تکامل شیمیایی و پیدایش حیات۲

پیدایش حیات بر روی زمین

در سال ۱۹۵۲ هارولد یوری(Harold C.Urey) نظریه‌ی «اوپارین و هالدین»(بخش اول) را در کتاب خود به نام«سیارات»بازگو کرد. او و استنلی میلر(Stanley Miller) در دانشگاه شیکاگو دست به انجام آزمایش‌های علمی جالبی زدند.

برای اثبات این نظریه‏ که در شرایط آغازین زمین،سنتز ترکیبات آلی و پیچیده از گازهای ساده‌ی موجود در جو زمین و تحت تأثیر منابع انرژی آن روزگاران صورت گرفته است، آن‌ها نشان دادند که تخلیه‌ی الکتریکی در مخلوطی از هیدروژن،متان، آمونیاک و آب، موجب ایجاد آلدئیدها،اسیدهای کربوکسلیک و اسیدهای آمینه می‏‌شود. در مخلوط گازهای دیگر، از جمله مونوکسید کربن،دی‏اکسیدکربن و ازت نیز،بدون وجود هیچ‌گونه اکسیژن‏ آزاد، همین عمل انجام می‏‌گیرد. انجام آن آزمایش‌ها و شروع تحقیقات فضایی در سال‌های ۱۹۶۰،علاقه به منشأ حیات و امکان وجود زندگی در هر جای گیتی را برانگیخت.

از ابتدا اوپارین و هالدین نظریات متباینی را، درباره‌ی شرایط مهم آغازین برای‏ تکامل حیات بیان داشتند و این امر سبب‏ شده که امروزه ناسازگاری‌هایی در میان‏ نظریه‏‌پردازان پیدایش حیات ادامه یابد. یک سلول زنده دارای دو استعداد اساسی است: ۱. ظرفیت سوخت‏‌وساز و ۲.دیگری ظرفیت تولیدمثل.

ادامه‌ی حیات سلول در کوتاه‏ مدت به وسیله‌ی تغییر آرایش اتم‌های ترکیباتی(غذا) که به صورت مولکول‌های گوناگون‏ مورد نیازش مصرف می‏‌کند،ممکن می‏‌گردد. در دراز مدت، حیات سلول به وسیله‌ی قابلیت‏ تولیدمثل و ایجاد زادگان تأمین می‏‌شود. مسئله این است که آیا یک سوخت‏‌وساز و عملی‏ که به وسیله‌ی نوعی غشا در برابر رقیق‏‌شدگی و خرابی توسط محیط اطرافش حفاظت‏ شده‏ باشد، زودتر به وجود آمده است یا یک مولکول بزرگ که بقای آن به وسیله‌ی ایجاد  مولکول‌های همانند خود از مواد در محیط اطرافش تأمین گردیده به عبارت‏ دیگر، کدامیک از این دو مفهوم قدیمی‌تر است: پروتوبیون(protobion) ،یا ژن‏ برهنه(naked gene)؟

هالدین به دومی توجه داشت. اوپارین بیشتر به واکنش‌های شیمیایی‏ که در داخل قطرات کوچک، جدا از محیط خارج رخ می‏‌دهند و همچنین به مسئله‌ی رقابت برای تنازع با در میان چنین قطراتی علاقه‏‌مند بوده است(اوپارین در ۸۴ سالگی‏ در مسکو به عنوان پیشکسوت پژوهشگران پیدایش حیات شناخته شد).برای اوپارین، دستگاه تولیدمثل و DNA تنها ظرایف زیست شیمیایی هستند،که از طریق سوخت‏ وساز توانستند پروتوبیون‌های در حال رقابت را به سلول‌های زنده تبدیل نمایند.

احتجاج درباره‌ی تقدم سوخت‏‌وساز بر همانندسازی(یا تقدم پروتئین بر اسید نوکلئیک) و بالعکس، سرانجام ما را به سرنوشت نسل‌های پیشین-که در مورد تقدم جوجه‏ یا تخم‏‌مرغ و یا تقدم توارث یا محیط بحث و جدل می‏‌کردند-دچار خواهد ساخت. امروزه اسیدهای نوکلئیک نمی‏‌توانند بدون آنزیم،و همچنین آنزیم‌ها نمی‏‌توانند بدون‏ اسیدهای نوکلئیک ساخته شوند.پاسخ پرسش«ابتدا کدامیک به وجود آمد:آنزیم‌ها یا اسیدهای نوکلئیک؟»بایداین باشد:

ظهور آن‌ها به طور موازی صورت گرفت. کاتالیزرهای لازم برای واکنش‌هایی که در ابتدای حیات، بقای قطرات مخصوص را در داخل«سوپ هالدین»تامین می‏‌کردند، همچنین سازوکار تکثیر این کاتالیزرها (در مقابل ضربه‌ی امواج و سایر نیروهای مکانیکی که سبب شکستن قطرات و پراکنده‏شدن‏ کاتالیزر می‏‌گردید)بایستی به طور هم‌زمان تکوین یافته باشد. دستگاه‏‌های کهنه‏‌تر به حیات خود ادامه ندادند، زیرا نمی‏‌توانستند با دستگاه‌های نو و پیشرفته،برای تأمین‏ مواد اولیه‌ی مورد نیازشان رقابت کنند. امروزه در سلول‌های زنده، کاتالیزورهای‏ آنزیمی و پدیده‌ی تولیدمثل DNA کاملا درهم آمیخته شده‏‌اند؛آنچنان‌که مشکل بتوان‏ دریافت دستگاه ساده‏‌تر از آنچه امروز وجوددارد، چگونه بوده است.لیکن همانطور که‏ برنال( J.D.Bernal) فیزیکدان انگلیسی نوشت: تصویر مولکول مجرد DNA بر روی‏ ساحل دریای اولیه، که ادامه‌ی حیات از آن نشئت یافته، با آب و رنگی شبیه به تصویر «آدم و حوا در باغ عدن» مطرح شده است.

گذار از آلدئیدها و اسیدهای آمینه‏‌ا‌ی که به طور غیر زیستی تشکیل شده‏‌اند، به یک‏ سلول زنده، به نوبه‌ی خود گام بلندی است.به میان کشیدن یک سناریو برای بیان منشأ احتمالی حیات، یک امر است و بحث در مورد ممکن‏‌بودن یا محتمل‏‌بودن آن سناریو، امر دیگری است.

در این زمینه مدارکی وجود دارد که عبارتند از: اطلاعات مختصری‏ درباره‌ی میکروارگانیسم‌های سنگواره‏‌ای، تاریخ زمین‏‌شناسی سیاره، تجربیات آزمایشگاهی‏ که نشان می‏‌دهد در آغاز پیدایش حیات چه واکنش‌هایی می‏‌توانسته‏‌اند انجام شوند، مدرک‏ غیرزمینی مربوط به وجود ماده‌ی آلی در شهاب‌سنگ‌ها و در طیف غبار بین‌ستاره‏‌ای و امید کشف حیاتی که بر روی سیارات دیگر،به طور جداگانه تکوین یافته باشد.

۱. تکامل سلول‌های زنده از ماده‌ی بی‌جان را می‏‌توان به پنچ بخش تقسیم کرد:

۲. تشکیل سیاره، همراه با گازهایی در جو که ممکن است به عنوان مواد اولیه برای حیات‏ به کاررفته باشند؛

۳. سنتز تکپاره‌ای زیستی مانند اسیدهای آمینه، قندها و قلیاهای‏ آلی(Organik bases)؛

۴. بسپارش(Polymerization) تکپاره‌ای اخیر به زنجیرهای‏ پروتئین اولیه و اسیدنوکلئیک در یک محیط آبی که در آن تجزیه‌ی بسپار از لحاظ ترمودینامیکی ممکن بوده است؛

۵. جدا شدن قطرات کوچک سوپ هالدین به صورت‏ پروتوبیون‌ها با شیمی و هویت ویژه‌ی خودشان؛

۶. پیشرفت نوعی دستگاه تولیدمثل‏ برای مراقبت از اینکه سلول‌های زاده شده،تمام قابلیت‌های شیمیایی و سوخت‏‌وسازی‏ سلول‌های مادر را داشته باشند.به عبارت دیگر،برای تبیین پیدایش حیات بایستی مسایل‏ مربوط به مواد اولیه،تکپارها،بسپارها جداسازی و تولیدمثل را مورد بررسی قرار داد.

گیتی را هیدروژن(۹۸.۸ درصد)و هلیوم(۷.۱ درصد)همراه با مقدار جزئی‏ (۰.۱ درصد)از ناخالصی‌هایی چون ازت، اکسیژن، نئون و بقیه‌ی عناصر،تشکیل داده‏ است. دو جنبه‌ی مهم باید مورد توجه قرار گیرد: فراوانی یک عنصر به افزایش عدد اتمی(تعداد پروتون‌ها در هستهء اتم)آن کاهش می‏‌یابد، و فراوانی اتم‌های با عدد اتمی‏ زوج بیشتر است از فراوانی اتم‌های با عدد اتمی فرد، که در همسایگی آن‌ها قرار دارند. علت آن است که عناصر سنگین‌تر، از عناصر سبکتر درون ستارگان تشکیل می‏‌شوند. این‏ سنتز حداقل در مورد عناصری با عدد اتمی کمتر از عدد اتمی آهن، با گرفتن ذرات‏ آلفا، یا هسته‌ی هلیوم(که دو پروتون دارد) همراه است. عناصر با عدد اتمی زوج‏ فراوان‌ترند، زیرا آن‌ها در جریان اصلی سنتز قرار می‏‌گیرند؛ عناصر با عدد اتمی فرد به مقدار کمتری یافت می‏‌شوند، زیرا آن‌ها به وسیله‌ی واکنش‌های جانبی سنتز می‏‌گردند.

شکل‌گیری منظومه شمسی

نحوه شکل‌گیری منظومه شمسی از یک توده غبارآلود بخ سیستمی منسجم

قبلا تصور شده بود که خورشید و سیارات منظومه‌ی شمسی به وسیله‌ی تراکم و سرد سدن یک توده‌ی گاز داغ تشکیل شده‏‌اند.لیکن، امروزه به نظر می‏‌رسد که در آغاز یک‏ توده‌ی گاز سرد و ذرات غبار وجود داشته و دراثر حرکت دَوَرانی پهن شده و سپس یک‏ خورشید اولیه یا هسته‌ی متمرکز در مرکز آن تکوین یافته است. این توده بعدا به وسیله‌ی آزاد کردن انرژی گرانشی و نیز(به مقدار کمتری)به وسیله‌ی رادیواکتیویته‌ی طبیعی برخی‏ از اتم‌هایش، گرم شده است. در مرکز این ابر پهن‏‌گردَنده، خورشید شکل گرفت و ناهمگنی‌های‏ موضعی دیگر نیز در تقاطعی به فواصل مختلف از مرکز، مجتمع شدند تا سیارات را تشکیل‏ دهند. سیارات بزرگی همچون مشتری، زحل،اورانوس و نپتون،که دورتر از مرکز قرار گرفته‌اند،از نظر ترکیب شیمیایی و درصد عناصرشان به جهان آغازین شباهت بیشتری  دارن.د آن‌ها به طور عمده از هیدروژن، هلیوم، متان، آمونیاک و آب تشکیل شده‏‌اند. سیارات کوچکتری همچون عطارد، زهره، زمین و مریخ از نظر عناصر سنگین، غنی‌تر و از نظر گازهایی همچون هلیوم و نئون که می‏‌توانند از کشش گرانشی ضعیف این سیارات‏ بگریزند،فقیرترند.

بلافاصله پس از تشکیل زمین در فضای میان سیارات،به علت وجود جاذبه‌ی کم و دمای زیاد، بیشتر اجزای فرار تشکیل دهنده‌ی سیاره‌ی ما از دست رفت. نسبت اکسیژن افزایش یافت، زیرا در داخل مواد کانی سیلیکانی غیر فرار به حالت محبوس‏ در آمده بود. در صورتی که بخش عمده‏‌ای از ازت از دست رفت، زیرا نیتریدها ناپایدارتر از سیلیکات‌ها هستند و خیلی آسان‌تر به صورت گازهای فرار درمی‏‌آیند. به طور کلی زمین‏ مشتمل است بر یک هسته‌ی آهن-نیکل و یک پوشش که تقریبا ترکیبی مشابه سنگ‏ معدن سیلیکاتی«اولیوین» (FeMgSiO4) دارد.عنصر کربن حدود ۳۴درصد زمین‏ را تشکیل می‏‌دهد.

درنتیجه‌ی حرارت آزاد شده به هنگام تشکیل زمین از طریق به‌هم پیوستگی اجزای‏ آن، لایه‏‌های زمین مشتمل بر یک هسته، یک حبه و یک قشر پوسته‏‌ای به وجود آمدند. در آغاز سطح زمین اولیه باید خیلی داغ‌تر از آن بوده باشد که آب به حالت مایع‏ بتواند بر روی آن بماند. لیکن به محض پایین آمدن دما تا زیر نقطه‌ی جوش آب، آب‌های‏ بیرون‏ آمده از درون زمین، به وسیله‌ی فرایندهای خروج گاز، همچون آتشفشان، به‏ حالت مایع درآمده و اقیانوس‌های اولیه را تشکیل داده‏‌اند. خروج گاز باعث ایجاد جو نوینی، مرکب از بخار آب حاصل از آب‌دهی مواد کانی،متان، دی‏‌اکسیدکربن و مونواکسیدکربن حاصل از تجزیه‌ی کربیدهای فلزی، آمونیاک‏، ازت حاصل از نیتریدها و سولفید هیدروژن حاصل از سولفیدها گردید.

ظاهرا حیات از این جو که بیشتر احیاکننده است تا اکسید کننده، برخاسته است. همان‌طور که هالدین خاطرنشان می‏‌سازد، نخستین زیست‌مندانی که موفق به استفاده از انرژی خورشیدی برای شکافتن مولوکل‌های آب و تشکیل‏ دادن دی‏‌اکسیدکربن برای‏ ساختن گلوکز و آزاد ساختن اکسیژن(به عنوان محصول جانبی)شدند، موجب دگرگونی سیاره و ایجاد شرایط پیدایش حیات اولیه گردیدند.

در جو زمین و در اقیانوس‌های اولیه، چه مولکول‌هایی ممکن است به عنوان آغازگران‏ حیات سنتز شده باشند؟ بدون شک،آن‌ها باید شامل اسیدهای آمینه(برای ایجاد پروتئین)،قندها، فسفات‌ها و قلیاهای آلی(برای ایجاد اسیدهای نوکلئیک)،چربی‌ها (برای ایجاد پرده‏‌های غشا) و مولکول‌های آلی دیگری با خواص ویژه همچون فلاوین‌ها بوده باشند.

چنانچه زنجیره‏‌های بسپاری پروتئین‏‌ها و اسیدهای نوکلئیک‏ از تکپارهای اولیه‌ی آنها پدید آمده باشند، نتیجتاً از هر بند زنجیره بایستی یک مولکول‏ آب جدا شده باشد. بنابراین مشکل به نظر می‏‌رسد بسپارش توانسته باشد در محیط آبی‏ اقیانوس‌های اولیه صورت گیرد، زیرا حضور آب بیشتر به تجزیه‌ی بسپار کمک می‏‌کند تا به بسپارش.

قسمت بعدی درباره نحوه‌ی انجام آزمایش یوری-میلر خواهد بود