03. โมเลกุลที่คัดลอกตัวเอง
โมเลกุลชนิดเดียวเคยทำหน้าที่ทั้งเป็นข้อความและเป็นเครื่องจักรที่อ่านข้อความนั้น มันดำรงอยู่ในช่วงระหว่างประมาณ 4.5 พันล้านปีก่อน ตอนที่ระบบโลก-ดวงจันทร์เพิ่งก่อตัวเสร็จ กับประมาณ 4.2 พันล้านปีก่อน ตอนที่ประชากรของ LUCA ถือรหัสพันธุกรรมที่ใช้งานได้แล้ว การศึกษาปี 2024 ที่ระบุอายุของ LUCA เรียกช่วงนี้ว่า "สั้นอย่างน่าประหลาดใจ" ในช่วงนั้นยังไม่มีอะไรแยกงานสองอย่างออกจากกัน สารชนิดเดียวถือทั้งการถ่ายทอดพันธุกรรมและปฏิกิริยาเคมีไว้พร้อมกัน ต่อมาสิ่งมีชีวิตจึงแบ่งงานนั้นออก ให้ DNA เก็บคลังข้อมูล และให้โปรตีนเป็นเครื่องจักร
แนวคิดนี้มีชื่อและมีวันเกิด "โลกอาร์เอ็นเอ" (RNA world) คือคำที่วอลเตอร์ กิลเบิร์ต (Walter Gilbert) แห่งห้องปฏิบัติการชีววิทยา มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด บัญญัติไว้ในบทวิจารณ์ยาวย่อหน้าเดียวในวารสาร Nature เล่มที่ 319 หน้า 618 ฉบับวันที่ 20 กุมภาพันธ์ 1986 โมเลกุลที่ว่านั้นคือ RNA และแนวคิดนี้บอกว่ายุคหนึ่งทั้งยุคของสิ่งมีชีวิตยุคแรกดำเนินไปด้วย RNA เพียงอย่างเดียว กิลเบิร์ตเสนออย่างชัดเจนเป็นคนแรกว่าระบบสิ่งมีชีวิตยุคแรกสุดสร้างขึ้นจาก RNA ทั้งหมด เก็บข้อมูลและเร่งปฏิกิริยาไว้ในโมเลกุลเดียว คือกระตุ้นและเร่งความเร็วของปฏิกิริยาเคมี บทบาทเหล่านี้ถูกแยกออกระหว่าง DNA กับโปรตีนในภายหลัง บทวิจารณ์นี้สั้นมาก แต่จากการนับของ Nature เอง มันถูกอ้างอิงไปแล้วถึง 2,623 ครั้ง
กิลเบิร์ตมีฐานรองรับอยู่แล้ว เป็นการค้นพบที่เกิดก่อนหน้าเขาเพียงปีเดียว นักวิจัยสองคนทำงานเป็นอิสระต่อกัน และเพิ่งแสดงว่า RNA ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพที่แท้จริงได้ เรียกว่าไรโบไซม์ (ribozyme) ไม่ใช่เป็นเพียงตัวพาข้อมูลพันธุกรรม โทมัส เช็ก (Thomas Cech) แห่งมหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ แสดงในปี 1982 ว่าโมเลกุล RNA ที่ยังไม่ผ่านการตัดต่อ เอามาจากซิลิเอตชนิด Tetrahymena thermophila ตัดต่อตัวเองได้ มันตัดและเชื่อมลำดับของตัวเองใหม่โดยไม่มีโปรตีนอยู่ในปฏิกิริยาเลย ซิดนีย์ อัลต์แมน (Sidney Altman) แห่งมหาวิทยาลัยเยล ก่อข้อพิสูจน์ทีละขั้น ขั้นแรกในปี 1978 เขาพบว่าเอนไซม์แบคทีเรีย RNase P หยุดทำงานเมื่อดึงองค์ประกอบ RNA ออกไป และกลับมาทำงานอีกครั้งเมื่อใส่ RNA คืนเข้าไป จากนั้นในปี 1983 เขาสาธิตได้สมบูรณ์ขึ้นว่าองค์ประกอบ RNA เพียงลำพัง ไม่มีตัวช่วยใด ๆ เร่งปฏิกิริยาการตัดที่ RNase P เป็นที่รู้จักได้เอง เช็กและอัลต์แมนรับรางวัลโนเบลสาขาเคมีร่วมกันในปี 1989 "จากการค้นพบคุณสมบัติเชิงเร่งปฏิกิริยาของ RNA" ตอนที่ประกาศรางวัลนั้น วงการรู้จักไรโบไซม์ลักษณะนี้แล้ว "เกือบร้อยชนิด"
RNase P ยังทำงานอยู่ทุกวันนี้ในแบคทีเรีย อาร์เคีย และยูคาริโอตแทบทุกชนิดที่มีชีวิตอยู่ หน้าที่ของมันคือประมวลผลทรานสเฟอร์อาร์เอ็นเอ ส่วนอินทรอนที่ตัดต่อตัวเองได้ของเช็กก็ยังพบใน Tetrahymena และในยีนของสิ่งมีชีวิตอื่นอีกมาก การค้นพบทั้งสองนี้ไม่ใช่ของเก่าเก็บในพิพิธภัณฑ์
หลักฐานที่หนักแน่นที่สุดชิ้นเดียวของอดีตที่ดำเนินไปด้วย RNA อยู่ตรงใจกลางของไรโบโซม เครื่องจักรที่เซลล์สิ่งมีชีวิตทุกเซลล์ยังต้องพึ่งเพื่อสร้างโปรตีน ในปี 2000 นิสเซน, แฮนเซน, บาน, มัวร์ และสไตทซ์ (Nissen, Hansen, Ban, Moore, and Steitz) ตีพิมพ์โครงสร้างระดับอะตอมของหน่วยย่อยขนาดใหญ่ของไรโบโซม เก็บมาจากอาร์เคียชนิด Haloarcula marismortui ลงในวารสาร Science เล่มที่ 289 หน้า 920 ถึง 930 สิ่งที่พบคือศูนย์กลางเพปทิดิลทรานสเฟอเรส จุดที่สายโปรตีนกำลังเติบโตรับกรดอะมิโนตัวถัดไปพอดี สร้างขึ้นจาก RNA ของไรโบโซมล้วน ๆ ไม่มีอะตอมของโซ่ข้างโปรตีนตัวไหนเข้าใกล้ปฏิกิริยานั้นกว่าประมาณ 18 อังสตรอม ไกลเกินกว่าจะมีส่วนร่วมได้ โมเลกุลสารตั้งต้นทั้งสองสัมผัสเพียง RNA ที่อนุรักษ์ไว้ในส่วนของไรโบโซมที่เรียกว่าโดเมน V ไรโบโซมทุกตัวที่มีชีวิตอยู่วันนี้ ในทุกโดเมนของสิ่งมีชีวิต ยังใช้ห้องปฏิกิริยา RNA ล้วนแบบเดียวกันนี้ นี่อาจเป็นซากดึกดำบรรพ์ที่เป็นสากลที่สุดชิ้นเดียวที่โลกอาร์เอ็นเอทิ้งไว้ เพราะมันอยู่ที่ใจกลางเครื่องจักรที่จำเป็นที่สุดของชีววิทยา ไม่ใช่ตรงมุมรอบนอกที่เหลือเป็นเพียงร่องรอย
ห้องทดลองสาธิตโดยตรงในปี 2009 ว่า RNA คัดลอกตัวเองได้ ไม่ใช่แค่เร่งปฏิกิริยาเดี่ยว ๆ เทรซี ลินคอล์น (Tracey Lincoln) และเจอรัลด์ จอยซ์ (Gerald Joyce) แห่งสถาบันวิจัยสคริปปส์ ออกแบบเอนไซม์ RNA คู่หนึ่งให้เร่งการสังเคราะห์ซึ่งกันและกันจากโมเลกุลชิ้นส่วนสั้น ๆ สี่ชนิด เอนไซม์แต่ละตัวจึงผลิตคู่หูของตัวเองขึ้นมา ผลที่ตีพิมพ์ใน Science เล่มที่ 323 หน้า 1229 ถึง 1232 คือการขยายจำนวนแบบทวีคูณที่เลี้ยงตัวเองได้ เวลาเพิ่มจำนวนเป็นสองเท่าอยู่ที่ประมาณหนึ่งชั่วโมง และเดินต่อไปได้ไม่จำกัดตราบใดที่วัตถุดิบใหม่ยังเข้ามาเรื่อย ๆ เมื่อปล่อยตัวจำลองแบบหลายรุ่นที่แตกต่างกันให้แย่งวัตถุดิบจากแหล่งเดียวกัน ตัวจำลองแบบลูกผสมชนิดใหม่ก็โผล่ขึ้นระหว่างการทดลองและครองประชากรไปในที่สุด นั่นคือวิวัฒนาการแบบดาร์วินที่เกิดกับระบบเคมีล้วน ๆ ไม่มีโปรตีนเข้ามาเกี่ยวข้องตรงไหนเลย ข้อจำกัดที่ตรงไปตรงมาของงานนี้ ผู้เขียนเองก็ยอมรับ ผลการทดลองเพียงอย่างเดียวตอบไม่ได้ว่าคู่ที่ถูกออกแบบมาอย่างพิถีพิถันคู่นี้คล้ายกับทางที่ตัวจำลองแบบตามธรรมชาติในยุคก่อนกำเนิดชีวิตจะเกิดขึ้นเองหรือไม่ หรือธรรมชาติต้องอาศัยการออกแบบซ้ำแล้วซ้ำเล่าโดยมนุษย์อย่างจงใจแบบที่สร้างเอนไซม์สองตัวนี้ขึ้นมา และนั่นเป็นคำถามที่ยุติธรรม
วัตถุดิบมาจากไหน
เคมีทั้งหมดนี้เดินไม่ได้ ถ้าไม่มีกรดอะมิโนและนิวคลีโอไทด์วางรออยู่ให้ร้อยเข้าด้วยกัน คำถามว่าของพวกนั้นมาจากไหนมีประวัติการทดลองของตัวเอง เริ่มในปี 1953 สแตนลีย์ มิลเลอร์ (Stanley Miller) ทำงานร่วมกับแฮโรลด์ ยูรีย์ (Harold Urey) ที่มหาวิทยาลัยชิคาโก ปิดผนึกส่วนผสมของมีเทน แอมโมเนีย ไฮโดรเจน และไอน้ำไว้ในขวดแก้ว เป็นการเดาบรรยากาศของโลกยุคแรก แล้วปล่อยประกายไฟฟ้าผ่านมันต่อเนื่องนานประมาณหนึ่งสัปดาห์แทนฟ้าผ่า หลังจากนั้นเขาพบสารประกอบอินทรีย์สิบเก้าชนิด ในนั้นมีกรดอะมิโนไกลซีน อัลฟา-อะลานีน และเบตา-อะลานีน ทั้งหมดสร้างขึ้นจากวัตถุดิบอนินทรีย์สี่ชนิดนั้นกับประกายไฟเท่านั้น ต้นฉบับงานวิจัยถึงมือวารสาร Science ในเดือนกุมภาพันธ์ 1953
ห้าสิบห้าปีต่อมา วัตถุดิบต้นตำรับชุดเดิมให้ผลมากขึ้นไปอีก ในปี 2008 ทีมวิจัยที่นำโดยเจฟฟรีย์ บาดา (Jeffrey Bada) ค้นพบขวดตัวอย่างปิดผนึกจากการทดลองที่มิลเลอร์เคยทำเองในทศวรรษ 1950 แต่ไม่เคยตีพิมพ์ การทดลองนั้นใช้ "อุปกรณ์จำลองภูเขาไฟ" ที่ดัดแปลงขึ้นเพื่อจำลองการปะทุของภูเขาไฟที่อุดมด้วยไอน้ำและมีฟ้าผ่าปะปนอยู่ ทีมนำมาวิเคราะห์ใหม่ด้วยเครื่องมือที่มิลเลอร์ไม่เคยเข้าถึง คือโครมาโทกราฟีของเหลวสมรรถนะสูงและแมสสเปกโทรเมทรีสมัยใหม่ ขวดตัวอย่างอายุหลายสิบปีเหล่านั้นเผยกรดอะมิโนที่แตกต่างกัน 22 ชนิดและเอมีน 5 ชนิด หลายชนิดไม่เคยถูกระบุมาก่อนในการทดลองแบบมิลเลอร์เลย ผลผลิตอุดมกว่าชุดการทดลองที่ตีพิมพ์ครั้งแรกอย่างเห็นได้ชัด งานวิเคราะห์ใหม่นี้ตีพิมพ์ใน Science เมื่อวันที่ 17 ตุลาคม 2008 และให้เหตุผลว่าฟ้าผ่าภายในกลุ่มควันจากการปะทุของภูเขาไฟอาจเป็นมุมหนึ่งของโลกที่ผลิตวัตถุดิบของสิ่งมีชีวิตได้ดีเป็นพิเศษ ฟ้าผ่าแบบนั้นเกิดขึ้นจริงบนโลกยุคเยาว์ที่ภูเขาไฟยังคุกรุ่นอยู่ ตัวเคมีเองไม่มีใครเถียง ที่ยังเถียงกันคือบรรยากาศที่มิลเลอร์สันนิษฐานไว้ใกล้เคียงกับบรรยากาศยุคแรกที่แท้จริงเพียงใด เขาสันนิษฐานบรรยากาศที่มีสภาพรีดิวซ์อย่างแรงและอุดมด้วยมีเทนกับแอมโมเนีย ส่วนวิทยาศาสตร์บรรยากาศส่วนใหญ่ในปัจจุบันตัดสินว่าของจริงน่าจะใกล้ส่วนผสมที่เป็นกลางทางเคมีและอุดมด้วยคาร์บอนไดออกไซด์กับไนโตรเจนมากกว่า
หลักฐานอีกชนิดหนึ่งที่แตกต่างไปโดยสิ้นเชิงของเคมีชุดเดียวกันนี้มาจากนอกโลก อุกกาบาตเมอร์ชิสัน (Murchison) ตกลงที่ออสเตรเลียในปี 1969 และมันมีส่วนเกินเล็กน้อยแต่มีอยู่จริงของรูปแบบภาพสะท้อนกระจกแบบหนึ่งเหนืออีกแบบ ในกรดอะมิโนไอโซวาลีน สารประกอบตัวนี้แทบไม่ปรากฏในชีววิทยาบนโลก จึงเชื่อถือได้ในฐานะตัวติดตามเคมีนอกโลกที่ไม่ปนเปื้อน ส่วนเกินของรูปแบบถนัดซ้ายที่วัดได้มีตั้งแต่ไม่มีเลย ไปจนถึงระหว่าง 18.5 ถึง 20.5 เปอร์เซ็นต์ แล้วแต่ก้อนหินและวิธีวิเคราะห์ที่ใช้ นั่นคือส่วนเกินสูงสุดเท่าที่เคยมีรายงานในอุกกาบาตก้อนใดก็ตามจนถึงวันนี้ พิซซาเรลโล (Pizzarello) วัดไว้ในปี 2003 ตีพิมพ์ใน Geochimica et Cosmochimica Acta ได้ช่วง 0 ถึง 15.2 เปอร์เซ็นต์ ส่วนการศึกษาปี 2009 ใน PNAS โดยกลาวิน (Glavin) และดวอร์กิน (Dworkin) วัดได้ 18.5 เปอร์เซ็นต์ บวกลบ 2.6 เฉพาะในเมอร์ชิสัน และสูงถึง 20.5 เปอร์เซ็นต์เมื่อสำรวจอุกกาบาตคาร์บอเนเชียสคอนไดรต์ในวงกว้างขึ้น อุกกาบาตกลุ่มนั้นเป็นหินที่อุดมด้วยสารประกอบคาร์บอน
อคติทางความถนัดซ้ายขวานี้มีอยู่ในหินของระบบสุริยะก่อนที่ความถนัดมือเดียวของโมเลกุลบนโลกจะถูกกำหนดลงตัว วัตถุต้นกำเนิดของเมอร์ชิสันมีอายุย้อนไปถึงยุคต้นของระบบสุริยะ ประมาณ 4.5 ถึง 4.6 พันล้านปีก่อน เท่ากับอายุการก่อตัวมาตรฐานของอุกกาบาตในกลุ่มนี้ ลำดับเวลาแบบนี้สอดคล้องกับข้อเสนอว่าสสารนอกโลกมีส่วนช่วยเอียงโลกไปทางมือข้างหนึ่งตั้งแต่แรก แต่ไม่ได้พิสูจน์ข้อเสนอนั้น การวิเคราะห์ของกลาวินและดวอร์กินเองเพิ่มความยุ่งยากอย่างตรงไปตรงมา แทนที่จะคลี่คลายมัน ส่วนเกินที่มากถึงประมาณ 20.5 เปอร์เซ็นต์ดูใหญ่เกินกว่าจะอธิบายด้วยกลไกหลักที่เสนอกันไว้เพียงลำพัง คือการฉายรังสีด้วยแสงโพลาไรซ์แบบวงกลม ทั้งสองจึงเสนอกระบวนการเปลี่ยนแปลงในน้ำเข้ามาเสริมหรือแทนที่ คือน้ำเหลวไหลผ่านวัตถุต้นกำเนิดของอุกกาบาตแล้วปรับสภาพทางเคมีให้มัน ช่องว่างระหว่างกลไกกับสิ่งที่สังเกตได้ยังไม่ปิดลง
โครงร่างของช่วงเวลาแรกสุดของการถ่ายทอดพันธุกรรมปรากฏขึ้นจากหลักฐานสามชิ้นนี้ ประกายไฟที่เขียนกรดอะมิโนขึ้นจากแก๊สดิบ ๆ อุกกาบาตที่พกอคติทางความถนัดซ้ายขวาเก่าแก่กว่าโลกเอง และการสาธิตในห้องทดลองว่า RNA เพียงลำพังคัดลอกตัวเอง แข่งขัน และวิวัฒนาการได้ สิ่งที่โผล่ออกมาคือโมเลกุลที่คัดลอกตัวเองอย่างไม่สมบูรณ์แบบ อยู่ในแอ่งที่มีวัตถุดิบของมันเองสะสมอยู่แล้ว การคัดลอกที่ไม่สมบูรณ์แบบและเกิดซ้ำแล้วซ้ำเล่าคือรากเชิงกลไกทั้งหมดของการถ่ายทอดพันธุกรรม รุ่นหนึ่งคล้ายรุ่นก่อนหน้า แต่ไม่เคยซ้ำแบบเป๊ะ
บางสิ่งที่คัดลอกตัวเองได้ และบางครั้งก็คัดลอกผิดพลาด มีทุกอย่างที่จำเป็นครบแล้วสำหรับเริ่มสะสมประวัติศาสตร์ ไม่ใช่แค่เคมีอีกต่อไป สิ่งที่มันยังไม่มีคือความถาวร คือกุญแจล็อกที่แข็งแรงพอจะยึดการจัดเรียงที่มันค้นพบเอาไว้ กุญแจล็อกนั้นยังรออยู่ข้างหน้า
พลิกกลับได้หาก: มีใครแสดงให้เห็นว่าเคมีที่เกิดขึ้นก่อนการถ่ายทอดพันธุกรรมต้องมีเพปไทด์หรือเครือข่ายเมแทบอลิซึมที่กว้างกว่านั้นทำงานเคียงข้าง RNA มาตั้งแต่ต้น ไม่ใช่มีช่วงที่แท้จริงที่ RNA เพียงลำพังทำหน้าที่เป็นทั้งสารข้อความและเครื่องจักร
แหล่งข้อมูล
- 1986 · Gilbert, "Origin of life: The RNA world" — Nature 319, 618
- 2000 · Nissen, Hansen, Ban, Moore & Steitz, "The Structural Basis of Ribosome Activity in Peptide Bond Synthesis" — Science 289(5481):920
- 2009 · Lincoln & Joyce, "Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme" — Science 323(5918):1229-1232
- 1953 · Miller-Urey spark-discharge experiment, NASA historical summary — NASA NTRS technical report
- 2008 · Johnson et al., "The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment" — Science 322(5900):404
- 2009 · Glavin & Dworkin, "Enrichment of the amino acid L-isovaline by aqueous alteration on CI and CM meteorite parent bodies" — PNAS 106(14)