1.5. خاستگاه سلول‌ها

مفاهیم

  • سلول‌ها فقط از طریق تقسیم‌ سلول‌های از پیش موجود، می­‌توانند ایجاد شوند.
  • اولین سلول‌ها در جهان باید از مواد غیر زنده بوجود آمده باشند.
  • ممکن است بتوان خاستگاه سلول‌های یوکاریوتی را به وسیله نظریه درون همزیستی توضیح داد.

کاربرد علم

  • نتایج آزمایش پاستور نشان می‌دهد خلق خودبه‌خودی سلول‌ها و موجودات در حال حاضر روی زمین رخ نمی‌دهد.

ماهیت علم

  • بررسی اصول کلی­ای که زیربنای جهان طبیعی است: این اصل که سلول‌ها تنها از تقسیم سلول‌های از پیش موجود ایجاد می‌شوند، باید تأیید شود.

تقسیم سلولی و خاستگاه سلول‌ها

سلول‌ها می‌توانند تنها به وسیله تقسیم‌ سلول‌های از پیش موجود، ایجاد شوند.متعم

از سال 1880 میلادی تا به امروز نظریه‌ای مبنی بر اینکه سلول‌ها تنها می‌توانند از طریق سلول‌‌های از پیش موجود ایجاد شوند، در زیست‌شناسی مطرح بوده است. شواهد تأیید کننده این فرضیه که در بخش ماهیت علم در صفحه بعد مطرح شده­اند بسیار قدرتمند می‌باشند.

مفهوم این فرضیه بسیار قابل توجه است. بر اساس این فرضیه اگر بدن ما صدها میلیارد سلول داشته باشد، همه این سلول‌ها از تقسیم یک سلول قبلی به دو سلول ایجاد شده‌اند.

سلول‌های از پیش موجود به دو سلول تقسیم ‌می‌شوند. پیش از آن تمام مواد ژنتیکی درون هسته کپی می‌شوند بنابراین دو سلول تشکیل شده بعد از تقسیم، هسته‌ای همراه با نسخه کاملی از ژن‌ها را دارند. بنابراین می­‌توان منشاء سلول‌های بدن را تا اولین سلول ردیابی کرد(این سلول زیگوت است که شروع کننده زندگی است و از لقاح یک اسپرم و یک تخمک به وجود می‌آید).

سلول‌های اسپرم و تخمک به وسیله تقسیمات سلولی ویژه‌­ای، در بدن والدین به وجود آمده‌اند. ما می‌توانیم منشاء تمامی سلول‌های بدن والدین را تا اولین سلولشان (زیگوت) ردیابی کنیم و این فرآیند را بارها و بارها تا رسیدن به اجداد انسانی­مان ادامه دهیم. اگر بپذیریم که انسان از طریق گونه‌های اجدادی از پیش موجود، به وجود آمده است، می‌توانیم منشأ سلول‌های نسانی را در صدها میلیون سال قبل و در سلول‌های اولیه تشکیل شده روی کره زمین بیابیم. بنابراین یک پیوستگی در حیات از زمان پیدایش آن در زمین تا سلول­‌های موجود در بدن ما، وجود دارد.

نظریه علم
زمانی که ما چیزی را نامگذاری می‌کنیم، چه چیزی را از دست داده و چه چیزی را به دست می‌آوریم؟

زمانی که دکتر کریگ و تیمش موفق شدند انتقال ژنوم سنتزی یک باکتری به باکتری دیگر را در مجله ساینس اعلام کنند، برخی اخلاق‌شناسان با به کار بردن عنوان ” سلول سنتزی” برای این دستاورد، این موضوع را به چالش کشیده و سبه این اعلام واکنش نشان دادند:

” علم 30هزار پا بالاتر از فهم جامعه، در پرواز است… دانشمندان با به کار بردن تعابیری مانند کلون و یا زندگی سنتزی به بدترین دشمنان خود تبدیل می‌شوند.”

Glenn mcgee، بنیانگذار ژورنال آمریکایی اخلاق زیستی

“صادقانه بگویم، او این مسئله را جوری توصیف می‌کندکه بحث برانگیز باشد بطوریکه که اگر صرفا مشخصات فنی آن را شرح داده بود، بحث و جدل کمتری ایجاد می‌شد. ادعای او که می‌گوید ما اولین فرم حیات که خود تقسیم شونده و دارای والدینی کامپیوتری است را ساخته‌ایم، احمقانه است. او از کلمه والد به غلط استفاده کرده است. در پیشرفت‌های این چنینی باید از کلمات به درستی و به دقت استفاده شود کاری که او کرد در حقیقت سنتز یک ژنوم بسیار بزرگتر از هر ژنوم دیگری که تا به آن روز از صفر سنتز شده بوده، است.”

Gregory kaebnick , Hasting institue research scholar

در سال 2010 گزارش شد که زیست‌شناسان نخستین سلول مصنوعی را ایجاد کرده‌اند، البته که این سلول کاملاً جدید نبود. توالی با­زهای DNA باکتری mycoplasma mycoides به طور مصنوعی و به همراه قدری تغییرات عمدی سنتز شد. این DNA به سلول‌های از پیش موجود گونه‌ی دیگری از باکتری به نام maycoplasma capricolum منتقل و در نهایت این گونه به شکل گونه جدیدی  به نام mycoplasma mycoides تبدیل شد. این فرآیند در حقیقت یک فرم شدید دستکاری ژنتیکی است ولی با این وجود باز هم  منجر به ساخت کامل یک سلول جدید نشد.

فغالیت

فقدان گیاه سیلفیوم

سکه یونانی تصویر 2 گیاه سیلفیوم را نشان می‌دهد که در بخش کوچکی از لیبی امروزی می‌روئیده و به واسطه مصارف درمانی‌ مهمش، خصوصاً به عنوان عامل ضد بارداری، مورد توجه بوده است. به نظر می‌رسد که با چیدن گسترده این گیاه طی صدها سال، استعمار شمال آفریقا توسط یونان قدیم، این گیاه منقرض شده است. پس از آن این گیاه نه تنها به طور اتفاقی دوباره رشد نکرد، بلکه تا همین امروز نیز کاملا منقرض باقی مانده است و ما نمی‌توانیم ویژگی‌های ضد بارداری آن را به طور علمی بررسی کنیم. چگونه می‌توانیم از انقراض سایر گیاهانی که برای ما فایده و استفاده دارند، جلوگیری کنیم ؟

/مو

 

خلقت خودبه خودی و منشأ سلول‌ها

بررسی اصول کلی­ای که زیربنای جهان طبیعی است: این اصل مفهومی که بیان می‌کند، سلول‌ها تنها از تقسیم سلول‌های از پیش موجود ایجاد می‌شوند باید تأیید شود.

خلق الساعه یا خلقت خودبه خودی در حقیقت ایجاد ارگانیسم‌های زنده از مواد غیرزنده است. گیاهشناس و فیلسوف یونانی ، ثئوفراستوس[1] گزارش می‌دهد که گیاه سیفلیوم از خاکی که قبلاً در آن وجود نداشته، جوانه زده و وی این را نشانه‌ای بر صحت خلق الساعه تعبیر کرده است. ارسطو نیز درباره ایجاد حشرات از شبنم روی برگ‌ها یا از مو، گوشت و مدفوع حیوانات مطالبی نوشته است. در قرن 16،گیاهشناس و منجم آلمانی-سوئیسی، پاراسلسوس[2] مشاهدات خود از تشکیل خلق الساعه موش، قورباغه و مارماهی از آب، هوا و یا مواد در حال تجزیه را مطرح کرد.

بسیار راحت است که ببینیم چگونه تفکرات مبتنی بر خلق الساعه زمانی که سلول‌ها و میکروارگانیسم‌ها یا حتی ماهیت تولید مثل جنسی کشف نشده بودند، مورد قبول بوده است. از قرن 17 میلادی به بعد دانشمندان آزمایشات متعددی برای اثبات امکان ایجاد حیات از مواد غیر زنده انجام داده‌اند. فرانسسکو ردی[3] نشان داد که کرک‌ها تنها زمانی در گوشت در حال پوسیدن ایجاد می‌شوند که مگس‌ها با گوشت در تماس بوده باشند. لازارو اسپالانزانی[4] در هشت ظرف سوپ ریخت، در چهارتا از آن‌ها را بست و چهارتای دیگر را به منظور تماس با هوا باز نگه داشت. ارگانیسم‌ها در چهار ظرف باز رشد کردند ولی در چهار ظرف بسته رشد نکردند.

برخی دانشمندان گمان می‌کردند خلق الساعه تنها زمانی رخ می‌دهد که دسترسی به هوا وجود داشته باشد. لویی پاستور به این فرضیه خلق الساعه با طراحی آزمایش بسیار دقیقی با استفاده از فلاسک‌هایی با گردن قو مانند، پایان داد و اثبات کرد که حیات خلق الساعه، رخ نمی‌دهد. آزمایشات پاستور در بخش بعدی توضیح داده شده است.

علاوه بر شواهد به دست آمده از آزمایشات پاستور و دیگران، دلایل دیگری نیز وجود دارد که زیست‌شناسان عموماً بپذیرند سلول‌ها تنها از سلول‌های از پیش موجود به وجود می‌آیند:

  • سلول ساختاری بسیار پیچیده است و هیچ مکانیسم طبیعی برای ایجاد این ساختارهای پیچیده ار مواد ساده‌تر وجود ندارد.
  • هیچ مثال شناخته شده‌ای از افزایش تعداد سلول‌ها در یک جمعیت، ارگانیسم و یا بافت بدون تقسیم سلولی وجود ندارد.
  • ویروس‌ها می‌توانند از مواد ساده‌تر به وجود بیایند اما سلول ندارند و تنها می‌توانند درون بدن میزبانی که آلوده کرده‌اند، ساخته شوند.

خلق الساعه و آزمایش­‌های پاستور

نتایج آزمایش پاستور نشان می‌دهد خلق خودبه‌خودی سلول‌ها و موجودات در حال حاضر روی زمین رخ نمی‌دهد.

لویی پاستور آبگوشتی مغذی با جوشاندن آب حاوی مخمر و شکر ایجاد کرد. او نشان داد که اگر آبگوشت در فلاسک‌هایی در بسته نگه داری شود، می‌تواند بدون تغییر و بدون هیچ قارچ و یا سایر ارگانیسم‌های زنده باقی بماند. او سپس هوا را از یک پد حاوی الیاف کتانی درون یک لوله به منظور فیلتر موجودات میکروسکوپی مانند باکتری، اسپور و قارچ عبور داد. اگر این پد درون آبگوشت درون فلاسک در بسته قرار می‌گرفت، طی 36 ساعت مقادیر فراوانی از میکروارگانیسم‌ها در آب گوشت دیده شده و همچنین بر روی آن کپک تشکیل می‌شد. معروف­ترین بخش آزمایش پاستور استفاده از فلاسک‌هایی با گردن قو مانند بود. او نمونه‌های آبگوشت را درون این فلاسک‌ها که گردن درازی داشتن ریخت و سپس گردن شیشه‌ای فلاسک‌ها را ذوب و آن‌ها را به اشکال مختلف خم می‌کرد. (شکل شماره 3)

معفل

پاستور نتایج مطالعاتش را در سال 1860 میلادی منتشر و همین آزمایش را با مایعات دیگری مانند ادرار و شیر امتحان کرد و همین نتیجه را گرفت. او نتیجه گرفت که گردن قو مانند فلاسک‌ها مانع از ورود ارگانیسم‌ها از هوا به داخل آبگوشت یا هر مایع دیگری می‌شود بنابراین هیچ موجودی خود به خود ظاهر نمی‌­شود. او با این آزمایش، زیست‌شناسان بیشماری را چه در زمان انتشار مطالعاتش و چه بعد از آن در باره نظریه خلق­ الساعه قانع کرد.سپس پاستور آبگوشت موجود در برخی از فلاسک‌ها را می‌جوشاند تا هر ارگانیسم‌ زنده‌ای را که درون آن‌هاست، از بین ببرد. اما ارگانیسم‌های درون آبگوشت‌های نجوشیده را باقی نگه می‌داشت. به سرعت قارچ‌ها و سایر ارگانیسم‌ها تنها در فلاسک‌های نجوشیده رشد کردند و حتی پس از گذشت مدتی میکروارگانیسمی در فلاسک­‌های جوشیده مشاهده نشد. همانگونه که در آن زمان ادعا می‌شد اگر هوا در دسترس باشد خلق الساعه رخ می‌دهد، محتوای فلاسک‌های جوشیده پاستور نیز در تماس با هوا بودند ولی هیچ خلق الساعه‌ای اتفاق نیفتاد. پاستور گردن برخی از فلاسک‌ها را شکست تا این فلاسک‌ها گردن عمودی کوتاهتری داشته باشند. ارگانیسم‌ها بسیار سریع در این فلاسک‌ها حضور یافتند و شروع به تجزیه آبگوشت کردند.

خاستگاه اولین سلول‌ها

اولین سلول‌ها در جهان باید از مواد غیر زنده به وجود آمده باشند.

اگر ما در مطالعه اجداد سلول‌ها به میلیون‌ها سال قبل برگردیم، در نهایت به اولین سلول‌هایی که روی زمین تشکیل شده‌اند می‌رسیم که اولین اشکال حیات روی زمین بوده‌اند. اگر بپذیریم که سلول‌ها از جایی غیر از زمین روی این سیاره نیامده‌اند، پس باید اولین سلول‌ها از مواد غیر زنده تشکیل شده باشند. این یک نتیجه گیری منطقی‌ست اما احتمالاً منجر به طرح سخت‌ترین سوالی که زیست‌شناسان با آن مواجه شده‌اند، می‌شود: چگونه ساختاری به این پیچیدگی( سلول)، می‌تواند از طریق فرآیندهای طبیعی و از مواد غیر زنده به وجود بیاید؟

گاهی بحث شده که ساختارهای پیچیده نمی‌توانند از تکامل به وجود بیایند، اما شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهد این مسئله می‌تواند طی زمان بسیار زیادی و با گذشتن از یک سری مراحل اتفاق بیفتد. سلول‌های زنده می‌توانند طی صدها میلیون سال تکامل یابند. فرضیه‌هایی برای توضیح چگونگی رخ دادن برخی از مراحل اصلی تکامل تا به امروز مطرح شده‌ است.

1) تولید ترکیبات کربنی مانند قندها و آمینواسیدها

استنلی میلر[1] و هارولد اوری[2] بخار آب را از میان مخلوطی از متان، هیدروژن و آمونیاک عبور دادند. این مخلوط در حقیقت نشان دهنده جو اتمسفر در سال‌های اولیه تشکیل زمین است. آن‌­ها از القای الکتریکی نیز برای شبیه‌سازی رعد و برق استفاده کردند. پس از مدتی متوجه شدند که آمینواسید و سایر ترکیبات کربنی مورد نیاز  برای حیات، طی این فرایند تولید می‌شود.

مول

2) اجتماع ترکیبات کربنی به صورت اشکال پلیمری

دهانه آتشفشانی اعماق دریاها احتمالاً یک جایگاه احتمالی برای تشکیل نخستین ترکیبات کربنی است. این‌ دهانه­‌ها، حفره‌هایی روی زمین هستند که با آب‌های گرم حاوی مواد شیمیایی غیرارگانیک کمیابی مانند سولفید آهن در اطرافشان شناخته می‌شوند. این مواد شیمیایی منابع در دسترس انرژی برای تبدیل ترکیبات کربنی به اشکال پلیمری هستند.

3) تشکیل غشاها

اگر فسفولیپیدها و یا سایر ترکیبات کربنی آمفی پاتیک در میان اولین ترکیبات کربنی تشکیل شده روی زمین بوده‌اند، پس باید به طور طبیعی ساختار دولایه‌­ای به خود گرفته باشند. آزمایش­‌ها نشان می‌دهد این ساختارهای دولایه به راحتی وزیکول‌هایی مشابه با ساختار غشای پلاسمایی یک سلول کوچک ایجاد می‌کنند. این مسئله امکان ایجاد محتوای شیمیایی متفاوتی درون وزیکول نسبت به بیرون آن و فراهم شدن شرایط متفاوتی برای تکامل را فراهم می‌کند.

4) توسعه مکانیسمی برای وراثت

موجودات زنده، ژن‌هایی ساخته شده از DNA و آنزیم‌هایی برای کاتالیز واکنش‌ها دارند. آنزیم‌ها برای تکثیر DNA و برقراری امکان انتقال ژن‌ها به نوادگان، مورد نیاز هستند. با این وجود برای ساخت آنزیم‌ها، وجود ژن‌ها ضروری هستند. برای حل این معما احتمالاً در گذشته RNAها ماده ژنتیکی بوده‌اند. RNA می‌تواند مانند DNA اطلاعات را روی خود ذخیره‌سازی کند اما علاوه بر آن، توانایی خودتکثیری و خودکاتالازی نیز دارد.

درون‌همزیستی و سلول‌های یوکاریوتی

ممکن است بتوان خاستگاه سلول‌های یوکاریوتی را به کمک نظریه درون همزیستی توضیح داد.

نظریه درون همزیستی می‌تواند به توضیح تکامل سلول‌های یوکاریوتی کمک کند. این نظریه بیان می‌کند که میتوکندری­‌ها در حقیقت زمانی پروکاریوت‌هایی با زندگی مستقل بوده‌­اند که بعدها فرایند تنفس سلولی هوازی را توسعه داده‌اند. پروکاریوت‌های بزرگتر که تنها تنفس بی‌هوازی داشته‌اند با اندوسیتوز پروکاریوت­‌های کوچک­تر را وارد خود کردند و به جای کشتن یا هضم کردن به آن‌­ها اجازه ادامه زندگی در سیتوپلاسم خود را دادند. بر اساس نظریه درون همزیستی، این فرآیند صدها میلیون سال ادامه پیدا کرد تا در نهایت به تکامل میتوکندری‌های سلول‌های یوکاریوتی امروزی انجامید.

پروکاریوت‌های بزرگتر و پروکاریوت‌های کوچکتری که تنفس هوازی داشتند با یکدیگر در همزیستی بوده‌اند که به هر دو طرف سود می‌رسانده است. این نوع ارتباط به رابطه دوطرفه (همیاری) مشهور است. مواد غذایی سلول کوچکتر توسط سلول بزرگتر تأمین می‌شد و از طرفی سلول کوچکتر با انجام تنفس هوازی به شکل موثری برای سلول بزرگتر تأمین انرژی می‌کرد. انتخاب طبیعی در نهایت سلول‌هایی که این نوع رابطه درون همزیستی را داشتند، برگزید.

نظریه درون همزیستی همچنین خاستگاه کلروپلاست‌ها را توضیح می‌دهد. اگر یک پروکاریوت فتوسنتزکننده توسط یک سلول بزرگتر بلعیده می‌شد و سپس اجازه ادامه حیات، رشد و تقسیم می‌یافت؛ می‌توانست در نهایت به کلروپلاست‌ یوکاریوت‌های فتوسنتز کننده تکامل یابد. در این مورد هم هر دو ارگانیسم در رابطه درون همزیستی، از هم سود می­‌برند.

فعالیت

حیات در کجا آغاز شد؟

اراسموس داروین، پدربزرگ چارلز داروین، در شعری منتشر شده در سال 1803 با عنوان معبد طبیعت، اعتقاد خود را مبنی بر اینکه حیات چگونه و در کجا آغاز شده می‌گوید:

زندگی آلی در زیر امواج آغاز شده… از این رو بدون والدی و با خلق الساعه نخستین ذرات زمین پویا برخاستند.”

آیا فرضیه اراسموس داروین مبنی بر آغاز حیات در دریاها، نقض شده است؟

 

 

فعالیت

Bangiomorpha و خاستگاه جنسیت

اولین یوکاریوت شناخته شده و اولین ارگانیسم پرسلولی کشف شده Bangiomorpha pubescens است. فسیل این جلبک قرمز در بقایای سنگ‌های 1200 ساله شمال کانادا کشف شد. این موجود اولین ارگانیسم شناخته شده است که دو نوع مختلف گامت (یک گامت ماده بزرگ و ساکن – یک گامت نر کوچک و متحرک) تولید می‌کند. بنابراین  Bangiomorpha اولین موجود شناخته شده‌ای است که به شکل شماره جنسی تولید مثل می‌کند. بسیار بعید به نظر می‌رسد که ساختار سلول یوکاریوتی، پرسلولی بودن و تولید مثل جنسی همزمان با هم تکامل یافته باشند. ترتیب احتمالی تکامل این نقاط برجسته حیات به نظر شما چگونه است؟

 

اگرچه کلروپلاست‌ها و میتوکندری‌ها دیگر قادر به زندگی مستقل نیستند ولی هر دو ویژگی‌هایی دارند که نشان می‌دهد از پروکاریوت‌های مستقل تکامل یافته‌اند:

  • هر دو ژن‌های خودشان را دارند، این ژن‌ها بر روی یک DNA حلقوی (مانند پروکاریوت‌ها) قرار گرفته‌اند.
  • هر دو ریبوزوم‌های 70S خودشان را دارند. این ریبوزوم‌ها عمدتاً از جنس ریبوزوم‌های پروکاریوتی هستند.
  • هر دو می‌توانند از روی DNA رونویسی کنند و سپس از mRNA تولید شده برای سنتز برخی از پروتئین‌های مورد نیازشان استفاده کنند.
  • هر دو توسط تقسیم میتوکندری‌ها و کلروپلاست‌های از پیش موجود به وجود می‌آیند.

 

[1] Stanley Miller

[2] Harold Urey

[1] Theophrastus

[2] Paracelsus

[3] Francesco Redi

[4] Lazzaro Spallanzani

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید