تکامل شیمیایی و پیدایش حیات.۱

تکامل حیات بر روی زمین اولیه

طرحی از سیاره زمین در آغاز پیدایش

شگرف‏‌ترین جنبه تکامل(فرگشت) حیات بر روی زمین، سرعت انجام پذیرفتن آن است. روش‌های گوناگون رادیواکتیو-ایزوتوپ،که برای تعیین عمر سنگ‌های آسمانی‏(شهاب سنگ. شخانه) به کار گرفته‏ شده،ت قریبا رقم ۴۶۰۰ میلیون‌سال را به دست می‏‌دهند. چنانچه‏ فرض کنیم خورشید، سیاره‏‌ها، شهاب‌سنگ‌ها و مواد دیگر موجود در منظومه شمسی، تماما از همان توده غبار اولیه و تقریبا به طور همزمان تشکیل شده باشند، آن‌گاه که می‏‌توان عمر زمین را هم ۴۶۰۰ میلیون‌سال دانست.

بخش بزرگی از سرگذشت زمین در ابتدای‏ پیدایش آن، به واسطه‌ی رخدادهای بعدی محو شده است. برخی از قدیمی‌ترین سنگ‏‌های‏ ته‏‌نشستی شناخته‏ شده،در ته‏‌نشست‌های فیگ‏تری Figtree و اون‏فرواخت Onverwacht در افریقای جنوبی، به ترتیب ۳۲۰۰ و ۳۴۰۰ میلیون‌سال عمر دارند. هر دو ته‏‌نشست‏ محتوی سنگواره‏‌های ریز شبه‏‌باکتری هستند و ظاهرا کمی بیش از یک میلیارد سال‏ پس از تشکیل سیاره‌ی ما، بر روی آن ظاهر گشته‏‌اند. همچنین، تا پیدایش یاخته‏‌های هسته‏‌دار و نیز تا پیدایش زیست‌مندان پریاخته، بیش از دو برابر این مدت زمان طول کشیده‏ است.

به نظر می‏‌رسد، گام‏ نهادن از ماده‌ی آلی غیرزیستی به آستانه‌ی حیات، از آنچه انتظار می‏‌رفته آسان‌تر، و گام‏ نهادن از باکتری‌های تک‏‌یاخته‏‌ای به زیست‌مندان پریاخته دشوارتر بوده است. فرایندهای بعدی حیات، به خاطر نتایجی که از سنگواره‌‏ها به دست آمده، قابل فهم‌تر است.اصولا، یک میلیارد صفحه از ابتدای کتاب تاریخ کره‌ی زمین،تقریبا به طور کامل ناپدید گشته است و اکنون باید تلاش شود آن را از طریق اطلاعات موجود در صفحات بعدی و تمام آنچه انسان به طور کلی درباره‌ی سیارات دیگر و درباره دانش شیمی می‏‌داند، بازنویسی کرد.

این مقاله مبین کوشش‌های کاشفانی است که‏ هدف‌شان بازسازی تاریخ تکامل حیات طی یک میلیارد سال نامعلوم ابتدای پیدایش‏ کره‌ی زمین می‏‌باشد.

سازوکارهای قابل پذیرشی وجود دارد که نشان می‏‌دهند تحتِ شرایطِ آغازین‏ زمین امکان ترکیب کردن بیشتر تکپارها(monomer) یا مولکول‌های ساده وجود داشته است.

بسپار(Polymer ) حاصل از این تکپارها را می‏‌توان به دو دسته‌ی بزرگ تقسیم‏ کرد:دسته‌ی نخست، اسیدهای نوکلئیک که ماده‌ی وارثتی را در بردارند و منتقل می‏‌کنند، و دسته‌ی دوم، پروتئین‌ها، که برخی به عنوان مواد ساختاری و برخی دیگر به عنوان آنزیم‏‌هایی‏ برای کاتالیدن(Catalizing) واکنش‌های شیمیایی پیچیده (که هم اساس سوخت‏ وساز و هم اساس تولیدمثل را تشکیل می‌‏دهند)، عمل می‏‌کنند.

نشان‏ دادن چگونگی‏ِ پیوند تکپارها در داخل بسپارهای مؤثر زیستی کار دشواری است، لیکن برخی راه‌های‏ قابل پذیرش یافت شده‏‌اند. بعلاوه، در بعضی آزمایش‌ها، نشان داده‏‌شده که قطرات‏ کوچک دارای پوسته‌ی غشا مانند ظرفیت کاتالیدن واکنش‌های ابتدایی را-شبیه آنچه در یاخته‏‌های زنده مشاهده شده-دارا هستند و از استعداد ادامه‌ی زندگی در محیطی‏ جز محیط خود برخوردارند.

همه‌ی این‌ها راهی طولانی تا ایجاد «حیات در لوله‌ی آزمایش» را نشان می‏‌دهند، لیکن منظور تنها این نیست، بلکه هدف عمده، دستیابی به دلایل قانع‏‌کننده درباره‌ی چگونگی پدیدارشدن شکل‌های گوناگون حیات، از ماده‌ی بی‌جان، بر روی کره‌ی زمین است. اکنون به نظر می‏‌رسد دستیابی به این هدف نزدیک شده باشد.

البته، احتمال دارد که ابتدا حیات بر روی زمین آغاز نشده باشد. بر اساس نظریهء پانس پرمیا یا پان‌اسپرمیا(Panspermia) ،که در سده‌ی پیشین رواج فراوان داشت، احتمال داده‏ می‏‌شود،انتقال زندگی از یک منظومه‌ی شمسی به منظومه‌ی شمسی دیگر و از طریق انتشار میکروارگانیسم‌ها صورت گرفته باشد.

فرانسیس کریک و ولسی اورگل‏ اخیرا پیشنهاد جسورانه‌‏تری درباره‌ی پیدایش حیات بر روی زمین‏ (و برو روی سایر سیارات)به میان کشیده‏‌اند. بر اساس نظریه‌ی آنان، حیات بر روی این‏ سیارات توسط موجوداتی، که میلیاردها سال از انسان متکامل‌تر بوده‏‌اند و در سایر سیارات منظومه‌ی شمسی زندگی می‏کرده‏‌اند، کاشته شده است(کاشت حیات توسط فرازمینی‌ها).

منشا فرازمینی حیات

تئوری پان‌اسپرمیا: ترکیبات عالی حیات با اجرام آسمانی به زمین آمده‌اند.(مرتبط با کشف حیات در ستاره‌دنباله‌دار)

فرایندی که کریک‏ و اورگل آن را«پانس پرمیای هدایت شده»(Directed Panspermia) نام دادند، شاید بتواند برای ما روشن سازد عنصر مولیبدن، که مقدار آن بر روی زمین بسیار ناچیز است، چگونه در عملیات و رفتار بسیاری از آنزیم‌های بینادی نقش اساسی‏ دارد. اثبات یا رد تئوری‌های پانس‌پرمیا با دانش امروزین بشر ممکن نیست، و به همین‏ دلیل، به مورد علاقه‌ی ما در این نوشتار ربطی پیدا نمی‏‌کنند.

زمین نسبت به انواعِ حیات یافت‏‌شده بر روی آن مهمان‏‌نواز بوده است. اگر پیدایش نوعی از حیات بر روی زمین صورت نگرفته باشد، بی‌شک باید بر روری سیاره‌ی دیگری، که از نظر دما و ترکیب آن اختلاف زیادی با زمین نداشته، تکوین یافته باشد.

پرسیدنی است که حیات چگونه بر روی سیاره‏‌ای مانند زمین تکوین پیدا کرده است؟ شروع فرایند به چه صورت بوده است؟ یک چیز مسلم است: اکسیژن آزاد موجود در جو بسیار کم بوده، و شاید وجود نداشته، و ازین‌رو، اکسایش(oxidation) قوی، مانند امروزه، ممکن نبوده است، زیرا ترکیبات آلی که باید به عنوان مواد اولیه برای تکوین‏ حیات ذخیره شوند در یک جو اکسیدان پایدار نمی‏‌باشند.

معمولا فراموش می‏‌کنیم که‏ اکسیژن یک گاز فرساینده و سمی است که انسان و زیستم‌ندان دیگر به وسیله‌ی سازوکارهای دقیق شیمیایی و فیزیکی در مقابل آن محافظت می‏‌شوند. غذای بسیاری‏ باکتری‌ها و همچنین اشکال متکام‌لتر حیات، از طریق ترکیب آن با اکسیرژن می‏‌سوزد. مصرف مقدار انرژی در هر گرم سوخت، در این فرایند خیلی بیشتر از تخمیر بی‌هوازی‏ (بدون اکسیژن)می‏‌باشد. آنزیم‌هایی مانند کاتالاز،پر اکسیدموتاز(peroxidase ) و سوپر اکسید دیسموتاز(superoxide dismutase) برای حفاظت از تأثیرات سمی جنبی اکسیژن‏ مصرفی زیست‌مندان تکوین یافته‏‌اند. باکتری‌های بی‌هوازی فاقد این دستگاه‌های حفاظتی‏ هستند و اکسیژن برای آن‌ها بی‌فایده و مهلک است.

مهندس پرومتئوس ریدلی اسکات

فیلم علمی‌تخیلی پرومتئوس(۲۰۱۲) بر اساس این ایده بود که احتمالا حیات توسط «مهندسین» به زمین آورده شده است.

به نظر می‏‌رسد برای اولین بار هالدین J.B.S.Haldane زیست‌شیمیدان انگلیسی، به این نکته توجه کرده که جو احیاکننده، یعنی جو بدون اکسیژن آزاد، برای تکوین‏ حیات از ماده‌ی آلی از سطح آلی بی‌جان ضرورت داشته است. بدون اکسیژن آزاد، لایه‌ی ضخیم ازن‏ در فاصله‌ی زیاد از سطح زمین نمی‏‌توانست وجود داشته باشد، تا مانند امروز از رسیدن‏ تابش فرابنفش به زمین به مقدار زیاد جلوگیری کند.

مقدار تابش فرابنفش که در آن روزگاران به سطح سیاره می‌‏رسیده، می‌توانسته‏ انرژی لازم را برای ساختن بسیاری ترکیبات آلی از مولکول‌هایی چون آب، دی‏اکیسدکربن و آمونیاک فراهم سازد. چنین ترکیباتی برای اینکه در این جو بدون اکسیژن‏ آزاد نابود نشوند، می‏بایست در اقیانوس‌ها مجتمع شده باشند، تا به گفته‌ی هالدین:«آب‏ اقیانوس‌های اولیه به غلظت سوپ رقیق داغ برسد.»

نظریات هالدین،که در سال ۱۹۲۹ مطرح شد، تقریبا واکنشی را برانگیخت.پنج سال پیش از آن اوپارین(Oparine) زیست‏‌شیمیدان شوروی، رساله‌ی کوچکی‏ چاپ کرده و در آن نظریات تقریبا مشابهی درباره منشأ حیات ارائه داده بود. در آن‏ زمان، زیست‌شیمیدانان سنتی متقاعد شده بودند که لوئی پاستور منشأ حیات را که مسئله‏‌ای علمی است، مورد توجه قرار داده و نظریه‌ی خلق‌الساعه را یکبار و برای همیشه‏ رد کرده بود.

اما در آن موقع نمی‏‌توانستند درک کنند که اوپارین و هالدین موضوعی‏ بسیار استثنایی را مطرح می‏‌ساختند:حیات به طور خلق‌الساعه، از ماده‌ی بی‌جان تکوین‏ نمی‏‌یابد(تئوری کلاسیک خلق الساعه، پس از پاستور دیگر قابل دفاع نبود)، لیکن، حیات یکبار از ماده‌ی بی‌جان تحت شرایط آغازین زمین و فارغ از رقابت با زیستمندان‏ دیگر تکوین یافته است.

چارلز داروین در مسیر درستی گام برمی‏‌داشت، هنگامی که در سال ۱۸۷۱ به یکی از دوستانش نوشت: «اغلب گفته می‏‌شود تمام شرایط برای ایجاد زیست‌مند از بی‌جان، اکنون‏ نیز فراهم است و همیشه نیز فراهم بوده است. لیکن اگر،فرضا، ما قادر بودیم حوضی‏ گرم و کوچک را با انواع نمک‌های آمونیاک و فسفریک، نور،حرارت، الکتریسته و غیره‏ مورد نیاز برای تشکیل یک پروتئین به طریق شیمیایی و همچنین شرایط لازم برای‏ انجام تغییرات پیچیده‏‌تر را فراهم سازیم،در حال حاضر که شرایط آغازین زمین‏ دیگر به طور طبیعی فراهم نیست،چنین معجونی سبب به وجود آمدن تک‌یاخته‏‌ها و سایر موجودات آغازین نخواهد شد.»