرند. برخلاف تصورات اولیه، این سازگاری بسیار سریعتر از حد انتظار رخ داد، که نشان میدهد همزیستی در سطح سلولی، امری طبیعی و رایج است.
همزیستی یا نبرد برای بقا؟ سلولها چگونه با یکدیگر سازگار میشوند؟
جولیا وورهولت (Julia Vorholt)، میکروبیولوژیستی که سالها درباره همزیستی درونسلولی تحقیق کرده 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 میشود، این رابطه در مرز میان عفونت (Infection) و همزیستی (Symbiosis) قرار میگیرد.
مشکل اصلی این است که اگر باکتری بیشازحد سریع تکثیر شود، میتواند منابع میزبان را مصرف کند و در نهایت باعث مرگ هر دو موجود شود. از سوی دیگر، اگر تکثیر آن بیشازحد کند باشد، فرصت تثبیت خود را از دست میدهد و از سیستم بیولوژیکی حذف میشود. برای موفقیت در همزیستی پایدار (Stable Endosymbiosis)، باید نوعی تعادل تکثیری (Goldilocks Reproductive Rate) وجود داشته باشد؛ یعنی نه آنقدر سریع که منابع میزبان تمام شوند، و نه آنقدر 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 شود، باید وارد چرخه تولیدمثل (Reproductive Cycle) میزبان شده و از طریق آن به نسلهای بعدی انتقال یابد. سپس، جهشهای ژنتیکی (Genetic Mutations) باید بهگونهای رخ دهند که میزبان و همزیست در هماهنگی کامل تکامل پیدا کنند. زمانی که این اتفاق بیفتد، این دو ارگانیسم کاملاً به یکدیگر وابسته (Dependent) شده و ادامه بقای آنها بدون هم غیرممکن خواهد بود.
وورهولت توضیح میدهد که در این مرحله، میزبان و همزیست به یکدیگر معتاد میشوند! این اعتیاد بیولوژیکی، پایه و اساس تکامل سلولهای پیچیدهای است که امروزه در تمامی اشکال حیات دیده میشوند.
آزمایشی که مسیر تکامل را بازسازی کرد
دانشمندان برای ایجاد این همزیستی در شرایط آزمایشگاهی، با چالشهای بسیاری مواجه بودند. در ابتدا، تلاشهای پیشین برای وارد کردن باکتری به درون سلولهای میزبان، اغلب با مرگ میزبان یا نابودی باکتری همراه بود. اما در یک آزمایش جدید، 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 تکنیکهای پیشرفته زیستشناسی سلولی انجام شد.
پس از ورود باکتریها به داخل سلول میزبان، اتفاقی شگفتانگیز رخ داد: برخلاف پیشبینیهای اولیه، میزبان و همزیست بهسرعت با یکدیگر سازگار شدند. این نشان میدهد که طبیعت بهگونهای طراحی شده است که همزیستی، نه استثنا، بلکه قاعده است.
واسیلیس کوکوریس (Vasilis Kokkoris)، زیستشناس سلولی که در این مطالعه مشارکت نداشت، نتایج این پژوهش را بسیار مهم میداند و میگوید:
«برای من، این یعنی ارگانیسمها ذاتاً تمایل دارند با هم زندگی کنند. این یافته، یک تحول بزرگ در درک ما از تکامل است.»
آیندهای فراتر از علم تکامل؛ مهندسی سلولهای مصنوعی
دانشمندان اکنون به این فکر میکنند که چگونه میتوان از این اطلاعات برای مهندسی سلولهای مصنوعی (Synthetic Cells) با تواناییهای خاص استفاده کرد. اگر بتوان فرایند همزیستی درونسلولی را کنترل کرد، میتوان ارگانیسمهای مهندسیشدهای ساخت که دارای قابلیتهایی مانند فتوسنتز (Photosynthesis)، تولید انرژی بیولوژیکی یا حتی پردازش مواد سمی باشند.
علاوه بر این، درک بهتر فرایندهای همزیستی میتواند به پژوهشهای پزشکی نیز کمک کند. برخی از بیماریها، مانند بیماریهای خودایمنی (Autoimmune Diseases)، ناشی از عدم تعادل در روابط میکروبی درون بدن هستند. اگر دانشمندان بتوانند این روابط را بهتر درک کنند، ممکن است بتوانند راههای درمانی جدیدی برای این بیماریها پیدا کنند.
همانطور که میتوکندری و کلروپلاست روزی نقش خود را در تکامل سلولهای پیچیده تثبیت کردند، شاید روزی اندوسیمبیونتهای مصنوعی، دنیای زیستفناوری را متحول کنند.
نوشتههای مرتبط:
از سلول تا حیات: سلولهای مصنوعی در داستانهای علمی-تخیلی
چه کسی نخستین بار به صورت علمی روی منشأ حیات کار کرد؟
چشمها چگونه در موجودات زنده تکامل پیدا کردند؟
دانشمندان انگلیسی «ادعا» میکنند که شاهدی بر وجود حیات فرازمینی یافتهاند!
زندگی روی زمین با چیزی بیش از RNA آغاز شده: احتمالا DNA و RNA همزمان در روی زمین تشکیل شدهاند
مطالب مرتبط
