مهمتنا الآن هي إعادة توليف علم الأحياء؛ إعادة الكائن الحي إلى بيئته؛ ربطه مرة أخرى بماضيه التطوري؛ والسماح لنا بالشعور بتلك التدفقات المعقدة التي تجمع بين الكائن الحي والتطور والبيئة معاً. لقد حان الوقت لعلم الأحياء ليدخل إلى العالم غير الخطي.
Carl Richard Woese كان عالم أحياء دقيقة وفيزيائي حيوي أمريكياً. اشتهر Woese بتعريف Archaea مجال حياة جديد في عام 1977 من خلال التصنيف الوراثي لحمض الرنا الريبوسومي 16S، وهي تقنية رائدة طورها ثورت علم الأحياء الدقيقة. كما أسس فرضية عالم الرنا في عام 1967، وإن لم تكن بهذا الاسم. تولى Woese كرسي Stanley O. Ikenberry وكان أستاذاً لعلم الأحياء الدقيقة في جامعة Illinois في Urbana–Champaign.
الحياة والتعليم
وُلد Carl Woese في Syracuse بـ New York في 15 يوليو عام 1928. التحق Woese بـ Deerfield Academy في Massachusetts. حصل على درجة البكالوريوس في الرياضيات والفيزياء من Amherst College في عام 1950. خلال فترة دراسته في Amherst، تابع Woese مقرراً واحداً فقط في علم الأحياء وهو البيوكيمياء في سنته الأخيرة وكان "لا يشعر بأي اهتمام علمي بالنباتات والحيوانات" حتى نصحه William M. Fairbank، الأستاذ المساعد للفيزياء في Amherst في ذلك الوقت، بمتابعة الفيزياء الحيوية في Yale.
في عام 1953، أكمل درجة الدكتوراه في الفيزياء الحيوية من Yale University، حيث ركز بحثه على تعطيل الفيروسات بالحرارة والإشعاع المؤين. درس الطب في University of Rochester لمدة سنتين، وتركه بعد يومين من بدء دوران طب الأطفال. ثم أصبح باحثاً بعد الدكتوراه في الفيزياء الحيوية في Yale University يحقق في جراثيم البكتيريا. من عام 1960 إلى 1963، عمل كفيزيائي حيوي في General Electric Research Laboratory في Schenectady بـ New York. في عام 1964، انضم Woese إلى هيئة علم الأحياء الدقيقة في University of Illinois في Urbana–Champaign، حيث ركز على Archaea والجينوميات والتطور الجزيئي كمجالات خبرته. أصبح أستاذاً في Carl R. Woese Institute for Genomic Biology بـ University of Illinois في Urbana–Champaign، الذي تمت إعادة تسميته تكريماً له في عام 2015، بعد وفاته.
توفي Woese في 30 ديسمبر عام 2012، بعد مضاعفات من سرطان البنكرياس.
العمل والاكتشافات
العمل المبكر على الكود الوراثي
وجه Woese اهتمامه إلى الكود الوراثي أثناء إنشاء مختبره في Knolls Laboratory بـ General Electric في خريف عام 1960. بدأ الاهتمام بين الفيزيائيين والعلماء في البيولوجيا الجزيئية بالتجمع حول فك الرموز بين العشرين حمضاً أميني والأبجدية الرباعية لقواعد الحمض النووي في العقد التالي لاكتشاف James D. Watson و Francis Crick و Rosalind Franklin لبنية الحمض النووي في عام 1953. نشر Woese سلسلة من الأوراق البحثية حول هذا الموضوع. في إحداها، استنتج جدول مطابقة بين ما كان يُعرف حينها بـ "الحمض النووي الريبوسي القابل للذوبان" و الحمض النووي بناءً على نسب أزواج القواعد الخاصة بكل منهما. ثم أعاد تقييم البيانات التجريبية المرتبطة بفرضية أن الفيروسات استخدمت قاعدة واحدة، بدلاً من ثلاثية، لترميز كل حمض أميني، واقترح 18 كودون، متنبئاً بشكل صحيح بأحدها للبرولين. عمل آخر وضع الأساس الآلي لترجمة البروتين، لكن في رأي Woese، تجاهل إلى حد كبير الأصول التطورية للكود الوراثي باعتباره أمراً ثانوياً.
في عام 1962 قضى Woese عدة أشهر كباحث زائر في Pasteur Institute في Paris، وهي مركز نشاط مكثف في البيولوجيا الجزيئية لتعبير الجينات وتنظيم الجينات. أثناء وجوده في Paris، التقى بـ Sol Spiegelman، الذي دعاه لزيارة University of Illinois بعد سماعه لأهداف بحثه؛ في هذه الزيارة عرض عليه Spiegelman منصباً مع الحيازة الفورية ابتداءً من خريف عام 1964. بحرية متابعة خيوط استفسار أكثر تخميناً خارج التيار الرئيسي للبحث البيولوجي، بدأ Woese بالتفكير في الكود الوراثي من منظور تطوري، يسأل كيف كان يمكن للتعيينات الكودون وترجمتها إلى تسلسل الحمض الأميني أن تتطور.
اكتشاف المجال الثالث
طوال معظم القرن العشرين، كان يُنظر إلى البدائيات على أنها مجموعة واحدة من الكائنات الحية وتم تصنيفها على أساس كيميائها الحيوي وشكلها الخارجي وعملياتها الحيوية. في ورقة بحثية مؤثرة جداً من عام 1962، أسس Roger Stanier و C. B. van Niel لأول مرة تقسيم التنظيم الخلوي إلى بدائيات وحقيقيات، معرّفين البدائيات على أنها الكائنات التي تفتقر إلى نواة الخلية. بناءً على تعميم Édouard Chatton، تم قبول مفهوم Stanier و Van Niel بسرعة باعتباره أهم تمييز بين الكائنات الحية؛ مع ذلك، كانوا متشككين في محاولات علماء الأحياء الدقيقة بناء تصنيف وراثي طبيعي للبكتيريا. ومع ذلك، أصبح من المفترض بشكل عام أن جميع الحياة تشترك في سلف بدائي مشترك يُشار إليه من خلال الجذر اليوناني πρό pro-، قبل، أمام.
في عام 1977، قام Carl Woese و George E. Fox بدحض هذه الفرضية المعترف بها عالمياً بشكل تجريبي حول البنية الأساسية لشجرة الحياة. اكتشف Woese و Fox نوعاً من الحياة الميكروبية أطلقوا عليها اسم "archaebacteria" أي Archaea. أفادوا بأن archaebacteria تشكل "مملكة ثالثة" من الحياة مختلفة عن البكتيريا مثل النباتات والحيوانات. بعد تعريف Archaea كـ "urkingdom" جديد أي مجال لاحقاً وليس بكتيريا ولا حقيقيات النوى، أعاد Woese رسم الشجرة التصنيفية. قسّمت نظامه الثلاثي المجالات، بناءً على العلاقات الوراثية بدلاً من التشابهات الشكلية الواضحة، الحياة إلى 23 قسماً رئيسياً، مدرجة ضمن ثلاثة مجالات: Bacteria و Archaea و Eucarya.
كان قبول صحة التصنيف الوراثي من قبل Woese عملية بطيئة. اعترض العديد من علماء الأحياء البارزين، بما في ذلك Salvador Luria و Ernst Mayr، على تقسيمه للبدائيات. لم تقتصر جميع انتقادات Woese على المستوى العلمي. تركت عقد من العمل الشاق في فهرسة قليل النيوكليوتيدات سمعة له باعتباره "مجنوناً"، وسوف يُلقب Woese بـ "Microbiology's Scarred Revolutionary" بواسطة مقال إخباري نُشر في مجلة Science. أدى الجسم المتزايد من البيانات الداعمة إلى قبول المجتمع العلمي لـ Archaea بحلول منتصف الثمانينات. اليوم، قلة من العلماء يتمسكون بفكرة Prokarya الموحدة.
يعتبر عمل Woese على Archaea ذا أهمية أيضاً في آثاره على البحث عن الحياة على كواكب أخرى. قبل الاكتشاف من قبل Woese و Fox، اعتقد العلماء أن Archaea كانت كائنات متطرفة تطورت من الميكروبات الأكثر ألفة لنا. الآن، يعتقد معظمهم أنها قديمة، وقد يكون لديها اتصالات تطورية قوية مع أول الكائنات الحية على الأرض. قد تكون الكائنات الحية المشابهة لتلك الأركيا التي توجد في بيئات قاسية قد تطورت على كواكب أخرى، والتي قد تحتوي على ظروف مواتية لحياة الكائنات المتطرفة.
بشكل ملحوظ، توضح شرح Woese لشجرة الحياة التنوع الهائل لخطوط الميكروبات: تمثل الكائنات أحادية الخلية الغالبية العظمى من التنوع الوراثي والأيضي والبيئي للمحيط الحيوي. بما أن الميكروبات حاسمة لدورات كيميائية حيوية عديدة وللعمل المستمر للمحيط الحيوي، قدم جهد Woese لتوضيح التطور وتنوع الميكروبات خدمة لا تقدر بثمن لعلماء البيئة والمحافظين. كان إسهاماً كبيراً في نظرية التطور وفي معرفتنا بتاريخ الحياة.
تطور أنواع الخلايا الأولية
تكهن Woese أيضاً بعصر من التطور السريع حدث فيه نقل أفقي كبير للجينات بين الكائنات الحية. وصفها Woese و Fox لأول مرة في ورقة من عام 1977، تم تخيل هذه الكائنات، أو progenotes، كخلايا بدائية بتعقيد منخفض جداً بسبب جهازها لترجمة عرضة للأخطاء "قناة نقل وراثية مزعجة"، والتي أنتجت معدلات طفرات عالية حدت من تخصص التفاعل الخلوي وحجم الجينوم. كان هذا الجهاز الترجمة المبكر قد ينتج مجموعة من البروتينات المتشابهة هيكلياً والمتكافئة وظيفياً، بدلاً من بروتين واحد. علاوة على ذلك، بسبب هذا الانخفاض في التخصص، كانت جميع المكونات الخلوية قابلة للنقل الأفقي للجينات، وحدث التطور السريع على مستوى النظام البيئي.
حدث الانتقال إلى الخلايا الحديثة "Darwinian Threshold" عندما طورت الكائنات الحية آليات ترجمة بمستويات حديثة من الدقة: سمح الأداء المحسن للتنظيم الخلوي بالوصول إلى مستوى من التعقيد والترابط جعل الجينات من الكائنات الحية الأخرى أقل قدرة بكثير على إزاحة الجينات الخاصة بالفرد.
في السنوات اللاحقة، ركز عمل Woese على التحليل الجينومي لتوضيح أهمية النقل الأفقي للجينات HGT للتطور. عمل على تحليلات تفصيلية لنسب aminoacyl-tRNA synthetases وعلى تأثير النقل الأفقي للجينات على توزيع تلك الإنزيمات الرئيسية بين الكائنات الحية. كان الهدف من البحث هو شرح كيفية تطور أنواع الخلايا الأولية archaeal و eubacterial و eukaryotic من حالة سلفية في عالم الرنا.
آفاق في علم الأحياء
شارك Woese أفكاره حول الماضي والحاضر والمستقبل لعلم الأحياء في Current Biology:
جميع "الأسئلة المهمة" التي يواجهها علم الأحياء في القرن الحادي والعشرين تنبع من سؤال واحد، طبيعة وتوليد التنظيم البيولوجي. . . . نعم، عاد Darwin، لكن برفقة . . . علماء يمكنهم أن يرى بكثير أعمق في أعماق علم الأحياء مما كان ممكناً في السابق. لم تعد نظرة "10,000 نوع من الطيور" للتطور—التطور المرئي كموكب من الأشكال. الاهتمام يكون الآن مع عملية التطور نفسه.
أرى سؤال التنظيم البيولوجي يتخذ اتجاهين بارزين اليوم. الأول هو تطور التنظيم الخلوي (البروتيني)، الذي يتضمن أسئلة فرعية مثل تطور جهاز الترجمة والكود الوراثي، وأصل وطبيعة هرميات السيطرة التي تضبط وتربط بدقة مجموعة واسعة من العمليات الخلوية التي تشكل الخلايا. كما يتضمن السؤال عن عدد أنواع الخلايا الأساسية المختلفة التي توجد على الأرض اليوم: هل جميع الخلايا الحديثة جاءت من تنظيم خلوي سلفي واحد؟
الاتجاه الثاني الرئيسي ينطوي على طبيعة النظام البيئي العالمي. . . . البكتيريا هي الكائنات الرئيسية على هذا الكوكب—في الأعداد، في الكتلة الكلية، في الأهمية للتوازنات العالمية. وبالتالي، فإن البيئة الميكروبية هي . . . الأكثر احتياجاً للتطوير، سواء من حيث الحقائق المطلوبة لفهمها، أو من حيث الإطار الذي تُفسر فيه.
اعتقد Woese أن علم الأحياء له دور "في غاية الأهمية" في المجتمع. في رأيه، يجب أن يخدم علم الأحياء غرضاً أوسع من السعي وراء "بيئة هندسية":
ما تم الاعتراف به رسمياً في الفيزياء يجب أن يتم الاعتراف به الآن في علم الأحياء: العلم يخدم وظيفة مزدوجة. من ناحية، إنه خادم المجتمع، يهاجم المشاكل التطبيقية التي يطرحها المجتمع. من ناحية أخرى، فإنه يعمل كمعلم المجتمع، ويساعد الأخير على فهم عالمه وذاته. إن هذه الوظيفة الأخيرة هي التي تفتقد بشكل فعلي اليوم.
الأوسمة والإرث العلمي
كان Woese زميل MacArthur في عام 1984، وأصبح عضواً في الأكاديمية الوطنية للعلوم في عام 1988، وتلقى وسام Leeuwenhoek أعلى تكريم في علم الأحياء الدقيقة في عام 1992، وجائزة Selman A. Waksman في علم الأحياء الدقيقة في عام 1995 من الأكاديمية الوطنية للعلوم، وكان مستقبلاً للميدالية الوطنية للعلوم في عام 2000. في عام 2003، تلقى جائزة Crafoord من الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم "لاكتشافه لمجال حياة ثالث". في عام 2006، أصبح عضواً أجنبياً في الجمعية الملكية.
العديد من الأنواع الميكروبية، مثل Pyrococcus woesei و Methanobrevibacter woesei و Conexibacter woesei، تُسمى تكريماً له.
قال عالم الأحياء الدقيقة Justin Sonnenburg من Stanford University "
