چرا ما زنده هستیم؟ داستان عنصر پرانرژی سازنده حیات
پرسش عنوان این مقاله شاید درنگاه نخست تعجب‌برانگیز به‌نظر آید و احتمالا فکر برخی را برای یافتن پاسخ به وادی فلسفه بکشاند. اما این مسئله که چرا ما زنده هستیم؛ یعنی به‌عنوان موجودی جاندار از جهان مرده متمایز شده‌ایم، ازنگاه زیست‌شناسان پاسخی کاملا علمی و متقاعدکننده دارد. درواقع «چرا زنده هستید؟» عنوان جدیدترین ویدئوی استودیوی انیمیشن‌سازی کورتسگزکت است که سازنده مثل همیشه در آن به موجزترین شکل ممکن، چرایی بقا در جانداران را شرح داده است.
به‌نقل از ویدئوی کورتسگزکت، زنده‌ماندن یعنی درحرکت‌بودن بدون رسیدن به هیچ مقصدی؛ تحرکی که به‌محض توقف، موجود زنده را به کام نیستی خواهد کشاند. اما شاید پرسش بنیادی‌تر این است که اصلا حیات چیست و موجود زنده چه تفاوتی با نوع غیرزنده دارد؟ پیش از رسیدن به پاسخ باید بگوییم در این مقاله قصد نداریم ماهیت و معنای زندگی را از نگاه فلسفی بررسی کنیم. پس اگر خارج از دنیای علم به‌دنبال جواب این پرسش‌ها می‌گردید، احتمالا بهتر است از خواندن ادامه‌ی متن صرف‌نظر کنید.
هرچند زیست‌شناسی درباره‌ی مطالعه‌ی حیات است، زیست‌شناسان بر سر معنای واقعی «حیات» اتفاق‌نظر ندارند. دانشمندان صدها روش برای را تعریف حیات ارائه داده‌اند؛ اما هیچ‌کدام به‌طور گسترده ازسوی دیگران پذیرفته نشده است. به‌جای تعریف واژه‌ی حیات در یک یا چند جمله، کتاب‌های درسی این مفهوم را با فهرستی از چند ویژگی توصیف می‌کنند که اگر موجودی آن‌ها را داشته باشد، زنده و دارای حیات محسوب می‌شود.
زنده‌ماندن یعنی درحرکت‌بودن بدون رسیدن به هیچ مقصدی؛ تحرکی که به‌محض توقف، موجود زنده را به کام نیستی خواهد کشاند
یک ویژگی حیات داشتن سلول است؛ محفظه‌ای که فرایندهای بیوشیمیایی را دربردارد. براساس نظریه‌ی سلولی که یکی از مفاهیم بنیادین در زیست‌شناسی است، تمام موجودات زنده از سلول تشکیل شده‌اند و سلول واحد پایه‌ی حیات محسوب می‌شود. از باکتری تک‌سلولی تا تریلیون‌ها سلول تشکیل‌دهنده‌ی بدن انسان، هر موجودی که سلول دارد، زنده به‌شمار می‌آید. در توصیف جانداران، ویژگی‌های دیگری نیز ذکر شده است ازجمله داشتن فرایندهای رشد، تولیدمثل و توانایی سازگاری با محیط.
اکنون به پرسش عنوان مقاله بازمی‌گردیم. درواقع می‌خواهیم بدانیم چرا و چگونه جانداران به حیات ادامه می‌دهند؟ هرگونه تلاشی برای پاسخ به این پرسش احتمالا نمی‌تواند به‌اندازه‌ی ساخته‌ی علمی کورتسگزکت حق مطلب را ادا کند. پس بدون هیچ توضیح اضافه‌ای شما را به دیدن این ویدئو دعوت می‌کنیم.
در همین لحظه شما روی لبه باریکی بین زندگی و مرگ قرار دارید. احتمالا این را احساس نمی‌کنید؛ اما درون شما مقداری باورنکردنی از فعالیتی درحال انجام است که هرگز نمی‌تواند متوقف شود. خود را به‌عنوان یک اسلینکی (نوعی اسباب‌بازی) درحال پایین‌رفتن از پله‌ای برقی تصور کنید که به سمت بالا می‌رود. بخش پایین‌رونده بیانگر فرایند خودجایگزین‌گری در سلول‌های شما و پله‌برقی نیز بیانگر قوانین فیزیک است که شما را به سمت بالا می‌برد.
زنده‌ماندن یعنی درحرکت‌بودن بدون رسیدن به هیچ مقصدی. اگر به بالای پله‌برقی برسید، دیگر پایین‌رفتن امکان‌پذیر نیست و برای همیشه مرده‌اید. جهان به‌طرز هراس‌آوری می‌خواهد شما به بالا برسید؛ اما چگونه از بالا رفتن اجتناب می‌کنید و چرا زنده هستید؟
تمام حیات برپایه‌ی سلول است. سلول قطعه‌ای از جهان مرده است که خود را از سایر بخش‌ها جدا کرده تا برای مدتی متکی به خود باشد. وقتی این جدایی بی‌نتیجه می‌ماند، سلول می‌میرد و دوباره به باقی جهان مرده می‌پیوندد. متاسفانه، جهان تمایل دارد که حیات با اتکا به خود شکل بگیرد و به‌دلایلی طرفدار چیزهای هیجان‌انگیز نیست؛ بلکه تلاش می‌کند تا حد امکان یکنواخت باشد. ما این اصل را که قاعده‌ی بنیادین جهان است «آنتروپی» می‌نامیم.
آنتروپی مفهومی پیچیده و متناقض است و توضیح آن به‌سادگی امکان‌پذیر نیست. فعلا تمام آنچه باید بدانید این است که چیزهای زنده ذاتاً هیجان‌انگیز هستند. سلول مملو از میلیون‌ها پروتئین و میلیون‌ها مولکول ساده‌تر نظیر آب است و در آن هزاران فرایند پیچیده و خودجایگزین‌گر صدها هزار بار در ثانیه اتفاق می‌افتد. سلول برای زنده‌ماندن و هیجان‌انگیز بودن باید مدام تلاش کند تا از رسیدن خود به آنتروپی، یکنواختی و مرگ جلوگیری و همچنین باید جدایی از باقی جهان را حفظ کند به‌عنوان مثال فعالانه با بیرون‌کشیدن پیوسته‌ی مولکول‌های اضافی، غلظت متفاوت از مولکول‌های معین را در درون و بیرون نگاه می‌دارد. سلول به‌منظور انجام این‌گونه کارها به «انرژی» نیاز دارد.
انرژی توانایی اجسام جهان برای انجام کار، به‌حرکت‌درآوردن یا دست‌بردن در چیزی یا ایجاد تغییر است. این توانایی را نمی‌توان ایجاد یا نابود کرد و مقدار مشخص انرژی در جهان هرگز تغییر نخواهد کرد. ما چرایی این مسئله را نمی‌دانیم؛ درنتیجه، میلیاردها سال پیش یکی از اساسی‌ترین چالش‌ها برای نخستین موجودات زنده، به‌دست‌آوردن انرژی کاربردی بود. ما اطلاعات چندانی درباره‌ی این سلول‌های اولیه نداریم، به‌جزاینکه انرژی خود را از واکنش‌های شیمیایی ساده به‌دست می‌آوردند. آن‌ها سیستم نهایی انتقال انرژی را یافتند: عنصر پرانرژی سازنده‌ی حیات یا مولکول آدنوزین تری‌فسفات (ATP). ساختار این مولکول باعث می‌شود به‌طرز منحصربه‌فرد مناسب پذیرش و آزادسازی انرژی باشد. وقتی سلول نیازمند انرژی است، مثلا برای بیرون‌کشیدن مولکول‌ها یا تعمیر ریزدستگاهی ارکارافتاده می‌تواند ای‌تی‌پی را تجزیه و از انرژی شیمیایی برای انجام کار و ایجاد تغییر استفاده کند. به‌همین دلیل موجودات زنده قادر به انجام کار هستند. ما نمی‌دانیم نخستین مولکول ای‌تی‌پی دقیقا کِی و چگونه روی زمین ساخته شد؛ اما هر موجود زنده‌ی شناخته‌شده برای حفظ فعالیت ساختار داخلی خود از ای‌تی‌پی یا مولکولی بسیار مشابه استفاده می‌کند.
مولکول ای‌تی‌پی برای تقریبا هر فرایند حیاتی است. گیاهان، قارچ‌ها، باکتری‌ها و جانوران باید زنده بمانند .بدون ای‌تی‌پی حیاتی روی زمین نخواهد بود. احتمالا هیچ‌کجا نخواهد بود. هرچند تجزیه‌ی مواد شیمیایی برای انرژی، ایده‌ی چندان بدی نیست، حیات اولیه، خورشید بزرگ‌ترین منبع موجود انرژی را ازدست داد. خورشید اتم‌ها را ادغام می‌کند و فوتون‌هایی را می‌تاباند که انرژی را به درون منظومه‌ی شمسی حمل می‌کنند. اما این انرژی خام و هضم‌نشدنی است و باید پالایش شود.
یک روز یک سلول، سلولی دیگر را خورد و آن را نکشت. درعوض، آن‌ها به یک سلول تبدیل شدند. آن روز هیچ چیز تغییر نکرد؛ اما زمین برای همیشه تغییر کرد
پس از صدها میلیون سال تکامل، سرانجام یک سلول نحوه‌ی مصرف انرژی خورشید را آموخت. سلول تابش را جذب و بخش عمده‌ی آن را به بسته‌های شیمیایی کوچک و پالایش‌شده‌ای تبدیل کرد که برای زنده‌ماندن به‌کار می‌آیند. ما این فرایند را «فتوسنتز» می‌نامیم. شما فوتون‌هایی را می‌گیرید که به‌همراه انرژی الکترومغناطیسی درنوسان هستند و بخشی از این انرژی را برای ادغام و ترکیب مولکول‌های مختلف با یکدیگر به‌کار می‌برید. این انرژی الکترومغناطیسیِ تبدیل‌شده به انرژی شیمیایی در مولکول ای‌تی‌پی ذخیره می‌شود. این فرایند به‌مراتب بهبود یافت، به‌نحوی که برخی سلول‌ها نحوه‌ی ساخت بسته‌های شیمیایی بهتر را آموختند: «گلوکز یا قند.»
گلوکز راحت تجزیه می‌شود، پرانژری و بسیار خوشمزه و به‌قدری به‌صرفه است که برخی سلول‌ها تصمیم گرفتند به‌جای آنکه خودشان فعالیت پرزحمت فتوسنتز را انجام دهند، صرفا دیگر سلول‌های فتوسنتزگر را ببلعند و گلوکز و ای‌تی‌پی آن‌ها را به‌دست آورند. این کار عمدتاً یکی از بزرگ‌ترین خیانت‌های جانوری در تاریخ تکاملی قلمداد می‌شود. سلول‌های فتوسنتزگر عمدتاً در سطوح خود قادر به بهره‌گیری از انرژی هستند که این خصوصیت، تولید حداکثری انرژی و به‌تبع آن مسیرهای تکاملی آن‌ها را تاحدی محدود کرد.
با گذشت زمان برخی سلول‌ها قند تولید کردند و دیگران آن‌ها را خوردند. تکامل کار خود را انجام داد؛ اما اوضاع کلی برای صدها میلیون سال تقریبا یکسان باقی ماند تا اینکه یک روز یک سلول، سلولی دیگر را خورد و آن را نکشت. درعوض، آن‌ها به یک سلول تبدیل شدند. آن روز هیچ چیز تغییر نکرد؛ اما زمین برای همیشه تغییر کرد. این سلول به جد تمام جانوران روی زمین تبدیل شد. وال‌های آبی، آمیب‌ها .دایناسورها، عروس دریایی، زره‌دوز پری‌وار صورتی و پوست‌پر سوندا و البته شما. تمام جانوران می‌توانند موجودیتشان را تا آن زمان ردیابی کنند. ادغام دو موجود زنده بسیار مهم است؛ زیرا وقتی دو سلول یکی شوند، قدرت بسیار بیشتری پیدا می‌کنند.
سلول سابقاً مستقل درون سلول میزبان توانست ازتلاش برای بقا دست بردارد و درعوض بر انجام یک وظیفه تمرکز کند: ساخت ای‌تی‌پی. این سلول به موتورخانه‌ی سلول میزبان تبدیل شد و نخستین «میتوکندری» را شکل داد. تضمین بقا در جهان خطرناک و تهیه‌ی غذا برای میتوکندری به سلول میزبان سپرده شد. میتوکندری اساساً فتوسنتز را در فرایندی پیچیده و مشابه وارونه کرد. آن‌ها مولکول‌های قندی را که ما با خوردن دیگر موجودات زنده به‌دست می‌آوریم، برمی‌دارند و با اکسیژن و مولکول‌های پیش‌ماده می‌سوزانند تا مولکول‌های ای‌تی‌پی جدید و غنی از انرژی بسازند. این فرایند همانند کوره‌ای کوچک عمل می‌کند و ضایعاتی نظیر کربن دی‌اکسید، آب و قدری انرژی جنبشی‌ای بیرون می‌دهد که با گرم‌شدن بدن تجربه می‌کنید. این نخستین تقسیم کار، بدان معنا بود که سلول جدید بسیار بیشتر از هر سلولی به انرژی دسترسی داشت که به‌معنای فرصت‌های بیشتر دراختیار تکامل برای توانمندسازی سلول‌های پیچیده‌تر بود.
یک روز، سلول‌های اولیه تشکیل گروه‌ها و جوامع کوچک را آغاز کردند که به حیات چندسلولی و درنهایت شما منجر شد. امروز شما توده‌ای از تریلیون‌ها سلول هستید که هرکدام مملو از ده‌ها و شاید حتی صدها دستگاه کوچکی هستند که انرژی کاربردی برای زنده‌ماندن ما را تهیه می‌کنند. اگر این فرایند حتی برای چند دقیقه مختل شود، شما می‌میرید. اما اگر حیات چنین شکننده است، آیا نمی‌توان همانند ذخیره‌ی قند در سلول‌های چربی، ای‌تی‌پی را ذخیره کرد تا اگر برای مدتی نفس نکشیدیم، نمیریم؟ اگر حیات برای زنده نگاه‌داشتن شما به امروز مسائل بسیاری را حل کرده است، چرا مشکل مرگ سریع هنوز وجود دارد؟
حتی باکتری ساده‌ای نظیر اشریشیا کلی در هر تقسیم سلولی تقریبا ۵۰ برابر وزن بدن خود ای‌تی‌پی درست می‌کند. تریلیون‌ها سلول بدن برای زنده نگاه‌داشتن شما به مقدار بسیار زیادی ای‌تی‌پی نیاز دارند. بدن شما روزانه درحدود ۹۰ میلیون میلیارد میلیارد مولکول ای‌تی‌پی تولید و تبدیل می‌کند: تقریبا هم‌وزن بدن خودتان. برای آنکه تنها یک روز دوام بیاورید به‌اندازه‌ی یک نفر ای‌تی‌پی نیاز دارید. حتی ذخیره‌سازی مقدار کافی ای‌تی‌پی برای دوام‌آوردن به‌اندازه‌ی چند دقیقه اساساً غیرممکن است. مولکول ای‌تی‌پی برای جابه‌جایی سریع انرژی بسیار مناسب اما برای ذخیره‌سازی افتضاح است، زیرا فقط یک درصد از انرژی مولکول گلوکز را در سه برابر جرم خود دارد؛ درنتیجه ای‌تی‌پی پیوسته تولید و تقریبا سریع مصرف می‌شود.
بقا همانند راندن خودرویی با سرعت کامل درحین تولید سوخت در صندوق عقب با زباله‌هایی است که از کنار جاده برمی‌دارید
این داستان کوتاه و ساده‌شده‌ی مولکولی بود که به شما امکان می‌دهد با جهان مرده متفاوت و اسلینکی روی پله‌برقی باشید .داستان عجیبی است. برای بقا در تمام اوقات به این مولکول احتیاج دارید. باید به حرکت ادامه دهید، زیرا حتی وقفه‌ای کوتاه اسلینکی شما را از حرکت بازمی‌دارد. بقا همانند راندن خودرویی با سرعت کامل درحین تولید سوخت در صندوق عقب با زباله‌هایی است که از کنار جاده برمی‌دارید. تا آنجا که می‌دانیم، منشاء تمام این فرایندها به میلیاردها سال پیش بازمی‌گردد؛ وقتی قطعاتی کوچک از جهان مرده گردهم آمدند و برای لحظه‌ای به چیزی دیگر تبدیل شدند. این موجود خود می‌تواند به مسیرش ادامه دهد و قادر به رشد است.
از آن زمان که اسلینکی به‌حرکت در‌آمد، تاکنون درحال پیش‌روی بوده است. از نخستین سلول‌ها تا شما که اکنون این متن را می‌خوانید. یک روز شما دوباره با باقی جهان مرده ادغام خواهید شد. شاید داستان‌هایی را درباره‌ی ماجراجویی‌هایتان برایش تعریف خواهید کرد و شاید هم نکنید؛ اما پیش از آنکه بفهمید فرصت دارید به بهترین نحو زندگی کنید و جهانی مرده را بسیار جذاب‌تر کنید.