آیا می‌توان جرقه حیات اولیه زمین را بازسازی کرد؟

نزدیک به ۴٫۵ میلیارد سال پیش، سیاره‌ی نوزاد زمین، خالی از زندگی جانوری، گیاهی و حتی باکتری بود. چندصد میلیون سال بعد، اولین شکل‌های حیات اولیه رشد کردند. امروز چگونگی این اتفاق، یکی از رازهای بزرگ علم است، با این‌حال ممکن است به شواهدی از جرقه‌های حیات روی زمین نزدیک شویم. به گزارش بی‌بی‌سی، پژوهشگرها برای حل این راز به دنبال بازسازی فرآیند شکل‌گیری حیات در آزمایشگاه هستند.

وقتی سیاره‌ی زمین شکل گرفت، شرایط برای شکل‌گیری حیات بسیار نامساعد بود. فوران‌های آتش‌فشانی خشمگین، هیدروژن سولفید را در داخل جو زمین پخش کردند. همچنین سطح اکسیژن بسیار پائین بود و زمین در معرض بمباران سیارکی قرار داشت.

نزدیک به ۲۰۰ میلیون سال بعد زمین به محیط مساعدتری تبدیل شد. سوابق فسیلی نشان می‌دهند در حدود ۳٫۷ میلیارد سال پیش، جانداران زنده‌ی تک‌سلولی ساده روی زمین ظاهر شدند؛ اما این شکل‌های آغازین حیات چگونه پدید آمدند؟

بر اساس توافقی کلی، برای وجود حیات نیاز به ترکیب‌های زیستی حاوی کربن مثل متان و همچنین آب و منبعی از انرژی است. این جرقه‌ی حیات، واکنش‌های شیمیایی لازم برای تولید مولکول‌های پیچیده‌تری مثل آمینواسیدها، اجزای سازنده‌ی پروتئین‌ها و RNA را رقم زد. RNA، نوعی نوکلئیک اسید است که در تمام سلول‌های زنده وجود دارد و ساختار آن شبیه به DNA است؛ اما چه عاملی این جرقه را به وجود آورد و آیا می‌توان آن را بازسازی کرد؟

براساس یک فرضیه، پرتوهای شدید فرابنفش و صاعقه‌ها در زمین آغازین، احتمالا انرژی لازم برای آمینواسیدها را فراهم کردند و بعدها مولکول‌هایی مثل DNA و RNA در اقیانوس‌ها شکل گرفتند. یکی از شواهد علمی این نظریه در سال ۱۹۵۲ توسط استنلی میلر، دانشجوی دانشگاه شیکاگو با همکاری هارولد اوری، برنده‌ی جایزه‌ی نوبل شیمی منتشر شد. آن‌ها تلاش کردند شرایط جوی زمین آغازین را بازسازی کنند و برای این کار، آمونیاک، متان و بخار آب را در محفظه‌ی شیشه‌ای بسته‌ای وارد کردند و سپس جرقه‌ای الکتریکی را برای شبیه‌سازی صاعقه از آن عبور دادند.

با این‌حال به باور جفری بادا، استاد شیمی دریایی، صاعقه احتمالا درون ابرهای خاکستر آتشفشانی رخ داده است. دلیل خوبی برای بروز صاعقه در چنین شرایطی وجود دارد. برای مثال آتشفشان زیردریایی هونگا تونگا هائاپایی در سال ۲۰۲۲ فوران کرد و ترکیبی از گاز، خاکستر و بخار آب دریایی را تا فاصله‌ی ۵۲٫۸ کیلومتری در جو زمین منتشر کرد. نتیجه‌، بروز ۲۵٬۵۰۸ صاعقه در پنج دقیقه بود. بادا دراین‌باره می‌گوید:

تعداد زیادی جزیره‌ی آتشفشانی کوچک روی زمین آغازین وجود داشت. گمان می‌کنم این آتشفشان‌ها با شدت بسیار بالایی فوران کردند و تعداد زیادی از آن‌ها وجود داشت.

آتشفشان‌ها گازهایی مثل کربن مونوکسید و هیدروژن را در جو منتشر کردند. به گفته‌ی بادا، صاعقه‌ی شدید همراه با فوران‌ها می‌تواند جرقه‌ی لازم برای تبدیل این گازها به آمینواسید را فراهم کند. او در پژوهش جدید به شبیه‌سازی صاعقه‌ی آتشفشانی در دستگاهی حاوی کربن مونوکسید و گاز هیدروژن پرداخت.

آمینواسیدها احتمالا در ابتدا در جو شکل گرفتند و سپس روی دامنه‌ی آتشفشان‌ها سقوط کردند. سپس به سمت تالاب‌ها و دریاچه‌ها شسته شدند که محلی مساعد برای رشد حیات بودند. بر اساس این شواهد، حیات در اقیانوس‌های آزاد آغاز نشده است، زیرا مواد شیمیایی کربنی تولیدشده بلافاصله از یکدیگر دور شدند و برای واکنش‌های شیمیایی با مولکول‌های دیگر جمع نشدند.

از طرفی در برکه‌های کم‌عمق، گرمای ناشی از خورشید باعث تبخیر آب‌ها شد و همین فرآیند به تراکم مواد شیمیایی مثل هیدروژن سیانید با یکدیگر انجامید و در نهایت این مواد بیشتر با یکدیگر برخورد کردند. پژوهشگرها با بازسازی این فرآیند در آزمایشگاه، موفق به تولید سه جز سازنده‌ی مولکول اصلی حیات، یعنی DNA، پروتئین‌ها و لیپیدها از هیدروژن سیانید شدند؛ اما برخی دانشمندان نسبت به این نظریه بدگمان هستند.

براساس یک نظریه، پرتوهای فرابنفش با دادن انرژی به مولکول‌های سیانید عامل واکنش‌پذیری آن‌ها بوده‌اند، اما این پرسش مطرح می‌شود که در آن زمان چه مقدار سیانید روی زمین وجود داشته است؟ آغازی‌ترین شکل‌های حیات از هیدروژن و کربن دی‌اکسید به وجود آمدند نه سیانید و مسیرهای شیمیایی کاملا متفاوت هستند؛ بنابراین نمی‌توان دقیقا از همان مسیر به پیش رفت.

به عقیده‌ی نیک لین، استاد بیوشیمی تکاملی کالج لندن، مجراهای گرمابی در کف اقیانوس می‌توانند کاندید مناسبی برای آغاز حیات باشند. این ساختارهای مارپیچی مانند پناهگاهی دور از اقیانوس آزاد هستند؛ در این مجراها، جریان‌های غنی از مواد معدنی از شکاف‌های کوچک در پوسته‌ی زمین بیرون می‌زنند.

مجراهای گرمابی، مقدار زیادی منبع هیدروژنی دارند و اقیانوس‌های آغازین هم منبعی غنی از کربن‌دی‌اکسید بودند، بنابراین این مجراها احتمالا به منطقه‌ای ایده‌آل برای ترکیب این مواد شیمیایی تبدیل شدند. وقتی هیدروژن با کربن‌دی‌اکسید واکنش دهد، کربوکسیلیک اسید تولید می‌کند. با این فرآیندها، می‌توان به زنجیره‌های اسید چرب و آمینواسیدها رسید. زنجیره‌ی اسیدی چرب، مؤلفه‌ی اصلی غشاهای سلولی است.

روزنه‌های مرکزی مجراهای گرمابی هم نقشی حیاتی را در کاتالیز واکنش‌ بین هیدروژن و کربن‌دی‌اکسید ایفا می‌کنند. ساختار این مجراها به سلول شباهت دارد و دارای غشایی حاوی مواد معدنی سولفور آهن هستند. بخش خارجی حفره دارای بار مثبت نسبت به بخش داخلی است که به آن گرادیان پروتونی می‌گویند و دقیقا مشابه این فرآیند در سلول‌ها رخ می‌دهد.

ساختارهای سلول‌مانند، مانع بین واکنش هیدروژن و کربن‌دی‌اکسید را از بین بردند. هیدروژن و کربن‌دی‌اکسید هر دو گازهای نسبتا پایداری هستند و به‌راحتی با یکدیگر واکنش نمی‌دهند، اما ترکیب مواد معدنی آهن سولفور و گرادیان‌های پروتونی به واکنش‌پذیری آن‌ها انجامیدند.

پژوهشگرها در دهه‌ی گذشته، ثابت کردند مواد شیمیایی پربیوتیک می‌توانند تحت شرایط گرمابی شکل بگیرند. در سال ۲۰۱۹، لین و تیم او در UCL در ساخت نمونه‌های ساده‌ای از سلول‌های اولیه در محیطی مشابه با مجراهای گرمابی به موفقیت رسیدند.

بر اساس نظریه‌ای دیگر، سقوط شهاب‌سنگ‌ها احتمالا جرقه‌ی لازم برای شکل‌گیری ترکیب‌های زیستی اولیه را فراهم کرده است. شهاب‌سنگ‌ها حاوی سطح بالایی از فلزهایی مثل آهن، نیکل، کبالت و اورانیوم هستند که معمولا به عنوان کاتالیزور در زمین به کار می‌روند. وقتی یک شهاب‌سنگ وارد جو زمین شود، حرارتش بالا می‌رود و مواد فلزی‌اش اکسید می‌شوند.

پژوهشگرها در یک آزمایش، ذرات آهن را از شهاب‌سنگ‌ها و خاکستر آتشفشانی برداشتند و آن‌ها را با مواد معدنی که تصور می‌شود در زمین آغازین وجود داشتند ترکیب کردند. این مواد معدنی مانند نوعی ساختار پشتیبان عمل می‌کنند که ذرات آهن به آن‌ها می‌چسبند.

علاوه بر این، پژوهشگرها نشان دادند که هنگام ترکیب الدهیدها با دیگر موادشیمیایی موجود در جو آغازین زمین مثل سیانید، آمونیاک و گاز هیدروژن سولفید، اتفاق بسیار جالبی رخ می‌دهد. در واقع آن‌ها توانستند، مولکول‌های زیستی را تولید کنند که به‌صورت مستقیم ساختار خود را تغییر می‌دهند و کاتالیزی برای تولید دیگر مولکول‌های مشابه هستند.

مولکول‌های یادشده که کاتالیزورهای زیستی نامیده می‌شوند، در فرآیند انتخاب طبیعی وارد شدند. طی این فرآیند موفق‌ترین مولکول‌ها قادر به تکثیر شدند و نقشی حیاتی را در ظهور حیات ایفا کردند. پژوهشگرها لایه‌ای پنهان بین مولکول‌های زیستی کوچک آغازین و ترکیب‌های خودتکثیری مثل RNA پیدا کردند.

RNA چیست؟ امروزه این مولکول که تقریبا در هر سلولی پیدا می‌شود، نقشی مهم در تبدیل دستورالعمل‌های DNA ژنوم شما به پروتئین‌های کارکردی داخل سلول‌ها ایفا می‌کند. با این‌حال بسیاری از دانشمندان بر این باورند که مولکول‌های RNA در زمین آغازین قادر بودند خود را تکثیر کنند و وظایف بسیار زیادی از سلول‌های مدرن مثل کاتالیز شکل‌گیری پروتئین‌ها را انجام دهند.

مولکول‌های RNA در نهایت به شکل‌گیری ریبوزوم‌ها انجامیدند. ریبوزوم‌ها مانند کارخانه‌ای در سلول‌های بدن از اطلاعات DNA برای ساخت پروتئین‌ها استفاده می‌کند. بخش زیادی از ریبوزوم را RNA تشکیل می‌دهد.

دانشمندان درجریان آزمایشی در سال ۲۰۲۲، توانستند نسخه‌‌ی اولیه‌ی ریبوزوم را بسازند و چگونگی شکل‌گیری آن در زمین آغازین را نشان دهند. آدا یونات، سرپرست این آزمایش در سال ۲۰۰۹ برای شناسایی ساختار ریبوزوم، برنده‌ی جایزه‌ی نوبل شد. این ساختار دارای کیسه‌ای در قلب مولکول است. درون این کیسه که در ریبوزوم تمام موجودات زنده از باکتری‌ها تا انسان‌ها پیدا می‌شود، آمینواسیدها برای شکل‌گیری پروتئین به یکدیگر پیوند می‌خورند. این کیسه به آمینواسیدها اجازه می‌دهد در موقعیت دقیقی قرار بگیرند، به‌گونه‌ای که پیوند پپتیدی ایجاد شود. به گفته‌ی یونات، فرآیند آزمایشگاهی، دقیقا مشابه فرآیندی است که در طبیعت رخ داده است.

آیا آزمایش‌های یادشده ما را یک قدم به درک منشأ حیات نزدیک می‌کنند؟ فعلا چند توضیح احتمالی برای چگونگی شکل‌گیری ترکیب‌های زیستی وجود دارند: برخورد صاعقه، شهاب‌سنگ‌ها و مجراهای گرمابی. با این‌حال بازسازی موفق اولین ترکیبات حیات در آزمایشگاه می‌تواند تا حدی نشان دهد که چگونه این فرایند ممکن است در دیگر نقاط کیهان نیز اتفاق افتاده باشد.