וִידֵאוֹ: באמצעות מתמטיקה כדי להסביר כיצד התחילו החיים על פני כדור הארץ
2023 מְחַבֵּר: Peter Bradberry | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-05-21 22:33
כיצד הגיעו המולקולות המשכפלות את עצמן לשלוט על כדור הארץ המוקדם? באמצעות המתמטיקה של הדינמיקה האבולוציונית, מרטין א 'נובאק יכול להסביר את השינוי מאין חיים לחיים.
עוד בחודש מרץ העיתונות השתגעה על מחקרו של מרטין א. נובק על ערך העונש. נובק, מתמטיקאי וביולוג מאוניברסיטת הרווארד, רשם כמאה סטודנטים לשחק במשחק מחשב בו השתמשו במשקל כדי להעניש ולתגמל אחד את השני. האמונה הרווחת הייתה כי ענישה יקרה תקדם שיתוף פעולה בין שני שווים, אך נובק ועמיתיו הוכיחו שהתיאוריה שגויה. במקום זאת הם מצאו כי לעתים קרובות העונש מעורר ספירלה של נקמה, מה שהופך אותו למזיק והרסני ולא מועיל. רחוק מלהרוויח, אנשים שמענישים נוטים להחמיר את הסכסוך, להחמיר את הונם ובסופו של דבר להפסיד. "חבר'ה נחמדים מסיימים ראשונים", הריעו הכותרות.
זו לא הייתה הפעם הראשונה שהדמיות המחשב והמתמטיקה של נובק אילצו לחשוב מחדש על תופעה מורכבת. בשנת 2002 הוא עבד על משוואות שיכולות לחזות את האופן שבו הסרטן מתפתח ומתפשט, כמו מתי מופיעות מוטציות בגרורות וכרומוזומים הופכים להיות לא יציבים. ובתחילת שנות התשעים המודל שלו להתקדמות המחלה הוכיח ש- HIV מתפתח לאיידס רק כאשר הנגיף משכפל מספיק מהר כך שמגוון הזנים יגיע לרמה קריטית, כזו שמציפה את המערכת החיסונית. מאוחר יותר גילו אימונולוגים שיש לו את המנגנון הנכון [ראה "כיצד HIV מנצח את המערכת החיסונית", מאת מרטין א. נובאק ואנדרו ג'יי מקמייקל; סיינטיפיק אמריקן, אוגוסט 1995]. כעת נואק יוצא לעשות זאת שוב, הפעם על ידי דוגמת מקור החיים. באופן ספציפי, הוא מנסה לתפוס את "המעבר מאין חיים לחיים", הוא אומר.
נואק בן ה -43, שהוכשר כביוכימאי, מאמין שמתמטיקה היא "שפת המדע האמיתית" והמפתח לפתיחת סודות העבר. הוא החל לחקור את המתמטיקה של האבולוציה כסטודנט לתואר שני באוניברסיטת וינה, ועבד עם עמיתו האוסטרי קרל זיגמונד, המוביל בתורת המשחקים האבולוציונית. דינמיקה אבולוציונית, כפי שכינויו של נובק התחום, כוללת יצירת נוסחאות המתארות את אבני הבניין של התהליך האבולוציוני, כמו סלקציה, מוטציה, סחף גנטי אקראי ומבנה אוכלוסיה. נוסחאות אלו עוקבות אחר מה קורה כאשר אנשים בעלי מאפיינים שונים מתרבים בקצב שונה וכיצד מוטציה יכולה לייצר שושלת שמשתלטת על אוכלוסייה.
בבית התוכנית לדינמיקה אבולוציונית בהרווארד, הלוח משורטט במשוואות. נובאק היה עסוק בעבודה כיצד להקטין את הופעת החיים למערכת הכימית הפשוטה ביותר שאותה הוא יכול לתאר באופן מתמטי. הוא משתמש באפסים ובכאלה כדי לייצג את אבני הבניין הכימיות הראשונות של החיים (ככל הנראה תרכובות המבוססות על אדנין, תימין, גואנין, ציטוזין או אורציל). נובאק מתייחס אליהם כאל מונומרים, אשר במערכתו מתאספים באופן אקראי וספונטני לכדי מיתרי מידע בינאריים.
נובק בוחן כעת את הקינטיקה הכימית של מערכת זו, כלומר לתאר כיצד יגדלו מיתרים בעלי רצפים שונים. העקרונות הבסיסיים של התוכנית האידיאלית הזו, הוא אומר, יתקיימו לגבי כל מערכת כימית מבוססת מעבדה בה מונומרים מורכבים בעצמה, "באותו אופן שמשוואות ניוטון מתארות כיצד כל כוכב לכת מסתובב עם השמש, והוא לא חשוב ממה מורכב הכוכב ההוא, "מסביר נובק. "מתמטיקה עוזרת לנו לראות מהו הניסוי המכריע והמעניין ביותר. זה מתאר מערכת כימית שניתן לבנות, וברגע שהיא נבנית, אתה יכול לצפות במקור האבולוציה. ".
האם זה באמת יכול להיות כל כך פשוט? כרגע המערכת קיימת רק על נייר ובמחשב. אמנם קל לדגמן מתמטית, אך להפוך את המערכת למעבדה למורכבת מכיוון שהיא מתחילה ללא אנזימים או תבניות שיעזרו להרכבה של מונומרים. "קשה לדמיין דרך קלה לייצר חומצות גרעין", אומר דייוויד וו. דאמר, מהנדס ביו-מולקולרי באוניברסיטת קליפורניה, סנטה קרוז. "היה צריך להיות חומר התחלתי, אבל אנחנו מאוד בשטח עכור, ואין לנו רעיונות טובים כיצד ליצור אותו מחדש במעבדה או כיצד לגרום לו לעבוד רק באמצעות כימיה ופיזיקה. ללא עזרת אנזימים. ".
בשנות השמונים הביוכימאי לסלי א 'אורגל וקבוצתו במכון סאלק למחקרים ביולוגיים בסן דייגו הראו כי גדיל של רנ"א יכול לשמש תבנית ליצירת גדיל נוסף של רנ"א משלים - תופעה הנקראת פילמור לא מכוון לתבנית. אולם כיצד להבין כיצד נוקליאוטידים עשויים להרכיב את עצמם ללא תבניות, התברר כקשה יותר. "אני רוצה תהליך שיכול לכלול פולימרים", אומר נובק.
איירין צ'ן, חוקרת מקורות סלולריים בהרווארד, אומרת כי אחת הדרכים שמונומרים של RNA או DNA עשויים ליצור פולימרים בהעדר אנזימים היא על ידי הוספת תרכובת בשם imidazole לקצה אחד של המונומרים, מה שהופך אותם לתגובתיים יותר והפילמור שלהם מהיר יותר קל יותר. ליפידים או חימר עשויים להיות חיוניים - חוקרים אחרים הראו שהם יכולים לסייע בזירוז התגובה. במכון הפוליטכני של רנסלאייר, למשל, הכימאי ג'יימס פ 'פריס גרם לנוקליאוטידים של אדנין להרכיב לפולימרים קצרים של גדילי RNA בגודל 40 עד 50 נוקלאוטידים על סוג של חימר מינרלי שאולי היה נפוץ בעולם הפרה-ביוטי.
באמצעות המודל המתמטי שלו, נובאק בוחן תגובות כימיות המובילות לסוגים אלה של קווצות ומקצה קבועי קצב לתגובות. כלומר, הוא מדמיין שחוטים עם מידע בינארי שונה צומחים בקצב שונה, כאשר חלקם לוקחים מונומרים מהר יותר מאחרים. ואז הוא מחשב את התפלגויותיהם. הבדלים קטנים בשיעורי הצמיחה, הבחין בכך, גורמים להבדלים קטנים בשפע; רצפים שצומחים לאט יותר נפוצים פחות באוכלוסייה, ומתחרים על ידי מהירים יותר. "זה נראה לי נהדר," קורא נובק, "כי עכשיו יש לך בחירה לפני השכפול בצורה טבעית לחלוטין.".
חלק מהגדילים משתנים, ולפעמים רצף אחד מאיץ את קצב התגובה של רצפים אחרים, ומדגים את סוג שיתוף הפעולה שנוקק טוען זה מכבר שהוא עיקרון בסיסי של האבולוציה. יחד, הוא אומר, התוצאה היא מערכת כימית בחיים בשלה עם דינמיקה אבולוציונית. הוא מכנה מערכת זו "מקדים" מכיוון ש"יש לה איכויות של מגוון גנטי-חיים, סלקציה ומוטציה, אך לא שכפול. ".
בדרך כלל מוטציה ובחירה נתפסים כתוצאות של שכפול. אם פתאום, למשל, רק זרעונים גדולים וקשים היו זמינים לחוחיות של איי גלאפגוס, אלה עם מקור גדול וחזק יותר היו בעלי סיכוי גבוה יותר לשרוד, ודור אחר דור היו נפוצים יותר בקרב האוכלוסייה. הבחירה לתכונה, בין אם מדובר בגודל המקור או משהו אחר, תלויה בהעברת הגנים של אותה תכונה לצאצאים. אבל נובק אומר שהמודל שלו מראה שיכולה להיות בחירה לפני השכפול - מה שאומר שאולי יש אפשרות לשכפול. אם סוג זה של בחירה אפשרי, הוא מציין, אולי זה יכול לעזור להסביר את מקור החיים.
כל מה שנחוץ הוא שכמה מיתרים יפתחו פתאום את היכולת ליצור עותקים של עצמם - כמו שחוקרים מסוימים מאמינים שחוטים מסוימים של RNA הפכו לראשונה לדומיננטיים על האדמה הפרימיטיבית. מספיק מונומרים חופשיים יצטרכו להיות בסביבה בכדי להפוך את השכפול ליתרון, מציין נובק, והמחרוזות המשכפלות חייבות להיות מסוגלות להשתמש במונומים מהר יותר מאשר המיתרים שאינם משכפלים. על פי חישוביו, רק כאשר קצב השכפול חורג מסף מסוים, שיווי המשקל של המערכת ישתנה ויאפשר לחיים להופיע. "החיים הורסים את הקדם החיים," הוא קובע. "כל זה קרה בשלב כלשהו.".
נובאק מקווה שהמודל שלו ינחה ניסויים. כשמדובר בהבנת ראשיתה של האבולוציה, בניית המערכת הכימית הוא מתאר באופן מתמטי - מערכת בה רק שני סוגים של מונומרים מתאספים בעצמם ואז משכפלים את עצמם - "זה הדבר הכי פשוט שאתה יכול לעשות", הוא אומר. "מתמטיקה היא השפה הראויה של האבולוציה. אני לא יודע איך תיראה 'ההבנה האולטימטיבית' של הביולוגיה, אבל דבר אחד ברור: הכל מסתדר בהשגת המשוואות. ".