up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله معماي زيست شناسي PDF
QR code - معماي زيست شناسي

معماي زيست شناسي

حل معماي زيست شناسي به روش شيمي فيزيک

در ميان يافته هاي علمي زيست شناسي، به کمتر يافته يي برمي خوريم که به اندازه يافته «جيمز واتسون» و «فرانسيس کريک» (يعني کشف ساختار سه بعدي DNA) معروف باشد. اين کشف نتيجه کار پژوهشي آنان به تنهايي نبود، بلکه حاصل هم انديشي و کنار هم چيدن يافته هاي پژوهشگران ديگري بود که به باور برخي از دانشمندان، نقش آنان در روشن شدن ساختمان سه بعدي DNA از «واتسون» و «کريک» پررنگ تر بود. در اين مقاله، فعاليت هاي پنج شخصيتي معرفي مي شود که هر يک به شيوه يي در کشف مارپيچ دوتايي سهيم بوده اند. اين افراد عبارتند از؛
۱) «فردريک مايشر»، پزشک سوئيسي که اسيدنوکلئيک را کشف کرد و نشان داد اين ماده در هسته همه سلول ها وجود دارد.
۲) «فوبوس لون»، پزشک و شيميدان روسي که ساختمان شيميايي اسيدهاي نوکلئيک را معرفي کرد.
۳) «اروين چارگاف»، شيميدان استراليايي که مقدار بازهاي آلي را در DNA جانداران گوناگون سنجيد.
۴) «لينوس پاولينگ»، شيميدان بزرگ امريکايي که روي ساختمان پروتئين ها کار مي کرد.
۵) «رزالين د. فرانکلين»، شيمي فيزيکدان انگليسي که از بلور DNA عکس پراش پرتو ايکس تهيه کرد.
● فردريک مايشر
«فردريک مايشر» (۱۸۹۵-۱۸۴۴) به سفارش پدرش وارد دانشکده پزشکي شد، اما به علت دشواري در شنيدن، نمي توانست با بيماران به خوبي ارتباط برقرار کند. از اين رو تصميم گرفت وارد عرصه پژوهش هاي پزشکي شود. وي در سال ۱۸۶۸ پژوهش هاي خود را زير نظر «فليکس هوپ سيلر» در دانشکده علوم طبيعي دانشگاه توبينگن آلمان آغاز کرد. در آن آزمايشگاه، هنگامي که هنوز بسياري از دانشمندان در مفهوم «سلول» شک داشتند، برخي از مولکول هاي سازنده سلول ها استخراج شده بودند و پژوهش در زمينه شيمي بافت ها ادامه داشت.
بررسي شيميايي سلول هاي سفيد خون، به عنوان موضوع پژوهش هاي «مايشر» برگزيده شد. استخراج اين سلول ها از گره هاي لنفاوي بسيار دشوار بود، اما در زخم هاي چرک مقدار زيادي از آنها يافت مي شود. از اين رو، «مايشر» باندهاي آلوده را از بيمارستان محلي جمع آوري و با کمک محلولي از نمک، گلبول هاي سفيد را از آنها جدا مي کرد. «مايشر» در جريان يکي از آزمايش هايش، گلبول هاي سفيد را تحت تاثير عصاره معده خوک قرار داد. در آن زمان، دانشمندان مي دانستند اين عصاره، آنزيمي دارد که باعث هضم پروتئين ها مي شود. امروزه آن آنزيم را با نام پپسين مي شناسيم. وي چگونگي اثر عصاره را بر اين سلول ها، به دقت زير ميکروسکوپ پيگيري کرد. وقتي عصاره معده، پروتئين هاي سفيد خون را تخريب کرد، او مشاهده کرد که ساختار اين سلول ها از هم پاشيد، اما هسته آنها تا حدود زيادي سالم باقي ماند. به اين ترتيب، او هسته سلول ها را از سيتوپلاسم جدا کرد. در گام بعدي، هسته ها را تحت تاثير هيدروکسيد سديم قرار داد. افزودن اين محلول قليايي به ظرف حاوي هسته ها، باعث تشکيل رسوب سفيدرنگي شد که تجزيه شيميايي آن نشان داد، کربن، هيدروژن، اکسيژن، نيتروژن و درصد زيادي فسفر، عنصرهاي سازنده آن هستند. پايداري در برابر عمل پپسين، چگونگي واکنش آن به حلال هاي متفاوت و درصد فسفر بالا باعث شد «مايشر» پيشنهاد کند، ماده غيرپروتئيني جديدي را کشف کرده است. وي اين ماده را نوکلئين به معناي «در هسته» ناميد.
«مايشر» آزمايش هاي مشابهي را روي اسپرم ماهي آزاد انجام داد. به طور کلي، هسته در همه اسپرم ها حجم زيادي از سلول را به خود اختصاص مي دهد. در اسپرم ماهي آزاد نيز بيش از ۹۰ درصد حجم سلول، از هسته است. تلاش شبانه روزي اين پژوهشگر پرکار به استخراج نوکلئين از اسپرم ماهي آزاد و اسپرم گونه هاي ديگر منجر شد. بررسي شيميايي نوکلئين استخراج شده از آن منابع، نتيجه پيشين را تاييد کرد. «مايشر» به راستي ماده جديدي کشف کرده بود که به نظر مي رسيد در هسته همه سلول ها وجود دارد. آيا اين ماده نمي توانست ماده ژنتيک باشد؟
اگر نوکلئين ماده ژنتيک باشد، بايد مقدار آن در همه سلول هاي پيکري يکسان و در سلول هاي جنسي نصف سلول هاي پيکري باشد. «مايشر» براي بررسي اين فرضيه چند سال تلاش کرد و توانست مقدار نوکلئين را در هسته سلول هاي پيکري و جنسي تعيين کند. اما يک رويداد ناشي از بدشانسي باعث شد، او به اشتباه نوعي پروتئين را به عنوان ماده ژنتيک معرفي کند.
«مايشر» درصد فسفر بالا را معيار شناسايي نوکلئين قرار داده بود. در سيتوپلاسم سلول تخمک، پروتئيني به نام فسويتين هفت وجود دارد که بر خلاف ديگر پروتئين ها، مقدار زيادي فسفر دارد. اين پروتئين که در آن زمان کشف نشده بود، باعث شد «مايشر» مقدار نوکلئين موجود در تخمک را به درستي محاسبه نکند. از اين رو، نتيجه گرفت مقدار نوکلئين سلول تخمک و سلول اسپرم با هم برابر نيستند و بنابراين چنين مولکولي نمي تواند نقش ماده ژنتيک را بازي کند. «مايشر» پس از سال ها تلاش، در اثر سل جان باخت. دو عامل را دليل ابتلاي او به اين بيماري مي دانند؛ تماس با چرک باندهاي بيماران و فعاليت شبانه روزي در اتاق سردي که براي استخراج نوکلئين لازم بود. در هر صورت، وي جان خويش را بر سر شناخت نوکلئين گذاشت.
● فوبوس لون
«فوبوس لون» (۱۹۴۰-۱۸۶۹) فراگيري پزشکي را در روسيه آغاز کرد، اما به سبب کار در آزمايشگاه شيمي آلي، به زيست شيمي (بيوشيمي) علاقه مند شد. در سال ۱۸۲۹ آموزش پزشکي را در نيويورک به پايان رساند و با بزرگان شيمي از جمله «آلبرت کوسل» و «اميل فيشر» آشنا شد که در زمينه اسيد نوکلئيک و پروتئين کار مي کردند. او در نتيجه پژوهش هاي فراوان، بيش از ۷۰۰ مقاله درباره ساختمان شيميايي مولکول هاي زنده منتشر کرد، اما شهرت او بيشتر به سبب طرح تترانوکلئوتيدي است.
«لون» براساس پژوهش هاي خود و پژوهشگران پيشين به اين نتيجه رسيد که نوکلئوتيدها واحد ساختماني اسيدهاي نوکلئيک هستند و اسيد نوکلئيکي که «مايشر» کشف کرده بود، از نوع داکسي ريبونوکلئيک (DNA) است. هر نوکلئوتيد از يک نوع باز آلي، يک قند پنج کربنه و يک گروه فسفات تشکيل شده که در شرايط طبيعي به صورت يونيزه و داراي بار منفي است. به علاوه او دريافت، نوکلئوتيدها از راه اتصال فسفودي استري به هم پيوند مي شوند.
«لون» براساس آزمايش هاي خود به اين نتيجه نادرست دست يافت که اندازه چهار باز A، T، C و G در DNA برابر است. از اين رو، طرح تترانوکلئوتيدي را به عنوان ساختمان شيميايي DNA پيشنهاد کرد. براساس اين طرح، DNA مولکول درازي است که از تکرار يک واحد تترانوکلئوتيدي (چهار نوکلئوتيدي) تشکيل شده است؛ يعني، به صورت زير؛
n(“ AGTC-AGTC-AGTC “)
روشن است که چنين مولکول يکنواختي نمي تواند اطلاعات وراثتي گوناگون جاندارن را در خود اندوخته کند. به اين ترتيب، طرح تترانوکلئوتيدي «لون» از اين باور پشتيباني کرد که با وجود حضور DNA در کروموزوم ها، اين مولکول نمي تواند ماده وراثتي باشد. البته، اين اشتباه نبايد نقشي را که «لون» در شناخت ساختمان شيميايي DNA داشته است، از ياد ببرد.
● اروين چارگاف
«اروين چارگاف» (۱۹۹۲-۱۹۲۹) در زمينه شيمي، پژوهش هاي گسترده يي انجام داد، اما بيشتر به خاطر به دست آوردن نسبت بازهاي آلي در DNA مشهور است. وي و همکارانش به مدت هفت سال با روش کروماتوگرافي کاغذي، نسبت بازهاي آلي DNA را در جاندارن گوناگون و سلول هاي پيکري يک جاندار تعيين کردند و نتيجه گرفتند، مقدار بازها در DNA گونه هاي مختلف جانداران متفاوت است و با تغيير رژيم غذايي، تغيير شرايط محيطي يا افزايش سن جاندار، تغيير نمي کند. اما در تمام نمونه ها، مقدار A با مقدار T و مقدار C با مقدار G برابر است.
آزمايش هاي «چارگاف» نشان داد، نظريه تترانوکلئوتيدي «لون» درست نيست. نتيجه اين آزمايش ها، در روش ساختن ساختمان مولکولي DNA و چگونگي اندوخته شدن اطلاعات در آن، نقش مهمي داشتند. به هر حال، خود او نتوانست از آنها در اين زمينه بهره گيرد.
● لينوس پاولين
روش پراش پرتوي ايکس نخستين بار براي بررسي بلور نمک طعام استفاده شد. «لينوس پاولينگ» شيميدان بزرگ، يکي از نخستين کساني بود که با بهره گيري از اين روش تلاش کرد ساختمان سه بعدي پروتئين ها را روشن کند. وي در مجموعه مقاله هايي که در سال هاي ۱۹۵۰ و ۱۹۵۱ انتشار داد، مارپيچ آلفا را مهم ترين رکن ساختمان سه بعدي پروتئين ها معرفي کرد. «پاولينگ» براي DNA نيز طرحي پيشنهاد کرد. در طرح او DNA از سه رشته مارپيچ تشکيل شده بود که بازهاي آلي آن در بيرون و ستون هاي قند فسفات در درون مولکول قرار داشتند. به علاوه در طرح او گروه هاي فسفات به حالت يونيزه و داراي بار منفي نبودند و رشته ها از راه پيوندهاي هيدروژني با هم ارتباط داشتند که بين گروه هاي فسفات برقرار شده بودند.
براساس آنچه از شيمي DNA مي دانيم، گروه هاي فسفات هميشه به حالت يونيزه و داراي بار منفي هستند و اين معما همچنان باقي است که «پاولينگ» (برنده نوبل شيمي) چگونه چنين اشتباهي مرتکب شده است؟ با وجود اين، همان طور که در ادامه مي آيد، شيوه پژوهشي او تاثير مهمي بر فعاليت هاي «واتسون» و «کريک» داشت.
● رزالين فرانکلين
«رزالين فرانکلين» (۱۹۵۸-۱۹۲۰) در سال ۱۹۵۱ به همراه يکي از دانشجويان به نام «رايموند گوسلينگ» مجموعه يي از تصويرهاي پراش پرتوي ايکس با کيفيت بالا از بلور DNA تهيه کرد. او با استفاده از اين تصويرها توانست ابعاد DNA را محاسبه کند و به درستي نتيجه گرفت که گروه هاي فسفات در بيرون مولکول DNA قرار دارند. به علاوه تشخيص داد DNA به دو شکل A و B وجود دارد و شکل راستين DNA همان شکل B است. تصويري که او از بلور شکل B تهيه کرد، در روشن شدن ساختمان سه بعدي DNA نقش بسزايي داشت. آن تصوير را «موريس ويلکينز» (با اجازه يا بدون اجازه فرانکلين) در اختيار «واتسون» و «کريک» قرار داده بود. («واتسون» در کتاب خود، که با نام مارپيچ مضاعف در ايران منتشر شده است، به اين حقيقت اشاره کرده است.) «فرانکلين» در سال ۱۹۵۸ در اثر سرطان درگذشت. به نظر مي رسد کار بيش از اندازه با پرتو ايکس در ابتلاي او به سرطان موثر بوده است.
● واتسون و کريک
در روزهاي پاياني سال ۱۹۵۱، «جيمز واتسون» (زيست شناس) و «فرانسيس کريک» (فيزيکدان) با هدف تعيين ساختمان مولکوليDNA همکاري خويش را آغاز کردند. آنان مي دانستند مولکول DNA از تعداد زيادي نوکلئوتيد تشکيل شده است که به صورت خطي و با کمک اتصال هاي فسفودي استري کنار يکديگر قرار گرفته اند. از سوي ديگر در همين سال، «پاولينگ» مارپيچ آلفا را به عنوان مهم ترين رکن ساختمان سه بعدي پروتئين ها معرفي کرده بود. از اين رو نخستين طرح فرضي برايDNA در ذهن اين زوج علمي شکل گرفت.
۱) DNA رشته يي دراز و مارپيچي شکل از واحدهايي به نام نوکلئوتيد است. در اين رشته، ستون قند فسفات بسيار منظم و ترتيب بازها بسيار نامنظم است.
وقتي آنان طرح فرضي خود را با «ويلکينز» در ميان گذاشتند، با اين پاسخ روبه رو شدند که بر اساس تصويرهاي پراش پرتوي ايکس، قطر مولکول DNA بيش از آن است که وجود تنها يک رشته پلي نوکلئوتيدي آن را توجيه کند. از اين رو، «کريک» پيشنهاد تازه يي را مطرح کرد.
۲) مولکول DNA از چند رشته پلي نوکلئوتيدي تشکيل شده است که به دور يکديگر پيچ خورده اند. آيا DNA مولکولي دورشته يي، سه رشته يي يا چهاررشته يي است؟ ارتباط اين رشته ها با يکديگر چگونه است؟ آيا به راستي مولکولDNA ساختمان مارپيچي دارد؟ پاسخ اين پرسش ها با اطلاعات کمي که در اختيار «واتسون» و «کريک» بود، به دست نمي آمد. از اين رو از «ويلکينز» خواستند با آنان همکاري کند و تصوير پراش پرتوي ايکس بلور DNA را در اختيارشان قرار دهد. آنان با در دست داشتن تصوير پراش پرتوي ايکس DNA تصميم گرفتند همانند ديگر دانشمنداني که به بررسي بلور مولکول ها مي پرداختند، با استفاده از سيم و تکه هاي حلب، طرح فرضي DNA را بسازند. تفسير تصويرهاي پراش بلورها به محاسبه پيچيده يي نياز دارد. در آن زمان هنوز رايانه وارد آزمايشگاه هاي بلورشناسي نشده بود. از اين رو بلورشناسان با توجه به اطلاعات اندکي که از تصويرهاي پراش پرتو ايکس به دست مي آوردند، طرح هاي فرضي مولکول ها را مي ساختند. سپس با انجام محاسبه هايي الگوي پراش فرضي اين طرح هاي ساختگي را تعيين مي کردند. سرانجام، پراش فرضي با پراش بلور مقايسه و ساختمان سه بعدي مولکول مورد نظر پيش بيني مي شد. براي مثال وجود تقارن و نظم در تصوير پراش بلور، نشان دهنده نظم و تکرار واحدهاي سازنده مولکول هاي بلور است. بنابراين، طرح ساخته شده بايد داراي نظم و واحدهاي تکرار شونده باشد.
«واتسون» و «کريک» با فرض اينکه ستون قند فسفات در مرکز و بازهاي حلقوي در بيرون مولکول DNA قرار دارند، به ساختن نخستين طرح براي DNA مشغول شدند. براساس اين طرح؛
DNA ( ۳از دو رشته پلي نوکلئوتيدي تشکيل شده است. اين رشته ها با پل هاي نمکي به هم مربوط مي شوند که در آنها کاتيون هاي دو ظرفيتي مانند Mg۲+ و گروه هاي فسفات داراي بار منفي شرکت دارند.
آنان پس از پايان کار، از «ويلکينز» و «فرانکلين» دعوت کردند، طرح شان را بررسي کنند. وقتي آنان مساله يون هاي Mg۲+ را مطرح کردند که دو رشته را کنار يکديگر نگه مي دارند، با اعتراض شديد «فرانکلين» روبه رو شدند. «فرانکلين» پافشاري کرد که يون هاي Mg۲+ را پوسته هايي از مولکول هاي آب دربرمي گيرند و بسيار دور از ذهن است که ميخ محکمي براي نگه داشتن ساختمان DNA باشند. نظر او اين بود که ستون قند و فسفات در بيرون قرار دارد. به اين ترتيب، مولکول هاي آب، طرح دو رشته يي «واتسون» و «کريک» را فروريختند. مدت ها از اين ماجرا گذشت، بدون آن که«واتسون» و «کريک» به موفقيت چشمگيري دست پيدا کنند. تا اينکه باخبر شدند، «پاولينگ» براي ساختمان سه بعدي DNA طرحي پيشنهاد کرده است. اما همان طور که گفته شد، طرح مارپيچ سه رشته يي «پاولينگ» از نظر شيميايي نادرست بود. مدتي بعد، در ديداري که اين زوج علمي با «ويلکينز» داشتند، با تصوير تازه يي از بلور DNA روبه رو شدند که از تصويرهاي پيشين ساده تر بود. آن تصوير را که مربوط به شکل B بود، «فرانکلين» تهيه کرده بود. «ويلکينز» به آنان گفت آن تصوير از بلوري تهيه شده که مقدار زيادي آب داشته است و تصوير پيشين که آن دو روي آن کار مي کرده اند، از مولکولي بوده که آب خود را از دست داده بوده است. «کريک» به کمک «ويلکينز» آن تصوير را با معادله هاي رياضي بررسي کرد تا اطلاعات زير به دست آمد؛
۱) تصوير پراش بسيار منظم است. بنابراين ساختمان مولکولي DNA بايد بسيار منظم و قطر آن در همه مولکول ثابت باشد.
۲) نقش ضربدري که در تصوير مشاهده مي شود، از مارپيچ بودن مولکول DNA حکايت مي کند و زاويه بين بازوي ضربدر و خط افق با زاويه پيچش DNA برابر است.
۳) در تصوير پراش، نقطه هايي که فاصله زيادي از هم دارند، در واقع فاصله اندکي از يکديگر دارند و برعکس. با در نظر گرفتن اين قاعده که معادله هاي پيچيده رياضي آن را تاييد مي کند، فاصله بين مرکز و محيط تصوير پراش، حدود ۳۴ انگستروم و فاصله بين هر رديف از نقطه هاي سياه با رديف بعدي حدود ۳۴ انگستروم محاسبه مي شود. بنابراين، فاصله هر جفت باز با جفت باز ديگر حدود ۴ ۳ انگستروم و فاصله عمودي يک دور کامل مارپيچ DNA ، حدود ۳۴ انگستروم خواهد بود. در اين صورت، در هر دور مارپيچ DNA حدود ۱۰ جفت باز آلي جاي مي گيرد.
سرانجام «واتسون» و «کريک» با درنظر گرفتن اين اطلاعات و نتيجه آزمايش هاي «چارگاف» توانستند به بزرگ ترين کشف زيست شناسي مولکولي دست يابند و به همراه «ويلکينز»، جايزه نوبل ۱۹۶۲ را از آن خود کنند.
● سخن پاياني
کشف مارپيچ دوتايي، نمونه خوبي از نقش و تاثير دانشمندان رشته هاي گوناگون علوم، در حل يک مساله است. بدون شناختن ويژگي هاي فيزيکي و شيمياييDNA ، زيست شناسان هرگز نمي توانستند به اين کشف مهم دست پيدا کنند. جالب اينکه در اين کشف نقش شيميدانان و فيزيکدانان از زيست شناسان پررنگ تر بود.

هيدرولوژي يا آب شناسي از دو کلمه Hydro به معني آب و Logos به معني شناسايي گرفته شده است. ديد کلي هيدرولوژي علمي است که در مورد پيدايش خصوصيات و نحوه ت ...

خون شناسي به مطالعه سلولهاي خوني و انعقاد مي پردازد. اين علم مقدار و ساختمان و عمل سلولهاي خوني ، پيش سازهاي سلولهاي خوني را در مغز استخوان ، ساختار ه ...

توليد مثل بيشتر دوزيستان در آب تخم گذاري مي کنند. بنابراين بعد از مدتي که لارو از تخم بيرون مي آيد در آب زندگي کرده و بزرگ مي شود. تا آنکه بر اثر دگرد ...

طبيعت بر ۳ رکن اساسي آب، هوا و خاک استوار است؛ بر اين اساس شناخت طبيعت و ارکان آن، حفاظت و پاسداري از طبيعت از مسووليت اجتناب ناپذير انسان هاست. کشاور ...

فرآورده هاي نفتي از پرمصرف ترين مواد شيميايي در دنياي مدرن امروز محسوب مي شوند. با توجه به حجم عظيم سوختي که براي توليد نيرو در اتومبيل ها و ايجاد حرا ...

تمامي ارگانيسم ها از باکتري ها مانند اشرشياکلي تا انسان، از واحدهاي ساختماني يکساني که به صورت ماکرومولکول ها تجمع مي يابند، تشکيل يافته اند. انتقال ا ...

گاليلئوگا ليلئي (۱۶۴۲ ۱۵۶۴) معروف به گاليله، در شهر پيزا زاده شد. در ۱۵۸۱ در دانشگاه پيزا ثبت نام کرد تا در رشته پزشکي تحصيل کند اما به زودي اين رشته ...

مهندسين زيست شناسي به ساخت وسايل، از بافت هاي زنده مشغولند و کم کم تمام دنيا با مفهوم زيست شناسي ترکيبي يا مصنوعي آشنا مي شوند. در حالي که دانش جويان ...

دانلود نسخه PDF - معماي زيست شناسي