فرگشت و توضیح درباره آغاز حیات

توضیح: پرسش و پاسخ بین کاربران گوگل‌پلاس درباره فرگشت. این‌که حیات چگونه آغاز شده است.

سوال از کاربر Mahdi Aryayi:

سوال من اینه که آغاز حیات در فرگشت چطوری توضیح داده میشه چون تا اونجایی که من مطالعه داشتم فرگشت چیزیه که همیشه به قبلش وابسته است. یعنی یه موجود فرگشت پیدا می‌کنه چون موجود قبلی وجود داشته که ژنهاش جهش پیدا کردن و انتخاب طبیعی اون رو طی مدت طولانی تبدیل کرده به یک موجود دیگه اما هیچ وقت درک نکردم فرگشت ابتدای زنجیره حیات رو چطوری توضیح میده… یعنی اولین و ساده‌ترین شکل حیات که میلیونها سال پیش به وجود اومد چطوری ایجاد شد؟ یعنی اون پدر تک سلولی تمام موجودات جهان که قبل از اون موجود زنده دیگه‌ای نبوده وقتی چند میلیارد سال پیش در آب شکل گرفت و برای اولین بار در تاریخ تولید مثل کرد خودش چطوری ایجاد شد؟ و از کجا اومد؟

پاسخ‌ها از دانیال جعفری Daniel Jafari:

خوب مهدی به خوبی اشاره کرد که فرگشت، توان توضیح ریشه های حیات را ندارد به این دلیل که فرگشت، در حقیقت «تنوع» حیات را توضیح می دهد نه «ظهورش» را. فرگشت در واقع بر دو پایه استوار شده است که هر یک به صورت جداگانه از مدت ها پیش از داروین و والاس شناخته شده بودند، اولی، وقوع تغییرات قابل به ارث رسیدن به فرزندان در گونه ها، و دومی، برتری پیدا کردن یک موجود بر دیگری در رقابت برای بدست آوردن منابع است. داروین (و به صورت هم زمان والاس) متوجه شدند که با همین دو اصل می توان از ساده ترین اشکال حیات، به پیچیده ترین شکل ها، بدون دخالت و هدایت یک خالق هوشمند حرکت کرد. همین کشف داروین، که یک مسیحی مومن بود و اگر کمی بدشانس تر بود، شغلی در یکی از کلیساهای انگلیکن پیدا کرده بود را بی ایمان کرد.

فرگشت می تواند نشان بدهد چطور وقتی زمان کافی در اختیار باشد، می تواند از اشکال بسیار ابتدایی حیات، با جهش های تصادفی در ماده وراثتی، تنوع ژنتیکی پیدا کرد، و انواعی از این تنوع، در استفاده از منابع زیستی، از دیگر نوع ها بهتر عمل می کنند و بنابراین بخش بزرگتری از جمعیت انسانی را تشکیل می دهند. با این حال، فرگشت درباره چگونگی پدیدار شدن حیات، به ما هیچ نمی گوید.

تئوری شکل گیری حیات از ماده غیر حیاتی، از هزاران سال پیش وجود داشته است و به abiogenesis شناخته می شود که ترکیب کلمات a منفی ساز، bio به معنای حیات و genesis به معنای پیدایش است (پدیدار شدن حیات از هیچ).

جالب است بدانید تا پیش از هوک و پاستور، این تصور رایج میان دانشمندان پذیرفته شده بود که حیات، خود به خود شروع می شود. این پاستور بود که نشان داد دلیل پدیدار شدن کرم داخل گوشت، تخم گذاری مگس هاست.

کشف انقلابی پاستور، این اصل را که حیات، از تخم موجودات زنده دیگر شکل می گیرد بر جهان دانش مسلط کرد. با این حال، شروع حیات همچنان یک معما بود. داروین در پاسخ به یک نامه که پرسش حیات را مطرح کرده بود، نوشت که به نظر او، در شرایط فیزیکی زمین در زمان پیدایش حیات، که متفاوت از امروز بوده است، یک سوپ گرم از کربن و هیدورژن و فسفر و سولفور در هم می جوشیده و احتمالا رعد و برق و دیگر نیروها به تشکیل موادی که اولین رگه های حیات را دارند یعنی پروتئین هایی تکثیر شونده، منجر شده.

در قرن بیستم الکساندر اپارین مدعی شد بر خلاف ادعای پاستور، ظهور حیات از موجودات غیرزنده ممکن است ولی دلیل عدم رخداد اش در دنیای کنونی، تغییر شرایط محیطی است. همزمان با او، تی اس هالدین محل این اتفاقات را اقیانوس های اولیه که با انواع امروزین شان تفاوت داشتند می دانست. کمبود اکسیژن در آن مقطع زمانی همچنین کمکی بزرگ بود که مولکول ها بدون اکسید شدن، ترکیب بشوند.

در ۱۹۵۲، میلر و اوری آزمایشی بسیار مهم انجام دادند که به تئوری پدید آمدن حیات وزن فراوان می داد. آنها با ریختن موادی چون متان و هیدروژن و آب و آمونیوم به داخل یک چرخه بسته و وارد کردن جرقه های الکتریکی به مدت یک هفته موفق شدند اسید های امینه را به غلظت ۱۵ درصد در ماده اولیه برسانند. یعنی این ترکیبات به شکل خود به خودی بوجود می آیند. اسید های امینه، سنگ بنای پروتئین ها هستند که نقشی فوق العاده حیاتی در حیات بازی می کنند. تکرار آزمایش میلر و اوری در سال های اخیر، نشان داد که ۲۳نوع اسید آمینه از این طریق قابل تولید است، بیشتر از انواع اسید آمینه هایی که بدن ما را می سازند.

همزمان با این یافته ها، تئوری مسلط این شد که احتمالا اشکال اولیه حیات نه موجوداتی کاملا زنده، بلکه اشکالی از مولکول های آلی بودند که توان خود تکثیری داشتند ولی زنده نبودند. به زبان ساده، حیات یک شبه به وجود نیامده است و مرز میان زنده و مرده، در گستره زمانی طولانی طی شده است. همچنین این تئوری این طور مطرح می کرد که به جای اینکه در ابتدا ماده وراثتی تولید بشود، اول متابولیسم شکل گرفت: ترکیب شدن یک سری مواد و تبدیل دایمی شان.

کمی بعدتر، سیدنی فاکس تلاش کرد که با بازسازی شرایط بنیادین، از امینو اسید ها اشکال پیچیده تر بسازد. او امینو اسید هایی که از روش میلر ساخته شده بود را خشک کرد و متوجه شد که آنها زنجیره هایی شبیه به پروتئین تشکیل می دهند. او حدس می زد زیر لاوا و گدازه ای که از سطح آتشفشان به دریا می ریزد، به قدر کافی انرژی وجود دارد که این مولکلول ها شکل گرفته و به دریا برای پیچیده تر شدن ریخته شده باشند. پرفسور پیتندریگ با این کشف، مغرورانه اعلام کرد ده سال دیگر، قادر به ساخت سلول خواهیم بود. ادعایی که نشان از نادانی بشر درباره پیچیدگی سلول در آن زمان بود.

با توضیحی که درباره شکل گیری تدریجی حیات دادیم، می بایست حدس زده باشید که تعیین سن حیات بسته به این است که چه چیزی را حیات در نظر بگیریم. مطابق آخرین داده ها، پوسته زمین دویست میلیون سال بعد از تشکیل، دارای اقیانوس بوده است ولی بمباران شهاب سنگی که بعدتر رخ داده، بقای حیات حتی در صورت شکل گیری اش را نامحتمل می کند. چند صد میلیون سال بعد، شرایط زمین به شکل مساعد بود که بتوان حدس زد که حیات واقعا قابل تشکیل شدن بود. با این حال، ابهامات فراوانی همچنان وجود دارد. کریستین دو دوو، برنده نوبل شیمی معتقد است که تغییرات شیمیایی، یکباره رخ می دهند و اگر بازه زمانی طولانی باشد، تا زمانی که مواد اولیه جایگزین نشوند، احتمال رخداد تغییر بسیار اندک است.

بایستی توجه کرد که در حال حاضر، یک تئوری قابل توافق درباره نحوه شکل گیری حیات وجود ندارد. با این حال، اجزای حیاتی سلول، در آزمایش هایی مجزا، قابل پدید آمدن خود به خودی اند:

غشای سلولی با کارکرد بسیار پیچیده اش، از فسفولیپید ها به صورت خود به خودی تشکیل می شود.

آزمایش میلر نشان داد که مواد اولیه پروتئین ها هم می تواند در شرایط محیطی مناسب خود به خود تشکیل بشود.

تنها موضوع باقی مانده، ماده وراثتی است. دو تئوری رقیب، پروتئین ها و اسید های نوکلیئک را به عنوان ماده وراثتی معرفی می کند.

اما همه اینها، تا رسیدن به پیچیدگی که ساده ترین سلول های شناخته شده واجد آن هستند بسیار فاصله دارند. کوچکترین باکتری های مستقل حدود ۲ هزار ژن دارند که میلیون ها اسید نوکلئیک طول خواهد داشت. برای همین، یک سری محقق همچون ونتر، با کسر کردن ژن های مختلف از موجود زنده، تلاش دارند به ساده ترین شکل حیات برسند. آنها سعی می کنند ببیند چه درجه ای از پیچیدگی برای حیات، حداقل نیاز است. حتی باکتری هایی که زندگی انگلی دارند و تمام اسباب زنده ماندن را حمل نمی کنند، نزدیک به پانصد ژن دارند که از میان شان حداقل ۲۰۰ تایش کاملا ضروری است.

اما همانطور که پیشتر توضیح دادیم، برای شروع حیات نیازی به یک سلول کامل زنده نیست و همین قدر که مولکولی سوخت و ساز شیمیایی انجام بدهد (متابولیسم) کفایت می کند. اما همین مولکول دست پایین بایستی دو کار را انجام بدهد تا بتواند شرایط زندگی را داشته باشد: اول اینکه بتواند محتوای ژنی را منتقل بکند و دوم اینکه عامل تسهیل کننده رخداد های متابولیسم باشد. در سلول، هر کدام از این کارها به ترتیب بر عهده DNA و پروتئین هاست. اما مولکول دیگر به نام RNA که شباهت زیادی با DNA دارد، در سلول های امروزین هم هر دو نقش را در وجهی بازی می کند (مثلا در بعضی از ویروس ها، ماده وراثتی نه DNA بلکهRNA هست. همین طور بعضی از فعالیت های متابولیسم توسط RNA انجام می شود).

مطالعات چندگانه ای، صحت این فرضیه را تقویت می کنند. با این حال، پرسش های فراوانی باقی مانده است. از جمله اینکه چطور زنجیره های اسید نوکلئیک که پایه کدگذاری هستند شکل گرفتند و چطور این نوع خاص ار زنجیره در طبیعت همه گیر شد (تمام انواع مولکول های DNA در طبیعت، از یک نوع خاص از چینش پیروی می کنند که به وضوح اثبات می کند همه انواع حیات، یک منشا مشترک داشته اند). با این حال، می شود تصور کرد که این زنجیره اسید نوکلئیک در سوپ بنیادین، دارای غشا دولایه لیپیدی شده که از محیط حفاظت اش می کرده و طی مکانیسم های خود به خودی، به تقسیم شدن هم رسیده است.

با رونق گرفتن نظریه RNAبه عنوان منشا حیات، نظریه متابولیسم به عقب رانده شده است. تئوری دیگری که البته شاهد علمی برایش وجود ندارد ، رخداد همزمان همه این مسیر ها با هم هست. اما معمای دیگری که در پیدایش حیات وجود دارد، میان چپ و راست تفاوت وجود دارد! ایزومرهای چپ و راست (انانتیومر ها) مولکول های حیاتی از مدت ها پیش شناخته شده بودند، با این حال بعد از مطالعه وسیع حیات معلوم شد که موجودات زنده تنها از امینو اسید های چپ گرد (L-aa) و قندهای راست گرد (D-sugar) بهره می گیرند. در شرایط آزمایشگاهی، وقتی یک آمینو اسید را تولید می کنیم، به نسبت مساوی از هر دو نوع ایزومر تشکیل می شود. پس چطور در طبیعت، تنها یک نوع خاص اش به شکل اختصاصی در حیات وارد شده است؟ اینجاست که شهاب سنگ ها وارد داستان حیات می شوند. ظاهرا اشکال چپ گرد امینو اسید ها توسط اشعه مارو بنفش در این سنگ ها تشکیل شده و به زمین رسیده اند. غلظت بالای این امینو اسید به مواد حیاتی منتقل شده و باعث تسریع تشکیل حیات شده است.

از منظر فرگشت، ساده ترین مرحله ای که مکانیسم انتخاب طبیعی می تواند وارد عمل بشود، مولکول های پیچیده هستند که بعضی هاشان در محیط بقای بیشتری پیدا می کنند و مابقی از میان می روند (به همین دلیل است که مثلا در طبیعت تنها یک نوع چینش از DNA وجود دارد یا تنها امینو اسید های چپ گرد در موجودات زنده یافت می شوند). منشا حیات، هنوز موضوع تحقیقات فراوان است و موانع بر سر بدست آوردن تصویری دقیق از آن، به دلایلی که در بالا آمد، بسیار زیاد است. با این حال، دانش بشر راهی طولانی از قصه آدم و حوا تا نظریه سوپ بنیادی آمده است.

تئوری فرگشت، تنها گونه زایی یا تنوع زیستی را توضیح می دهد و پدیدار شدن هستی یا حیات را توضیح نمی دهد. به علاوه توجه به معنای «تئوری» در علم مهم است. وقتی کسی می گوید من یک تئوری دارم یعنی یک حدسی می زنم. در علم، تئوری به معنای یک توضیح به خوبی اثبات شده با مجموعه ای از شواهد اطلاق می شود. پس وقتی می گویند فرگشت فقط یک تئوری هست، در واقع دارند مغلطه می کنند. در علم، تئوری ها تبدیل به شواهد نمی شوند بلکه شواهد، بوسیله تئوری توضیح داده می شوند. تئوری از این نظر، نتیجه نهایی تحقیق علمی است.

درباره فرگشت می شود با این شاهد شناخته شده شروع کرد که صفات در نسل ها به ارث می رسند. همینطور با انتخاب مصنوعی،‌می شود صفاتی را برجسته کرد (مثل انتخاب گاوهای پروار تر برای جفت گیری و داشتن گوساله های پروار). اگر به قدر کافی نسل ها بگذرد، آن صفات تقویت می شوند. انتخاب طبیعی هم درست به همین شکل عمل می کند. همانطور که شکارچی، سگ های شکاری را که سریعتر می دوند، اجازه بدهد که بچه دار بشوند، دقیقا همان کاری را کرده که طبیعت، با غزال های تیزپا تر می کند. تنها تفاوت این است که وقتی شکارچی انجام ش می دهد، هدفی در ذهن دارد ولی طبیعت، هدف خاصی دنبال نمی کند.

به علاوه جهش در موجودات به معنای این نیست که قرار هست یک شبه به موجود دیگری تبدیل بشوند. بلکه جهش یعنی اینکه محتوای ژنتیکی دستخوش تغییرات عموما جزیی می شود. اما اخیرا معلوم شده است که تنها جهش نیست که در بروز صفات نقش دارد بلکه اپی ژنتیک هم موثر است. به این معنا که ژن ها می توانند به صورت کلی خاموش یا روشن بشوند. اکثر جهش ها، تاثیری در زندگی موجود زنده ندارند و genetic driftنامیده می شوند چون تغییرات بسیار جزیی هستند. ولی اگر یک جهش باعث شبیه شدن یک حشره به محیط ش بشود، شانس شکار شدن ش کم می شود و بنابراین بیشتر شانس بقا دارد.
کسانی که می خواهند فرگشت را بی اعتبار جلوه بدهند، آن را «شانس محض» می دانند در حالی که این صفات که به بقا کمک می کنند شانسی بوجود نمی آیند بلکه جهش ها هستند که شانسی (تصادفی) هستند.

با این حال، همه صفات لازم نیست که به نفع گونه باشند تا بقا پیدا بکنند. مثلا بعضی صفات به دلیل اینکه با یک صفت مفید همراه هستند، بقا پیدا می کنند بدون اینکه واقعا مفید حال باشند.

صفات، بنا به محیط زیست تعریف می شوند. برای میمونی که از شاخه ای به شاخه می جهد، لاغر بودن مزیت است ولی برای فک دریایی، بزرگ بودن مزیت محسوب می شود.

باور نادرست دیگر این است که برای تغییر، نیاز هست که همه چیز یک شبه رخ بدهد. مغلطه رایج این است که احتمال پدید آمدن انسان از باکتری، شانسی برابر بردن یک جک پات را دارد. واقعیت این است که فرگشت به خوبی نشان می دهد که با تغییرات بطئی و مقطعی چطور می شود از سادگی به پیچیدگی رسید. به علاوه اینکه اگر نوادگان یک گونه که در حال تغییرات بطئی هست، توسط یک سد جغرافیایی از یکدیگر جدا بشوند، چون محیط زیست شان عوض شده، تغییرات بسیار متفاوتی از هم می کنند چون مثلا شکارچیان متفاوتی در کمین شان می نشینند. تئوری فرگشت نمی گوید که یک گونه می تواند به گونه دیگر تبدیل بشود بلکه این تغییر می بایست به صورت پله ای و با تغییرات اندک در هر مرحله باشد. به علاوه یک فرد از یک گونه نمی تواند تبدیل به فرد دیگر از گونه دیگر بشود (گوریل تبدیل به انسان نمی شود).

مغلطه بعدی این است که اگر انسان ها از گوریل ها مشتق شده اند پس چرا هنوز گوریل ها زنده اند؟ اول از همه اینکه انسان از گوریل ها مشتق نشده بلکه گوریل و انسان، هر دو یک جد مشترک داشته اند که شبیه به گوریل و انسان نبوده. اتفاق دیگری که در طبیعت می افتد این است که یک شاخه از گونه، در محیطی جدید قرار می گیرد که فشار برای بقا بسیار زیاد است و به همین دلیل سرعت تغییر زیاد می شود در میان نسل ها در حالی که گونه اولیه، در محیط زیستی اصلی، بدون مشکل زندگی می کند و بسیار کم فرگشت پیدا می کند. برای این نیاز نیست هیچ کدام از میان بروند.

مغلطه دیگر این است که وقتی می گوییم پرندگان از خزندگان مشتق شده اند، می پرسند که چرا هیچ وقت یک کروکدیل با بدن اردک ندیده ایم؟ برای مشتق شدن مستقیم، نیازی نیست که یک گونه حد واسط، تکه های کاملی از بدن هر دو را داشته باشد.

هدف فرگشت، تنها تضمین کردن زندگی آنهایی ست که بهتر می توانند از منابع استفاده کنند. فرگشت، همجنین دلیلی برای اعمال سیاست های غیرانسانی علیه بقیه با توجیه بقای قوی ترین نیست.