การทดลองของฟรานซิสโก วาเรลา (Francisco Valera)

การทดลองของฟรานซิสโก วาเรลา (Francisco Valera)

ฟรานซิสโก วาเรลา (Francisco Valera)

ช่วงต้นศตวรรษ 1970 เป็นช่วงที่ทฤษฎีระบบซับซ้อน (complex system) เพิ่งก่อตัวขึ้น ฟรานซิสโก วาเรลา (Francisco Valera) และคณะประสบความสำเร็จในการใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ “เซลลูล่าร์ ออโตมาตอน” (cellular automaton) จำลองการสร้างตนเองของเซลล์สิ่งมีชีวิตจากโมเลกุลที่มีอยู่ธรรมชาติที่ไม่มีชีวิตโดยนำทฤษฎีระบบซับซ้อนมาประยุกต์ กล่าวอีกนัยหนึ่ง วาเลราได้พิสูจน์ว่าชีวิตสามารถผุดบังเกิดจากสิ่งไม่มีชีวิตได้อย่างไร

องค์ประกอบของ cellular automaton ได้แก่ ตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst) และโมเลกุลของสารอีกชนิดหนึ่งซึ่งเคลื่อนที่ไปมาอย่างสุ่ม โมเลกุลนี้สามารถจับตัวกันเป็นอีกโมเลกุลอีกชนิดหนึ่งได้ นอกจากนี้โมเลกุลที่เกิดขึ้นมาใหม่ยังสามารถต่อเข้าด้วยกันเป็นสายยาวได้ ตามกฎการจำลองการสร้างตัวเองของเซลล์สิ่งมีชีวิตดังนี้

1.การเกิดโมเลกุลชนิดที่สอง
E + O + O -----> X

สารชนิดแรกสองโมเลกุลจับตัวกันเป็นสารชนิดที่สองโดยมี catalyst เร่งปฏิกิริยา

2.การจับตัวกันเป็นสาย
X + X -----> X-X
X-X + X -----> X-X-X

สารชนิดที่สองสามารถเชื่อมต่อกันเป็นสาย ซึ่งมีความยาวไม่จำกัดได้

3.การแยกสาย
X -----> O + O

โมเลกุลของสารชนิดที่สองสามารถย่อยสลายกลับไปเป็นโมเลกุลของสารชนิดแรกได้

4.O สามารถคลื่อนไปยังที่ว่างได้ แต่ไม่สามารถเคลื่อนไปยังตำแหน่งที่มีโมเลกุลอื่นอยู่ได้

5.E และ X สามารถคลื่อนไปแทนที่ O ได้ โดยดันให้ O ไปอยู่ที่ว่างถัดจากตำแหน่งเดิม นอกจากนี้ E ยังแทนที่ X ได้ในลักษณะเดียวกัน

6.E และ X สามารถสลับที่กับ O ได้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง E และ X สามารถเคลื่อนที่ผ่าน O ได้

7.เฉพาะ O เท่านั้นที่สามารถผ่านสายของ X ไปยังตำแหน่งที่ว่างทางด้านหลังได้
กฎข้อนี้เป็นการจำลองการที่ผนังเซลล์อนุญาตให้สารบางประเภทเท่านั้นผ่านไปได้ (semi permeability)

8.X ที่ต่อกันเป็นสายไม่สามารถเคลื่อนที่ได้

การทดลองของวาเรลากำหนดให้โมเลกุลต่างเคลื่อนที่ไปมาแบบสุ่มโดยเริ่มต้นจาก O จำนวนมากที่รอบล้อมด้วยหนึ่งโมเลกุลของ E สิ่งที่น่าสนใจจากการทดลองซ้ำๆ กันหลายครั้งคือ ผนังเซลล์สามารถคงตัวอยู่ได้อย่างมีเสถียรภาพ ผนังบางส่วนอาจถูกย่อยสลายตามกฎข้อที่สาม พร้อมกับมีผนังใหม่ผุดบังเกิดขึ้นมาทดแทนกันตลอดเวลา 

จากการทดลองของวาเรลา แม้ว่าจะพิสูจน์ได้ว่า เซลล์สิ่งมีชีวิตสามารถก่อกำเนิดขึ้นได้เอง แต่ปัญหาก็ยังไม่จบเนื่องจากเรายังค้างคากันที่เหตุการณ์ข้อ 4. ปัญหาต่อไปคือแล้วเซลล์สิ่งมีชีวิตที่เกิดขึ้นส่งต่อสารพันธุกรรมได้อย่างไร ? หากไม่มีการส่งต่อสารพันธุกรรม องค์ประกอบของชีวิตก็ไม่สมบูรณ์

เพื่อขยายความให้ชัดเจน จำเป็นต้องกล่าวถึง central dogma of molecular biology หรือกลไกการส่งต่อข้อมูลพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต กลไกดังกล่าวถูกเสนอโดย ฟรานซิส คริก (Francis Crick) ครั้งที่เขาได้โนเบลจากการพิสูจน์โครงสร้างของ DNA คุณคริกกล่าวว่า การส่งต่อข้อมูลพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตนั้นเป็นไปในทิศทางเดียวจากนิวคลีโอไทด์ไปยังโปรตีน 

ข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดถูกเก็บอยู่ใน DNA-deoxyribonucleic acid หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ DNA เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต (ไวรัสบางชนิดอาจมีสารพันธุกรรมเป็น RNA อย่างไรก็ตาม ข้อควรจำอย่างหนึ่งคือไวรัสไม่จัดเป็นสิ่งมีชีวิต) DNA สามารถจำลองตัวเองโดยอาศัยการทำงานของเอ็นไซม์ DNA polymerase (ข้อควรจำคือเอ็นไซม์ก็เป็นโปรตีนชนิดหนึ่ง) ด้วยกระบวนการที่เรียกว่า replication และจาก DNA จะมีการส่งต่อข้อมูลทางพันธุกรรมต่อไปยัง RNA-ribonucleic acid ด้วยกระบวนการที่เรียกว่า transcription สุดท้ายจาก RNA ถอดรหัสเป็นโปรตีนที่มีหน้าที่ทางชีวภาพต่อไปด้วยกระบวนการที่เรียกว่า translation

กระบวนการทั้งหมดเกิดขึ้นเป็นขั้นเป็นตอน สมบูรณ์แบบในตัวเอง ปัญหามันอยู่ตรงนี้นั่น การจำลองตัวเองของสารพันธุกรรมหรือ DNA นั้นต้องอาศัยโปรตีนเร่งปฏิกิริยา ส่วนการสร้างโปรตีนนั้นก็ต้องอาศัยข้อมูลจากสารพันธุกรรม ดังนั้นแล้ว สารอะไรที่เกิดก่อนและสารอะไรที่เกิดทีหลัง (ไก่กับไข่ อะไรเกิดก่อนกัน?) ระหว่างสารที่เป็นข้อมูลพันธุกรรมกับสารที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ดังที่พอล เดวีส์ (Paul Devies) นักฟิสิกส์เคยกล่าวไว้ “ถ้าทุกสิ่งต่างก็ต้องการสิ่งอื่นๆ แล้วแรกเริ่มเดิมทีชุมชนโมเลกุลเกิดขึ้นมาได้อย่างไร? มันเหมือนกับว่า จู่ๆ ส่วนผสมทั้งหมดในครัวก็มารวมกัน แล้วอบตัวเองให้กลายเป็นเค้ก”

เพื่อตอบปัญหาดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์จึงจำเป็นต้องตั้งทฤษฎี “โลกของ RNA” ขึ้นมาเพื่ออธิบาย