القوة والجنس والانتحار
بقلم- نيك لين
القوة والجنس والانتحار (2005) يوضح الدور غير المعقول للميتوكوندريا في خلق أشكال معقدة من الحياة. يبحث الكتاب في الوظائف المختلفة للكائنات متعددة الخلايا ، بما في ذلك توليد الطاقة والتفاعلات الخلوية ودورات الحياة ، ويوضح تأثير الميتوكوندريا في كل منطقة.
مركز الحياة متعددة الخلايا هو الميتوكوندريا.
قبل 4 مليارات سنة ، عندما كانت الحياة على الأرض في بدايتها ، كان كل ما هو موجود عبارة عن طحالب وبكتيريا وحيدة الخلية.
قبل 600 مليون سنة ، في مجرد سدس زمن وجود الحياة على الأرض ، بدأت أشكال أكثر تعقيدًا من الحياة في التبلور. كانت تسمى أشكال الحياة المعقدة هذه الكائنات متعددة الخلايا – وهي عبارة عن مزيج من العديد من الخلايا مع مجموعة متنوعة من الوظائف.
لم يقتصر الأمر على احتواء هذه الكائنات متعددة الخلايا الجديدة على المزيد من الخلايا ، بل كان لها أيضًا أنواع مختلفة من الخلايا تؤدي وظائف مختلفة. هذه الكائنات متعددة الخلايا هي حقيقيات النوى ، وهناك نواة في كل خلية من خلاياها. هذه الخلايا حقيقية النواة هي تكوين البشر والحيوانات. تُعرف الكائنات الحية الأكثر بساطة بدائيات النوى ، مثل البكتيريا. لا تحتوي الخلايا بدائية النواة على أي نواة.
لفترة طويلة ، اعتقد علماء الأحياء أن بدائيات النوى تطورت إلى حقيقيات النوى ، والتي تطورت بشكل أكبر إلى كيانات معقدة للغاية مثل البشر. لكن هذا ليس هو الحال بالضبط. هذان النوعان من الخلايا متميزان عن بعضهما البعض ؛ على سبيل المثال ، حقيقيات النوى أكبر بعشر إلى مائة مرة من بدائيات النوى.
ومع ذلك ، فإن الاختلاف الأكبر هو أن الكائنات الحية المعقدة متعددة الخلايا تتكون من خلايا حقيقية النواة ، وكلها تحتوي على ميتوكوندريا أو كانت تحتوي في السابق على ميتوكوندريا. تعيش الميتوكوندريا داخل الخلايا وتنتج الطاقة.
لذلك ، إذا كانت جميع أشكال الحياة المعقدة تحتوي على حقيقيات النوى وخلايا حقيقية النواة موجودة فقط عندما تتلامس مع الميتوكوندريا ، فهذا يعني أن الميتوكوندريا هي مركز كل الحياة متعددة الخلايا.
نظرًا لأن كل ما كان موجودًا في البداية كان بدائيات النوى مثل الطحالب والبكتيريا ، فمن المحتمل أن حقيقيات النوى نشأت من خلال دمج الميتوكوندريا والخلية المضيفة. سنلقي نظرة فاحصة على هذا لاحقًا.
تعطي الميتوكوندريا القوة
قبل ظهور العلم الحديث ، تخيل الكيميائي السويسري باراسيلسوس في القرن السادس عشر وجودنا على أنه “شعلة الحياة”. على الرغم من أنه كان مقصودًا أن يكون استعارة ، كما اتضح لاحقًا أن باراسيلسوس كان في الواقع قريبًا من الحقيقة العلمية.
في حين أن البشر لا يحترقون مثل الشموع ، فإن عملية التنفس والاحتراق هي نفسها. يوفر إجراء التنفس الأكسجين لخلايانا الذي نستخدمه لحرق الجلوكوز. تُعرف هذه العملية بالتنفس الخلوي.
تحدث معظم التفاعلات الكيميائية اللازمة لتنفس الخلية داخل الميتوكوندريا في الخلايا حقيقية النواة. من خلال هذه العملية ننتج الكثير من الطاقة.
الميتوكوندريا هي قوى لا تصدق. على سبيل المقارنة ، يولد البشر ، المكونون من الميتوكوندريا ، 10000 ضعف كمية الطاقة التي تنتجها الشمس من الناحية النسبية! على وجه التحديد ، يتم توليد 0.2 ميكرو جول (0.0000002 جول) من الطاقة لكل جرام في الثانية بواسطة الشمس. بينما ينتج الناس 2 مللي جول (0.002 جول) لكل جرام في الثانية – كل ذلك بدون النزول عن الأريكة.
كيف يمكن القيام بذلك؟
تولد الميتوكوندريا الطاقة عن طريق دفع البروتونات إلى الخلية من خلال الأغشية التي تولد شحنة كهربائية. تعمل الأغشية مثل السد أثناء التنفس الخلوي ، ويتراكم خزان من البروتونات ، وبالتالي تخزين الطاقة في الخلية. بعد ذلك ، يمكن إطلاق البروتونات المخزنة ببطء لإنتاج الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، أو ما يُعرف باسم “عملة الطاقة في الحياة”.
سميت هذه العملية بالاقران الكيميائي من قبل عالم الكيمياء الحيوية البريطاني بيتر ميتشل ، الحائز على جائزة نوبل عام 1978 لعمله في هذا الموضوع.
لا يمكن للبكتيريا أن تتحول إلى كيانات معقدة ، على عكس حقيقيات النوى.
تطورت البكتيريا منذ 4 مليارات سنة منذ ظهورها لأول مرة. لقد نجوا من جميع أنواع البيئات – الباردة والساخنة والجافة والرطبة – والآن هم متنوعون ومتطورون.
ومع ذلك ، فهي لا تزال أحادية الخلية. في المقابل ، تطورت حقيقيات النوى إلى كيانات معقدة يمكنها ، من بين العديد من القدرات الأخرى ، التفكير والرؤية والاستماع واختبار الإحساس. بالنظر إلى تطور الخلايا حقيقية النواة ، علينا أن نسأل أنفسنا: ما الذي يوقف تحول البكتيريا؟ السبب الأول هو أنه من خلال الانتقاء الطبيعي وحده ، لا يمكن للبكتيريا أن تتطور إلى حقيقيات النوى وبالتالي إلى أشكال حياة معقدة. الفرق بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى كبير جدًا.
جينوم البكتيريا أصغر من حقيقيات النوى بالإضافة إلى الاختلافات في الحجم المادي. علاوة على ذلك ، لا يمكن تفسير هذا الاختلاف الهام بعملية التطور البطيئة والتدريجية وحدها.
بدلاً من ذلك ، كانت ولادة الكائنات الحية المعقدة ناتجة عن التوحيد غير المحتمل للغاية لخليتين بدائية النواة. خلال هذا الحدوث النادر ، اجتاح أحد بدائيات النوى الآخر جسديًا ، وكان الأخير في مراحله المبكرة الميتوكوندريا.
بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكن أن تتطور البكتيريا إلى كائنات حية معقدة لأنها مقيدة بعوامل لا تواجهها حقيقيات النوى.
للتكيف مع بيئتها والبقاء على قيد الحياة من الانتقاء الطبيعي ، كان على البكتيريا أن تتكاثر بسرعة. سرعة تكرار الحمض النووي مهمة ، لكنها تعتمد على كمية الحمض النووي التي تحتاج إلى نسخها. بشكل عام ، تحتوي البكتيريا على جينومات صغيرة لأن نسخ مجموعة أكبر سيكلف المزيد من الوقت والطاقة ، وهو ما يتعارض مع حاجتها إلى التكاثر السريع.
إن امتلاك جينومات صغيرة يعني أن البكتيريا أقل تعقيدًا ، وهذا هو السبب في أنها بالكاد تستطيع الاحتفاظ بشفرة لشيء متعدد الأوجه مثل الإنسان.
هناك قيد آخر وهو أن البكتيريا لا تحتوي على الميتوكوندريا.
في حالة عدم وجود الميتوكوندريا ، يتعين على البكتيريا الاعتماد على غشاء الخلية الخارجي للتنفس. تكمن المشكلة في أنه كلما زادت مساحة سطح الخلية ، زادت الطاقة التي تتطلبها هذه العملية. لذلك ، لا تنمو البكتيريا بشكل كبير لأنها تحتاج إلى توفير الطاقة للتكاثر.
من ناحية أخرى ، فإن حقيقيات النوى خالية من هذا الضغط لأنها تمتلك ميتوكوندريا ، مما يعني أنها استوعبت قدرتها على توليد الطاقة. يمكن أن تستمر الخلايا حقيقية النواة في النمو مع القدرة على اكتساب المزيد من الميتوكوندريا مع توليد كمية كافية من الطاقة والحفاظ عليها.
مع زيادة كفاءة الطاقة ، نمت حقيقيات النوى في التعقيد.
أصبحت أشكال الحياة معقدة بشكل متزايد منذ أول خلية حقيقية النواة.
لماذا ا؟ ليس الأمر وكأننا نمتلك هدفًا أو نهاية لعبة للتطور. على عكس كيفية برمجة الجنين مسبقًا لينمو إلى طفل ثم إلى بالغ ، هناك نقص في خارطة طريق للتطور عن طريق الانتقاء الطبيعي.
هل حدثت الحياة المعقدة بالصدفة؟ هل كان هذا الاختيار طبيعيًا؟ لا توجد إجابة واضحة على هذا السؤال ، ولكن أحد الأسباب الرئيسية لنمو حقيقيات النوى وتصبح أكثر تفصيلاً هو طاقتها وبالتالي الميتوكوندريا.
على عكس البكتيريا ، فإن النمو الأكبر يجعل حقيقيات النوى أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. هذه المكافأة لحقيقيات النوى هي حافز كبير للنمو. فكر في الأمر على أنه اقتصاد على نطاق واسع ، حيث كلما زادت الطاقة التي تنتجها ، كلما وفرت أكثر.
الآن دعونا نفكر ، على سبيل المثال ، في كائن حي معقد مثل الفئران. تُستخدم الجرذان ليس فقط لأنها تشبهنا كثيرًا في مختبرات الأبحاث (نحن نتشارك في أعضاء مماثلة وتصميم الجسم ووظائفه) ، ولكن أيضًا لأن عمرهم هو نسخة تسريعنا. تعمل أعضاء الجرذان بشكل أسرع: فهي تتنفس بشكل أسرع ، وتنبض قلوبهم بشكل أسرع – تستقلب بشكل أسرع. تستخدم الجرذان طاقة أكبر لكل وحدة زمنية فيما يتعلق بكتلتها من الكائنات الأكبر مثل البشر.
هذا يخبرنا أن معدل الأيض نسبي للحجم. بشكل عام ، مع زيادة كتلة كائن حقيقي النواة ، يزداد الطلب على الطاقة أيضًا ؛ ومع ذلك ، فإنه يفعل ذلك بوتيرة أبطأ.
لذلك ، كلما كبرت الكائنات الحية ، كلما قلت الموارد التي تنفقها على محاولة البقاء على قيد الحياة. هذه هي السمة التي تتمتع بها حقيقيات النوى التي كان من الممكن أن تجعلها أكبر وبالتالي أكثر تعقيدًا.
يمثل الحمض النووي للميتوكوندريا أكبر فرق بين الجنس ويتتبع أسلافنا.
بيولوجيا هناك نوعان: أنثى و ذكر.
ما هو الفرق بين واحد والآخر؟ قد يشير العديد من علماء الأحياء إلى أن الاختلافات بين الإناث والذكور في الكروموسومات هي سمة مميزة. عادةً ما يكون للإناث كروموسومان X ، في حين أن لدى الذكور كروموسوم X واحد وكروموسوم Y واحد.
ومع ذلك ، هناك اختلاف أكبر بين الجنسين ، وهو اختلاف موجود في انتقال الحمض النووي للميتوكوندريا.
السؤال الأول الذي يجب أن نطرحه هو: لماذا تختلف الأجناس؟ وفقًا للعديد من علماء الأحياء ، فإن إعادة توحيد الحمض النووي من مصادر مختلفة هو ميزة للجنسين. يسهل التنوع ويساعد على إصلاح الجينات التالفة.
يمكن أن يفسر ذلك سبب احتياج الخلايا لخلايا أخرى – ولكن لماذا يجب أن تكون مختلفة؟ بمعنى آخر ، لماذا تصنع الإناث بيضًا كبيرًا غير متحرك للحيوانات المنوية الصغيرة المتحركة للذكور؟ مرة أخرى ، تقودنا الإجابة إلى الميتوكوندريا.
يوجد حوالي 100000 ميتوكوندريا في بويضة الإنسان ، مقارنة بحوالي 100 فقط في الحيوانات المنوية ، مما يجعل من غير المحتمل انتقال ذكور الميتوكوندريا إلى الأبناء. يتم إعادة تجميع الحمض النووي للوالدين أثناء الجماع ، ولكن الجنس الأنثوي فقط هو الذي يمر عبر العضيات بما في ذلك الميتوكوندريا.
هذا مهم لأنه إذا كان الطفل سيحصل على ميتوكوندريا من الذكور والإناث ، سينتهي كلا النوعين بمحاربة بعضهما البعض وستعاني الخلايا المضيفة نتيجة لذلك. لمنع هذا التوتر ، من الضروري أن تكون جميع الميتوكوندريا متطابقة في جسم واحد.
وبالتالي ، يمكن استخدام الحمض النووي للميتوكوندريا لرسم خريطة لخط أسلافنا.
نظرًا لأن النسل لا يتلقى سوى الميتوكوندريا الأمومية ، والتي تظل دون تغيير إلى حد كبير ، فإن الحمض النووي للميتوكوندريا لديك مطابق تقريبًا لمادة والدتك. والحمض النووي للميتوكوندريا الخاص بها هو إلى حد ما نفس الحمض النووي للميتوكوندريا لأمها ، وهلم جرا.
من خلال هذه المعرفة ، تتبع العلماء النسب الموروثة لجميع البشر الأحياء إلى امرأة واحدة تُدعى حواء الميتوكوندريا ، أو حواء الأفريقية ، التي عاشت في إفريقيا منذ حوالي 200 ألف عام. وضع هذا الاكتشاف المذهل الأساس لنظرية خارج إفريقيا ، والتي تفترض مسبقًا أن جميع البشر المعاصرين جاءوا من إفريقيا.
في الميتوكوندريا تكمن إجابات الشيخوخة والموت.
من المقبول عمومًا في علم الأحياء أنه إذا كان هناك شيء أكبر ، فإن معدل الأيض يكون أبطأ ، وبالتالي يكون عمره أطول. هناك استثناءات لهذه القاعدة بالطبع ؛ الطيور ، على سبيل المثال ، تعيش أطول بكثير مما تنبأت به هذه القاعدة.
لكن بالنسبة للجزء الأكبر ، هذا القانون صحيح. لذلك ، إذا كان العمر يعتمد على معدل الأيض ، وهو مقياس لمدى سرعة استهلاك الجسم للطاقة ، فمن الواضح أن الميتوكوندريا تلعب دورًا رئيسيًا في تحديد عمرنا.
بتعبير أدق ، تسبب الميتوكوندريا الشيخوخة والموت في النهاية.
تم طرح النظرية الأولى في عام 1972 من قبل العالم الأمريكي دنهام هارمان بحجة أن الشيخوخة مرتبطة بتسرب الجذور الحرة. الجذور الحرة هي جزيئات أو ذرات لها إلكترون واحد غير متزاوج وبالتالي فهي غير مستقرة. إنها سامة ويمكن أن تلحق الضرر بالأنسجة الحية وأجزاء الخلايا ، مثل الحمض النووي.
لكن هذه منتجات ثانوية للنشاط الأيضي أيضًا. تتفاعل الجزيئات الأخرى في خلايانا مع الأكسجين أثناء تنفس الخلية ، مما يؤدي إلى تسرب الجذور الحرة. نظرًا لأن معظم هذه التفاعلات الكيميائية تحدث داخل الميتوكوندريا ، فإن الجذور الحرة تشكل تهديدًا لرفاهية الميتوكوندريا.
عندما تتضرر الميتوكوندريا ، تبدأ الخلايا في التدهور وتبدأ الشيخوخة. ترتبط وتيرة الشيخوخة وظهور الأمراض المرتبطة بالعمر بمعدل تسرب الجذور الحرة ، أي أنه كلما زادت سرعة عملية التمثيل الغذائي ، زادت سرعة تسرب الجذور الحرة وقصر عمر الكائن الحي. وهذا ما يُعرف بنظرية الميتوكوندريا للشيخوخة ، والتي لا تخلو من عيوبها وانتقاداتها.
على سبيل المثال ، تتنبأ النظرية بأن مضادات الأكسدة ، مثل فيتامين ج ، من المتوقع أن تكون قادرة على إيقاف تفاعل الأكسجين مع الجزيئات الأخرى الموجودة في خلايانا. وبالتالي ، فهذا يعني أن تسرب الجذور الحرة سيتوقف وأن الشيخوخة ستمنع. ومع ذلك ، فإن هذا التوقع خاطئ ببساطة.
بغض النظر ، فإن الحجة الرئيسية للنظرية القائلة بوجود علاقة بين الشيخوخة وتسرب الميتوكوندريا للجذور الحرة تبدو صحيحة.
ولذا يمكننا أن نتفق جميعًا على أن الميتوكوندريا هي مركز الحياة والموت.
موجز
مكنت الميتوكوندريا الحياة المعقدة متعددة الخلايا من التطور وتلعب دورًا حيويًا في التمثيل الغذائي وإنتاج الطاقة للكائن الحي. تشارك الميتوكوندريا أيضًا في التنسيق الخلوي ، وعملية الشيخوخة ، وبالتالي الموت ، وتقدم رؤى مذهلة حول أصول الإنسان.