حیات چگونه بوجود آمد؟

نظریات متفاوتی درباره چگونگی پیدایش حیات بر روی زمین وجود دارد. یکی از این نظریات ، نظریه سوپ بنیادین است که با آزمایش میلر-یوری همراه است ، در ادامه با من همراه باشید.

زمین در حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش تشکیل شده است. ما از این زمان بسیار اولیه که هالدین نامیده می شود مستقیما چیزی نمیدانیم زیرا سنگهای قدیمیتر از ۳.۹ میلیارد سال پیش پیدا نشده اند. پوسته زمینی که ما بر روی آن زندگی میکنیم در این دوره تشکیل شده است. قدیمی‌ترین سنگهایی که به دست آمده اند محتوی آثار مشخصی از حیات نیستند. هر چند که عدم شناخت آثار حیات ممکن است دلیل بر نبود آن نباشد

هر گاه فرض کنیم که تکامل موجودات زنده از تبدیل ترکیبات کانی به آلی و سپس از تبدیل ترکیبات آلی ساده به ترکیبات آلی پیچیده آغاز شده باشد باید تاریخ پیدایش حیات را تاریخ پیدایش ترکیبات آلی بدانیم و به جستجوی این ترکیبات در درون سنگهای قدیمی بپردازیم.

شناسایی هیدروکربنهای فیتان و پریستان در سنگهای چخماق ناحیه گونفلینت واقع در ساحل شمالی دریاچه سوپریور آمریکا طلیعه‌ای برای چنین مطالعاتی است. این ترکیبات احتمالاً از تجزیه کلروفیل به وجود آمده اند و شناسایی آنها در سنگهای متعلق به ۳ میلیارد سال پیش دلیل بر وجود کلروفیل و گیاه در آن زمان است. ترکیبات آلی اولیه باید در زمانهای بسیار قدیمیتری به وجود آمده باشند. وجود سنگواره باکتریها در سنگهای حدود ۳.۵ میلیارد سال پیش نشان میدهد که حیات منشأ قدیمی‌ تری دارد و پیدایش زمین احتمالاً در یک میلیارد سال اول رخ داده است

منشا مواد آلی هنگامی که زمین اولیه سرد شد بسیاری از گازها به وسیله آتشفشانی از درون گرم آن خارج گردید. زمین شیمی دانان در مورد ترکیب واقعی اتمسفر اولیه اتفاق نظر ندارند ولی معتقدند که قسمت اصلی آن از گاز نیتروژن بوده است. به علاوه مقادیر قابل توجهی کربن‌دی‌اکسید و آب نیز در آن وجود داشته است. احتمال می‌رود که ترکیبات هیدروژن و سایر عناصر سبک به صورت هیدروژن سولفید، آمونیاک، و متان نیز از اجزای تشکیل دهنده آن بوده باشند. این گازها ابری را در پیرامون کره زمین تشکیل میداده که به وسیله نیروی گرانش زمین نگهداری می شده است.

به عقیده اکثر ،پژوهشگران اتمسفر اولیه زمین سرشار از هیدروژن بوده است اگر چه در این مورد توافق کامل وجود ندارد در این صورت باید چنین اتمسفری را به علت وجود اتمهای هیدروژن و الکترونهای وابسته به آن احیا کننده دانست این اتمسفر فاقد اکسیژن و یا واجد اندکی از آن بوده است تشکیل مولکولهای سرشار از کربن که از آنها حیات تکامل می یابد در این اتمسفر احیا کننده نسبت به اتمسفر امروزی نیاز به انرژی کمتری دارد.

اتمسفر ما از هنگامی که جانداران از انرژی خورشیدی برای تجزیه آب استفاده کرده مولکولهای پیچیده کربن دار به وجود آورده و مولکولهای اکسیژن گازی آزاد ساخته‌اند به تدریج تغییر یافته است. این اتمسفر اکنون حاوی حدود ۲۱ درصد اکسیژن است. در اتمسفر اکسید‌ کننده‌ای که امروزه وجود دارد، تشکیل خود به خودی مولکولهای پیچیده کربن دار امکان پذیر نیست.

بنابراین نخستین مرحله تكامل حیات احتمالا در اتمسفر احیا کننده ای که فاقد اکسیژن گازی بوده و با اتمسفر امروزی تفاوت فاحشی داشته صورت گرفته است. دوره شگفت انگیزی بود و زمین از انرژی‌هایی چون تابش خورشیدی، آذرخش حاصل از طوفانهای الکتریکی شدید، گذاره های آتشفشانی فراوان و گرمای حاصل از مواد پرتوزا (رادیواکتیو) موج میزد. امروزه، لایه ای از گاز اوزون زمین را در مقابل اثرات تابش خورشیدی پرتوهای فرابنفش محافظت میکند. تحت اثر انرژی پرتوهای فرابنفش و سایر منابع انرژی بود که گازها با یکدیگر ترکیب شدند و همتافت های مختلفی را به وجود آوردند.

برای تشخیص نوع مولکولهای حاصل از انجام واکنش‌های یاد شده باید فرایند را تکرار کرد. به این منظور باید اتمسفری همانند آنچه که در دوره اولیه عمر زمین وجود داشته فراهم ساخت اکسیژن گازی را که در آن دوره وجود نداشته از مواد تشکیل دهنده اتمسفر حذف کرد. این اتمسفر را بر بالای آب مایع که در زمین در حال سرد شدن وجود داشته قرار داد. دمایی نزدیک به ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد ایجاد کرد و با جرقه های حاصل از تخلیه الکتریکی به بمباران آن پرداخت. هنگامی که «استنلی ال میلر» و «هرولد سی یوری» در سال ۱۹۵۳ به این آزمایش اقدام کردند دریافتند که ۱۵ درصد کربن موجود در گاز متان به ترکیبات آلی ساده دیگر تبدیل می شود.

از نخستین ترکیبات جدیدی که با آزمایش‌های میلر- یوری به دست می آید می توان مشتقات حاصل از تجزیه متان نظیر فرم آلدهید و هیدروژن سیانید را ذکر کرد. مولکولهای ساده نظیر فرمیک‌اسید و اوره پس از بوجود آمدند، مولکول های پیچیده و محتوی پیوندهای کربن-کربن نظیر آمینواسید های گلایسین و آلانین پس از آن تشکیل شدند.

اهمیت آمینواسیدها از این نظر که واحد ساختاری پروتئین‌ها بوده و جزء ترکیبات اصلی تشکیل دهنده جانداران هستند بسیار زیاد است. حدود ۵۰ وزن خشک هر یاخته در بدن ما از آمینواسیدهای آزاد و یا پیوسته تشکیل شده است. پژوهشگران دیگر در آزمایشهای بعدی بیش از ۳۰ پلیمر کربنی مختلف را شناسایی کرده‌اند که برخی از آنها عبارتند از : آمینواسید های گلایسین ، آلانین ، گلوتامیک اسید ، والین و...

تولید آمینواسیدها نشان میدهد که پروتئینها می‌توانستند در شرایطی همانند آنچه که در زمین اولیه وجود داشته تشکیل شوند. مولکولهای مهم زیست شناختی دیگر نیز در این آزمایشها به وجود آمدند وجود هیدروژن سیانید باعث گردید که یک مولکول پیچیده حلقوی به نام آدنین نیز تولید شود. آدنین یکی از بازهایی است که در DNA و RNA وجود دارد. ترکیبات اخیر مولکولهای طویلی هستند که جانداران از آن به عنوان بخش حاوی رمزهای ژنتیکی استفاده میکنند و رموز موجود در آنها را به صورت ترتیب قرار گرفتن آمینواسیدها در پروتئینها ترجمه می نمایند. بدین سان، مولکولهایی که حیات از آنها حاصل میشود در اتمسفر زمین اولیه به وجود می آید.

با سرد شدن تدریجی زمین بخار آب موجود در اتمسفر نیز بیش از پیش به صورت آب مایع در می آید و در اقیانوسهای در حال گسترش انباشته میشود با توجه به آزمایشهای میلر-یوری می توان چنین فرض کرد که قطره های ریز آب پیش سازهای آمینواسیدها نوکلئوتیدها و ترکیبات دیگر حاصل از واکنشهای شیمیایی در اتمسفر بوده اند. اقیانوس اولیه را میتوان سوپ رقیق، گرم و بدبویی متشکل از آمونیاک، فرم آلدهید، فرمیک اسید، سیانید، متان، هیدروژن سولفید و هیدروکربنهای آلی دانست که در آن ، حیات در حال سازمان یافتن بوده است. جاندارانی که اشکال بعدی حیات از آنها مشتق شده اند در چنین اقیانوسی به وجود آمده اند. مراحل انجام این فرایند شناخته نشده و ممکن است همیشه ناشناخته باقی بماند

آزمایش میلر-یوری دستگاه لوله بسته ای است که دو اتاق را به هم متصل میکند. اتاق بالایی محتوی مخلوطی از گازهاست که به اتمسفر زمین اولیه شباهت دارد. در این مخلوط الکترودهای تخلیه نظیر ،آذرخش جرقه می‌زنند. پس از آن سرد کننده ها گازها را سرد میکنند و باعث تشکیل زیر قطره هایی می‌شوند که وارد اتاق گرما دیده دوم و یا به اصطلاح اقیانوس اولیه میگردند. تمام مولکولهای پیچیده ای که در اتاق اتمسفر تشکیل می شوند می توانند در این ریز قطره ها حل شوند و به اتاق اقیانوس منتقل گردند از این اتاق نمونه ها جهت بررسی برداشته میشوند.

نتایج آزمایش میلر-یوری ۱۷ مولکول ساده همه به حالت گاز در مخلوط اولیه وجود داشتند. در بین آنها مولکولهای اکسیژن نبود اما هیدروژن به فراوانی در اتمسفر یافت میشد. در هر مرحله از آزمایش مولکولهای پیچیده‌تری تشکیل شدند نخست آلدهید پس از آن اسیدهای ساده سپس اسیدهای پیچیده تر. در بیشتر حالات فقط یک ایزومر از یک ترکیب در سیستم‌های زنده امروزی دیده شده اند. اگر چه بسیاری از آنها توانسته اند در آزمایش میلر-یوری به وجود آیند.

منشا سلول های اولیه بسیاری از انواع مختلف مولکول‌ها در آب دور هم جمع میشوند و توده های به هم پیوسته‌ای را به وجود می آورند ،گاهی به هم پیوستن مولکولهایی از یک نوع باعث تشکیل خوشه های بزرگ و قابل رویت و یا 《پیش‌ سلول های》 کروی با ۱-۲ میکرومتر قطر می شود. چون «ریزگره» های مذکور به طور خود به خود از مولکولهای چربی و یا از آمینواسیدها به وجود می آیند، بنابراین می توان گفت که در سوپ اولیه پیش‌ سلول های ساده میتوانستند تشکیل شوند.

تشکیل این پیش سلول ها نخستین مرحله از تکامل سازمان یافتگی سلولی است به عنوان مثال کوآسرواها (ریزکیسه ها) دارای خواص شبه سلولی قابل ملاحظه زیرند: ۱. در خارج مرزی را به‌وجود می‌اورند که به غشای زیست شناختی دو لایه ‌ای شباهت دارد. ۲. با گرفتن مولکول های لیپدی از محیط پیرامون و انباشتن آنها در خود، رشد می‌کنند ۳. برآمدگی‌های شبه‌ جوانه‌ای به وجود می‌آورند و همانند باکتری ها با ایجاد فرورفتگی تقسیم می‌شوند. ۴. می‌توانند محتوی آمینواسیدها باشند و آنها را برای ایجاد سهولت در انجام واکنش های اسیدی-بازی و از جمله تجزیه گلوکز مورد استفاده قرار دهند.

اکنون تصور فرایندی از تکامل شیمیایی که بتواند پیش از پیدایش حیات با دخالت «ریز قطره» های كوآسروا انجام گیرد دشوار نیست اقیانوسهای اولیه می‌بایست محتوی تعداد بی‌شماری از این ریز قطره ها ( میلیون ها در یک قاشق) بوده باشند. ریز قطره هایی که به طور خود به خود تشکیل می شوند. برای مدتی باقی می مانند و سپس از بین می روند. بعضی از این قطره ها می بایست محتوی آمینواسیدهایی بوده باشند که گروههای جانبی آنها بهتر میتوانستند واکنشهای محرک رشد را کاتالیز کنند. این ریز قطره ها می‌بایست عمر بیشتری داشته باشند زیرا دوام کوآسرواهای پروتئینی و لیپیدی با انجام واکنشهای متابولیسمی نظیر تجزیه گلوکز و وجود رشد فعال، افزایش می یابد.

در طی میلیون‌ها سال ریز قطره های پیچیده‌ای که بهتر میتوانستند مولکولها و انرژی را از اقیانوس‌های فاقد حیات زمین اولیه در خود وارد کنند مدت بیشتری دوام می آوردند. همچنین ریز قطره هایی که میتوانستند از این مولکولها استفاده کنند بر وسعت خود بیفزایند رشد کنند. تقسیم شوند و سرانجام ریز قطره هایی همانند ریز قطره والد به وجود آورند، در شرایط بهتری بودند. هنگامی که شرایط برای انتقال توانایی جدید از والد به فرزند فراهم میشود. وراثت تحقق می یابد و حیات آغاز می شود.

درباره چگونگی پیدایش نخستین سلول بحث زیادی بین زیست شناسان وجود دارد؛ RNA می‌تواند همانند آنزیم عمل کند و مولکولهای جدید RNA را بر روی یک قالب RNA به وجود آورد. بر این اساس کوآسرواها را نمی‌توان نخستین مرحله در تکامل حیات دانست چنانکه اشاره شد در آزمایشهای میلر-یوری نوکلئوتیدها نیز به وجود می‌آیند.

شاید بهتر است نخستین ماکرومولکولها را مولکول RNA و نخستین مرحله در روند تکامل را مرحله تشکیل مولکول‌های پیچیده و پایدار RNA بدانیم در این صورت باید فرض کنیم که پس از آن پایداری با محصور شدن RNA در درون یک کوآسروا افزایش یافته است هنوز در مورد تقدم تشکیل RNA بر تشکیل ساختار شبه کوآسروایی اتفاق نظر وجود ندارد.