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

از ما حمایت کنید!

تمام کتاب‌ها و فیلم‌های مستند در سایت به صورت رایگان ارائه می‌شوند.

اگر می‌توانید از ما حمایت کنید تا بتوانیم هزینه‌های نگهداری سایت را تامین کنیم

می‌خواهم کمک کنم

برو به صفحه اول سایت