لغز نشأة الحياة لن تتم الاجابة عنه في مختبرات الكيمياء

• بقلم : بول ديفيز
• ترجمة : عبدالجليل السحيمي
• تحرير: ناريمان علاء الدين

لغز أصل الحياة هو واحد من أسرار العلم العظيمة البارزة . كيف تحول المزيج غير الحي من الجزيئات إلى كائن حي ؟ و ما نوع الآلية التي قد تكون مسؤولة عن ذلك ؟

و منذ قرن ونصف ، قدم ” تشارلز داروين ” تفسيرا مقنعا لكيفية تطور الحياة على الأرض من الميكروبات البسيطة إلى تعقيد المحيط الحيوي اليوم ، و لكنه استبعد بوضوح كيف بدأت الحياة في المقام الأول . وقال ساخرا “ربما يتكهن المرء كذلك بأصل المادة ” و لكن هذا لم يمنع أجيال من العلماء من التحقيق في اللغز.

و المشكلة التي نواجهها هي أن كل ما حدث قد حدث منذ مليارات السنين ، واختفت جميع الآثار منذ فترة طويلة – و في الواقع ، قد لا يكون لدينا على الإطلاق سرد سريع لعملية نشأة الحياة .ومع ذلك ، قد لا نزال قادرين على الإجابة على السؤال الأبسط المتمثل في ما إذا كان أصل الحياة عبارة عن سلسلة من الأحداث الغريبة التي حدثت مرة واحدة فقط ، أو كنتيجة حتمية تقريبًا لقوانين صديقة للحياة. و في هذه الإجابة ، يتوقف السؤال حول ما إذا كنا وحدنا في الكون ، أو ما إذا كانت مجرتنا وغيرها من المجرات تعج بالحياة ايضا.

وقد أُجرِيت معظم البحوث في أصل نشأة الحياة الغامض من قبل الكيميائيين. إذ جربوا مجموعة متنوعة من الأساليب في محاولاتهم لإعادة إنشاء الخطوات الأولى على طريقة نشأة الحياة ، و لكن لم يتحقق تقدم كبير. و ربما قد لا يكون هذا مفاجئاً ، نظرًا لتعقيد الحياة الهائل . اذ ان ابسط انواع البكتيريا هي أكثر تعقيدًا – بشكل لا يقارن- من أي مادة كيميائية تمت دراستها على الإطلاق.

و لكن هناك عقبة جوهريّة تقف في طريق محاولات تفسير الحياة في مختبرات الكيمياء. فلغة الكيمياء ببساطة لا تتوافق مع لغة الأحياء. إذ أن الكيمياء تتعلق بالمواد وكيفية تفاعلها ، في حين أن علم الأحياء يروق لمفاهيم مثل المعلومات والتنظيم. و من هنا يكون السرد المعلوماتي يتعلق بعلم الأحياء . فالحمض النووي يوصف بأنه “قاعدة بيانات” وراثية ، تحتوي على “تعليمات” حول كيفية بناء كائن حي. فالشفرة الوراثية يجب نسخها ومن ثَمّ ترجمتها قبل أن تعمل. وما إلى ذلك وهلم جرا. و إذا وضعنا مشكلة أصل الحياة في المصطلحات الحاسوبية ، فإن محاولات التوليف الكيميائي تركز بشكل محصور على الأجهزة (الركيزة الكيميائية للحياة) ولكن تتجاهل البرنامج ( الجانب المعلوماتي ). و لشرح كيف بدأت الحياة ، نحتاج إلى فهم كيفيّة ظهور إدارتها الفريدة للمعلومات.

و في الأربعينيات من القرن الماضي ، قارن عالم الرياضيات “جون فون نيومان” الحياة مع مُنشأة ميكانيكية ، وحدد البنية المنطقية المطلوبة لآلية ذاتية الاستنساخ لتكرار كلاً من أجهزتها وبرامجها. لكن تحليل فون نيومان ظل فضولًا نظريًا. و الآن برز منظور جديد من عمل المهندسين والرياضيين وعلماء الكمبيوتر ، يدرس الطريقة التي تتدفق بها المعلومات من خلال أنظمة معقدة مثل شبكات الاتصالات مع حلقات التغذية المرتدة ، والوحدات المنطقية وعمليات التحكم. و ما هو واضح من عملهم هو أن ديناميات تدفق المعلومات تُظهر ميزات عامة مستقلة عن الأجهزة المحددة التي تدعم المعلومات.

تم تطبيق نظرية المعلومات على نطاق واسع على النظم البيولوجية على مستويات عديدة من الجينوم إلى النظم الإيكولوجية (البيئية )  ، ولكن نادراً ما طُبِّقت على مشكلة كيفية بدء الحياة فعلاً. فالقيام بذلك يفتح منظورًا جديدًا تمامًا حول المشكلة. و بدلاً من الإجابة التي يتم دفنها في بعض التحولات الكيميائية المحيرة ، يكمن مفتاح أصل الحياة في التحول في تنظيم تدفق المعلومات.

لقد اقترحت “سارة ووكر” -عالمة في علم الفلك في وكالة ناسا تعمل في جامعة ولاية أريزونا- أن الخاصية المهمة للمعلومات البيولوجية ليست في تعقيدها ، رغم أن ذلك قد يكون كبيرًا ، ولكن في الطريقة التي يتم بها تنظيمها هرميًا. و في جميع النظم المادية هناك تدفق للمعلومات من الأسفل إلى الأعلى ، بمعنى أن مكونات النظام تعمل على تحديد كيفية تصرف النظام ككل. وبالتالي إذا أراد أحد خبراء الأرصاد توقع الطقس ، فقد يبدأ بالمعلومات المحلية ، مثل درجة الحرارة وضغط الهواء ، التي يتم أخذها من مواقع مختلفة ، ويحسب كيف سيتحرك نظام الطقس ككل ويتغير. و في الكائنات الحية ، يتدفق هذا النمط من المعلومات من القاعدة إلى القمة مع التدفق العكسي ( تدفق المعلومات من أعلى إلى أسفل ) بحيث يعتمد ما يحدث على المستوى المحلي على البيئة العالمية ، والعكس صحيح.

و لأخذ مثال بسيط ؛ كون الخلية التي تعبّر عن الجين يمكن أن تعتمد على الضغوط الميكانيكية أو الحقول الكهربائية التي تعمل على الخلية بأكملها بواسطة بيئتها. وبالتالي ، فإن التغيير في المعلومات العالمية (نمط القوة) على المستوى المجهري يترجم إلى تغيير في حركة المعلومات المحلية على المستوى المجهري (التبديل على الجين). وبصفة أعم ، تساعد مجموعة من الإشارات الواردة من بيئتها في تحديد كيفية توزيع الحمض النووي للخلية ونسخها. و اقترح أنا و “ووكر” أن يكون الانتقال الرئيسي على الطريق إلى الحياة قد حدث عندما ساد تدفق المعلومات من أعلى إلى أسفل أولاً. و استنادًا إلى النماذج الرياضية البسيطة ، نعتقد أنه قد حدث فجأة ، على غرار الغاز المسخن الذي ينفجر فجأة في اللهب.

و هناك طريقة مميزة ثانية في تعامل الحياة مع معالجة المعلومات. فلغة الجينات رقمية ، وتتألف من أجزاء منفصلة ، و مشكّلة بلغة أبجدية مكونة من أربعة أحرف. و على النقيض من ذلك ، فإن العمليات الكيميائية مستمرة. و يمكن للمتغيرات المستمرة أيضًا معالجة المعلومات – كأجهزة الكمبيوتر التماثلية المزعومة التي تعمل بهذه الطريقة – ولكن بشكل أقل موثوقية من الرقمية. و أيا كان النظام الكيميائي الذي ولّد الحياة ، فقد كان عليه أن يميّز الانتقال من التناظرية إلى الرقمية.

إن الطريقة التي تدير بها الحياة المعلومات تتضمّن بنية منطقية تختلف اختلافًا جوهريّاً عن الكيمياء المعقدة. و لذلك لن تفسر الكيمياء وحدها أصل الحياة ، في حين أن أي دراسة للسيلكون والنحاس والبلاستيك ستشرح كيف يمكن لجهاز الكمبيوتر تنفيذ البرامج . و يشير عملنا إلى أن الإجابة عن اصل الحياة ستأتي من أخذ المعلومات على محمل الجد باعتبارها قوّة فيزيائية ، مع وجود دينامياتها وعلاقاتها السببية الموجودة جنبًا إلى جنب مع المسألة التي تجسدها – وأنه يمكن في النهاية تفسير أصل الحياة من خلال استيراد لغة ومفاهيم علم الأحياء الى الفيزياء والكيمياء ، بدلا من العكس.