تقارن هاى طبيعت

اصول پايستگى محك اصلى يك نظريه فيزيكى است يعنى يك تئورى پيش از هر چيز و حتى آزمايش بايد از اين اصول تبعيت كند. پايستگى انرژى، اندازه حركت، اندازه حركت زاويه اى و پايستگى بار چهار اصل پايستگى هستند كه اگر نظريه اى آنها را نقض كند راهى سطل زباله خواهد شد. خانم امى نودر (Emmy Noether)  رياضيدان آلمانى در سال ۱۹۱۷ در مقاله اى نشان داد كه هر اصل پايستگى در طبيعت ناشى از يك نوع تقارن است. مثلاً پايستگى انرژى ناشى از تقارن زمانى است و يا تقارن در چرخش پايستگى اندازه حركت زاويه اى را نشان مى دهد و... به هر حال مى توان تقارن ها را به عنوان اصول اساسى طبيعت فرض كرد يا پايستگى ها را.

در هر صورت اينها را مى توان از يكديگر نتيجه گيرى كرد. اما چند تقارن ديگر هم در طبيعت وجود دارد كه در بعضى از موارد خاص به هم مى ريزد. به هم ريختگى اين تقارن هاى گاهى ريشه اى هستند مثل شكست تقارن پاريته در برهم كنش هاى ضعيف هسته اى يا گاهى هم ناشى از شرايط اوليه سيستم هستند، مثل اينكه جهان تا جايى كه ما مى دانيم از ماده تشكيل شده و نه از ضدماده در حالى كه اين دو هيچ فرقى ندارند بلكه تنها علامت بار آنها عكس هم است. پيدا كردن منشاء اصلى به هم خوردن اين تقارن ها به بسيارى از پرسش هاى پايه اى علم پاسخ خواهد داد. به نظر مى رسد با كشف علت چپ گردى اسيد هاى آمينه كه يكى از همين مثال هاى به هم خوردن تقارن است، به كشف منشاء مولكولى حيات نزديك شده ايم.

چهار دسته مولكول آلى در بدن وجود دارد كه عبارتند از: هيدرات هاى كربن كه وظيفه تامين انرژى را بر عهده دارند، ليپيد ها كه به عنوان غشا به كار مى روند، پروتئين ها كه فعاليت هاى حياتى را كنترل مى كنند و اسيد هاى نوكلئيك كه اطلاعات مورد نياز براى تمام واكنش هاى موجود زنده را در خود ذخيره مى كنند.پروتئين ها فراوان ترين مولكول هاى آلى در سلول هستند و بيش از ۵۰ درصد از وزن خشك يك سلول را تشكيل مى دهند. ميليون ها پروتئين در تمام جنبه هاى كاركرد و ساختار يك موجود زنده، نقش اساسى ايفا مى كنند كه اكثرشان ناشناخته اند. اما همه آنها به صورت زنجيره هايى از تعداد محدودى زير واحد تشكيل شده اند. ۲۱ اسيد آمينه در طبيعت وجود دارند كه همه پروتئين ها از آنها ساخته شده اند. در حقيقت اين ترتيب قرار گرفتن پشت سر هم اسيد هاى آمينه است كه در ژن ها ذخيره مى شود و به همين ترتيب است كه در نهايت شكل اصلى پروتئين را در محيط سلول مشخص مى كند. كاركرد پروتئين به شدت وابسته به شكل سلول است.
• اسيد هاى آمينه چپ گرد
اسيد هاى آمينه از خود فعاليت هاى نورى نشان مى  دهند. به اين معنى كه وقتى در مقابل نور با قطبش دايروى قرار مى گيرند، گروهى صفحه نور را به سمت چپ و گروهى آن را به سمت راست مى چرخانند. بر همين اساس اسيد هاى آمينه را راست گرد يا چپ  گرد مى  گويند و به اين خاصيت ايزومريسم فضايى يا (Chirality  مى گويند.

اين خاصيت در همه اتم هاى كربن كه غيرمتقارن باشند، ديده مى شود. كربن هايى را غيرمتقارن مى گويند كه با چهار عامل مختلف پيوند داشته باشند، به علت چهار وجهى بودن اتم كربن مركزى اين چهار عامل مى توانند با داشتن دو توالى مختلف فضايى به دور اتم كربن دو ايزومر فضايى به وجود آورند.در اسيد هاى آمينه اين دو ايزومر فضايى غير از اينكه نور قطبيده راست گرد يا چپ گرد را بازمى تابانند، در تمام خواص ديگر كاملاً با هم مشترك هستند. اين راست گردى و چپ گردى هيچ نوع مزاحمتى براى فعاليت هاى حياتى پروتئين ايجاد نمى كند. وقتى اسيد هاى آمينه را در آزمايشگاه و توسط روش هاى شيميايى سنتز مى كنيم و در مقابل نور قرار مى گيرند، هيچ نوع خاصى از قطبش در نور بازتابيده ديده نمى شود. اين نكته بيانگر آن است كه از هر دو نوع راست گرد و چپ گرد به تعداد مساوى توليد شده است. اما نكته جالب اينجا است كه وقتى يك پروتئين طبيعى را به اسيد هاى آمينه تجزيه مى كنيم فقط اسيد هاى آمينه چپ گرد در محيط پيدا مى شوند، يعنى در طبيعت تنها اسيد هاى آمينه چپ گرد حضور دارند. اين به هم ريختگى تقارن همواره از سئوال هاى اساسى بيوشيمى دانان بود تا اينكه به تازگى نشريه نيوساينتيست  (New Scientist)  در گزارشى اعلام كرد كه گروهى از محققين فرانسوى به سرپرستى دكتر «يوماير هنريش» (Vwe  Meierhenrich)  به دليل اصلى اين به هم خوردگى تقارن طبيعت پى برده اند.
 

منشاء مولكولى حيات

در سال ۲۰۰۰ گروهى از پژوهشگران با شبيه سازى محيط كره زمين در بدو شكل گيرى آن در حدود ۳ تا ۴ ميليارد سال پيش و تاباندن نور به آن در يك محيط ايزوله اسيد هاى  آمينه را توليد كردند. اما جالب اينجا بود كه اين اسيد هاى آمينه هم به تعداد مساوى از هر دو نوع ايزومر فضايى داشتند. اين آزمايش اين حدس را كه مولكول هاى اصلى و پايه اى حيات روى زمين شكل گرفته اند را تا حدودى زير سئوال برد.
يكى از مهم  ترين نظرات در مورد منشاء حيات اين است كه مولكول هاى پايه براى تشكيل حيات مثل اسيد هاى آمينه توسط شهاب سنگ ها بر روى زمين فرود آمده اند. به همين دليل گروه تحقيقاتى دكتر ماير هنريش محيطى را شبيه سازى كردند كه به جاى محيط مرطوب سطح زمين در ۳ ميليارد سال پيش شبيه ديسك غبار اوليه اى بود كه منشاء اصلى سيارات و اجرام سامانه خورشيدى (منظومه شمسى) بود. چون در آن زمان پيك نور محيط (يعنى بيشترين ميزان تشعشع الكترو مغناطيسى) در طول موج ۱۸۰ نانومتر بوده، آنها محيط را تحت نور قطبيده با همين طول موج قرار دادند و نتيجه بسيار شگفت  آور بود. تنها اسيد آمينه هاى چپ گرد تشكيل شدند! يعنى امواج الكترومغناطيسى با طول موج ۱۸۰ نانومتر فقط اسيد آمينه هاى چپ گرد را توليد مى كنند.در آزمايش سال ۲۰۰۰ كه پيش از اين ذكر شد، از امواج فرابنفش پاپيك نورى در طول موج ۲۱۰ نانومتر استفاده شده بود، زيرا طول موج هاى كوتاه تر توانايى نفوذ در آب را ندارند و جذب مى شوند.

بنابراين به نظر مى رسد كه اسيد هاى  آمينه در زمانى پيش از شكل گرفتن سطح زمين به وجود آمده اند. پروفسور ماير هنريش براى تاييد نظريه خود به دو مورد از كشف اسيد هاى آمينه روى شهاب سنگ هاى يخى كه در زمان غبار اوليه پيش ستاره اى شكل گرفته بودند، اشاره مى كند كه همگى چپ گرد هستند.وى قصد دارد براى تاييد نظريه خود از آزمايش هايى كه توسط سينكروترون انجام مى شود، كمك بگيرد اما تاييد نهايى اين نظريه كه مولكول هاى اصلى حيات از فضا بر روى كره زمين فرود آمدند، موكول به زمانى خواهد شد كه قرار است فضاپيماى بدون سرنشين آژانس فضايى اروپا يعنى «روزتا» (Rosetta)  به روى سنگ آسمانى ۴VP فرود آيد و مواد آن را آناليز كند.اين ماموريت كه براى سال ۲۰۱۴ ترتيب داده شده است مى تواند براى هميشه به اين سئوال پاسخ دهد كه آيا حيات در مقياس مولكولى بر روى زمين به وجود آمده است يا در فضا شكل گرفته و توسط اجرام آسمانى به روى زمين كه محيط مناسبى براى رشد و تكثير و تكامل آن بوده است، منتقل شده است.براى اين منظور پروفسور ماير هنريش وسيله اى را براى نصب روى فضاپيماى روز تا آماده كرد كه در صورت كشف اسيد هاى آمينه روى اين سنگ آسمانى كه در زمان هاى اوليه منظومه شمسى شكل گرفته معين كند كه آيا اين اسيد هاى آمينه چپ گردند يا راست گرد.