العلماء يعيدون خلق الظروف التي أشعلت الحياة المعقدة

النسخة الأصلية ل هذه القصة ظهرت في مجلة كوانتا.

وبعيدًا عن كونها عوامل منفردة، فإن معظم الميكروبات وحيدة الخلية تعيش في علاقات معقدة. في المحيط، والتربة، وأمعائك، قد يتقاتلون ويأكلون بعضهم البعض، أو يتبادلون الحمض النووي، أو يتنافسون على العناصر الغذائية، أو يتغذون على المنتجات الثانوية لبعضهم البعض. وفي بعض الأحيان تصبح أكثر حميمية: فقد تنزلق خلية داخل أخرى وتجعل نفسها مريحة. إذا كانت الظروف مناسبة، فقد يبقى ويحظى بالترحيب، مما يؤدي إلى علاقة قد تستمر لأجيال أو مليارات السنين. هذه الظاهرة المتمثلة في عيش خلية داخل أخرى، والتي تسمى التعايش الداخلي، غذت تطور الحياة المعقدة.

توجد أمثلة على التعايش الداخلي في كل مكان. الميتوكوندريا، مصانع الطاقة في خلاياك، كانت ذات يوم بكتيريا تعيش بحرية. تدين نباتات التمثيل الضوئي بالسكريات التي تنتجها الشمس إلى البلاستيدات الخضراء، والتي كانت أيضًا في الأصل كائنًا مستقلاً. تحصل العديد من الحشرات على العناصر الغذائية الأساسية من البكتيريا التي تعيش بداخلها. وفي العام الماضي اكتشف الباحثون مادة “nitroplast”، وهي تعايش داخلي يساعد بعض الطحالب على معالجة النيتروجين.

يعتمد جزء كبير من الحياة على العلاقات التكافلية الداخلية، لكن العلماء يكافحون لفهم كيفية حدوثها. كيف تتهرب الخلية الداخلية من عملية الهضم؟ كيف يتعلم التكاثر داخل مضيفه؟ ما الذي يجعل الاندماج العشوائي بين كائنين مستقلين في شراكة مستقرة ودائمة؟

الآن، ولأول مرة، شاهد الباحثون تصميم الرقصة الافتتاحية لهذه الرقصة المجهرية عن طريق تحفيز التعايش الداخلي في المختبر. بعد حقن البكتيريا في الفطريات – وهي عملية تتطلب حلًا إبداعيًا للمشكلات (ومضخة دراجة) – تمكن الباحثون من إثارة التعاون دون قتل البكتيريا أو المضيف. تقدم ملاحظاتهم لمحة عن الظروف التي تجعل من الممكن حدوث الشيء نفسه في الحياة الميكروبية.

حتى أن الخلايا تكيفت مع بعضها البعض بشكل أسرع مما كان متوقعًا. قال فاسيليس كوكوريس، عالم الفطريات الذي يدرس بيولوجيا الخلية للتكافل في جامعة VU في أمستردام ولم يشارك في الدراسة الجديدة: “بالنسبة لي، هذا يعني أن الكائنات الحية تريد أن تعيش معًا بالفعل، والتكافل هو القاعدة”. “لذا فهذه أخبار كبيرة جدًا بالنسبة لي ولهذا العالم.”

تكشف المحاولات المبكرة التي باءت بالفشل أن معظم علاقات الحب الخلوية غير ناجحة. ولكن من خلال فهم كيف ولماذا ومتى تقبل الكائنات الحية التعايش الداخلي، يمكن للباحثين فهم اللحظات الرئيسية في التطور بشكل أفضل، وربما تطوير خلايا اصطناعية مصممة باستخدام تعايش داخلي فائق القوة.

اختراق جدار الخلية

ظلت جوليا فورهولت، عالمة الأحياء الدقيقة في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيوريخ بسويسرا، في حيرة منذ فترة طويلة بشأن ظروف التعايش الداخلي. وافترض الباحثون في هذا المجال أنه بمجرد أن تتسلل البكتيريا إلى الخلية المضيفة، فإن العلاقة تتأرجح بين العدوى والانسجام. إذا تكاثرت البكتيريا بسرعة كبيرة جدًا، فإنها تخاطر باستنزاف موارد المضيف وإثارة استجابة مناعية، مما يؤدي إلى وفاة الضيف أو المضيف أو كليهما. إذا كان يتكاثر ببطء شديد، فلن يتمكن من تثبيت نفسه في الخلية. لقد اعتقدوا أن البكتيريا تحقق معدل تكاثر المعتدل فقط في حالات نادرة. بعد ذلك، لكي يصبح تعايشًا داخليًا حقيقيًا، يجب عليه التسلل إلى الدورة الإنجابية لمضيفه ليصل إلى الجيل التالي. وأخيرًا، يجب أن يتحور جينوم المضيف في النهاية لاستيعاب البكتيريا، مما يسمح للاثنين بالتطور كوحدة واحدة.

قال فورهولت: “لقد أصبحوا مدمنين لبعضهم البعض”.