گجت نیوز آخرین اخبار تکنولوژی، علم و خودرو 
پرسش از منشأ حیات همچنان یکی از جذابترین و پیچیدهترین معماهای علمی جهان است و ما در این مطلب ۷ فرضیه و نظریه علمی مهم را مرور میکنیم که هر یک تلاش دارند توضیح دهند زندگی چگونه بر زمین آغاز شد.
حیات روی زمین بیش از ۳ میلیارد سال پیش شروع شد و از موجودات بسیار ساده به دنیای پیچیده امروز رسید. اما هنوز مشخص نیست اولین جانداران دقیقاً چطور به وجود آمدند. دانشمندان نجوم و شیمی برای پاسخ به این پرسش، نظریههای مختلفی مطرح کردهاند. در این مطلب از رسانه گجت نیوز، ۷ درباره نظریه علمی منشأ حیات را مرور میکنیم.
بررسی 7 نظریه علمی درباره منشأ حیات زمین
موضوع «ابیوژنز» یا چگونگی پیدایش حیات از ماده بیجان، همچنان در هالهای از ابهام و دیدگاههای متناقض قرار دارد، تا جایی که حتی برای واژه «حیات» توافق نظری وجود ندارد و طبق مطالعات مجله Journal of Biomolecular Structure and Dynamics، بیش از ۱۲۳ تعریف متفاوت توسط محققان برای آن ارائه شده است.
با وجود دستاوردهای خیرهکننده علم در شاخههای گوناگون، بشر هنوز در درک نقطه آغازین هستی با تردید روبهروست. این آشفتگی علمی نشان میدهد که معمای حیات فراتر از یک پرسش ساده، چالشی بنیادین در فلسفه و علم است. برای واکاوی دقیقتر این مبحث پیچیده، در ذیل به بررسی نظریه علمی منشأ حیات میپردازیم که تلاش دارند پرده از راز چگونگی شکلگیری نخستین جرقههای زندگی بر روی سیاره زمین بردارند.
فرضیه جرقه الکتریکی و آزمایش میلر-یوری
در جستوجوی رمزگشایی از چگونگی گذار ماده بیجان و نظریه علمی منشأ حیات، با پرسشی بنیادی روبرو هستیم که مرز میان فیزیک، شیمی و زیستشناسی را درنوردیده و به یکی از پیچیدهترین معماهای تاریخ علم بدل شده است.
زمین در دوران نخستین خود، سیارهای بود که در بستری از آشوب، حرارت و انرژی اولین گامهای خود را به سوی سازمانیافتگی برمیداشت و در همین فضای متلاطم بود که نخستین جرقههای حیات ممکن است توسط پدیدههایی همچون رعد و برقهای سهمگین در جوی غلیظ و سرشار از گازهای کاهشیافته، روشن شده باشد؛ فرآیندی که در آن تخلیههای الکتریکی قدرتمند در اتمسفری مرکب از بخار آب، متان، آمونیاک و هیدروژن مانند موتورهای محرک واکنشهای سنتزی عمل کرده و پیشمادههای حیات یعنی آمینواسیدها و قندها را خلق کردند.
- کدام سیاره واقعاً عجیبترین عضو منظومه شمسی است؟
- آیا فرازمینیها در سایه زمین پنهان شدهاند؟
- کشف کروی بودن زمین ۲ هزار سال پیش از کلمب؛ اشتباه بزرگ تاریخ
این مفهوم که در دهه ۱۹۵۰ میلادی با آزمایش کلاسیک و سرنوشتساز میلر-یوری در معرض آزمون قرار گرفت، توانست نشان دهد که چگونه انرژی حاصل از جرقههای الکتریکی میتواند ساختارهای پیچیده آلی را از مواد اولیه سادهتر بازسازی کند.
هرچند که دیدگاههای نوینتر علمی بر این باورند که جو اولیه زمین شاید فاقد مقادیر کافی از هیدروژن بوده باشد، اما این تناقض با فرضیهای که نقش فورانهای آتشفشانی را در غنیسازی جو از ترکیبات حیاتی متان، آمونیاک و هیدروژن برجسته میسازد، تا حد زیادی مرتفع شده است؛ چرا که فعالیتهای تکتونیکی و آتشفشانی با گسیل کردن این گازها به جو، محیطی را فراهم کردند که در آن تجمع این مواد طی میلیونها سال، بستر لازم برای سنتزهای مولکولی پیشرفتهتر را مهیا ساخت.
نقش خاک رس در سازماندهی مولکولی
نظریهای دیگر با نگاهی متفاوت به بسترهای معدنی، به جایگاه خاک رس در فرآیند تکامل میپردازد که الکساندر گراهام کایرنز-اسمیت در دانشگاه گلاسکو آن را مطرح کرد و استدلال نمود که خاک رس نه صرفاً بستری خنثی، بلکه مانند یک ساختار ژنتیکی معدنی، نقش اولیه در سازماندهی مولکولهای آلی را ایفا کرده است.
کایرنز-اسمیت در اثر نظری و بحثبرانگیز خود در دهه هشتاد میلادی پیشنهاد داد که بلورهای خاک رس، به دلیل ساختار لایهای و توانایی در حفظ الگوهای ساختاری در هنگام رشد و تکثیر، قادر بودند مولکولهای آلی را در مکانهای فعال خود به دام انداخته و آنها را به شکلی نظاممند و تکرارشونده سازماندهی کنند؛ فرآیندی که شباهت ساختاری عمیقی به چگونگی ذخیره و انتقال اطلاعات ژنتیکی در دیانای دارد.
در حالی که کارکرد کلیدی DNA، ذخیرهسازی کدها و دستورالعملهای بیوشیمیایی برای چیدمان دقیق آمینواسیدها در سنتز پروتئینها است، کایرنز-اسمیت استدلال داشت که بلورهای معدنی رس در غیاب ساختارهای زیستی، پیشگامان این مدیریت اطلاعاتی بوده و با تحمیل نظم به ترکیبات آلی، زمینه را برای زمانی فراهم کردند که این مولکولهای پیچیده توانستند مدیریت ساختاری خود را از سنگهای معدنی تحویل گرفته و به استقلال عملکردی دست یابند.
این دیدگاه به عنوان یک ابزار فکری قدرتمند برای درک چگونگیِ ظهور نظم بیولوژیک مورد توجه قرار گرفته است، اما به دلیل دشواری در ارائه شواهد تجربی مستقیم از آن دوران، همچنان در زمره نظریههایی است که با تردید و بحثهای علمی فراوانی در جوامع آکادمیک روبرو بوده و جایگاه نهایی آن در تاریخ پیدایش حیات هنوز تثبیت نشده است.
- راز گرمای کره خاکی: آیا درون زمین یک خورشید پنهان وجود دارد؟
- آیا ژول ورن در ۱۶۰ سال پیش، مأموریت آرتمیس ۲ را ترسیم کرده بود؟
- راز ۵۰ ساله مرکز کهکشان فاش شد؛ سیاهچاله راه شیری چگونه کار میکند؟
دریچههای گرمابی و انرژیهای شیمیایی اعماق اقیانوس
با فاصله گرفتن از سطح زمین و نگاه به اعماق سیاه و فشرده اقیانوسها، دریچههای گرمابی به عنوان یکی از قویترین کاندیداها برای نظریه علمی منشأ حیات پدیدار میشوند که در آن، آبهای حاوی مواد معدنی و انرژیهای شیمیایی آزاد شده از هسته زمین، در میان صفحات واگرای قارهای، ساختارهای عجیب و شگفتانگیزی را ایجاد کردهاند.
این دریچهها با فوران محلولهای داغ و غنی از گازها و ترکیبات محلولی همچون کربن و هیدروژن، محیطی متمرکز و سرشار از کاتالیزورهای معدنی فراهم میآورند که در آن، واکنشهای شیمیایی دشوار سنتز، بسیار محتملتر از هر جای دیگری در زمین آن دوران به نظر میرسد.
در واقع، این برآمدگیهای سنگی نه تنها بستر فیزیکی لازم برای گردهمایی و افزایش غلظت مولکولهای پیشحیاتی را فراهم میکنند، بلکه با ایجاد جریانهای الکتروشیمیایی و گرادیانهای انرژی، موتورهای بیوشیمیایی لازم برای پیشبرد فرآیندهای حیاتی را مهیا میسازند؛ به طوری که حتی امروزه نیز، این دریچهها میزبان اکوسیستمهایی هستند که به دور از تابش خورشید، بر پایه انرژیهای شیمیایی زندگی خود را بنا کردهاند.
نقش محیطهای یخی و پایداری مولکولها در دماهای پایین
تضاد دمایی و نقش سرما نیز به عنوان یک عامل تثبیتکننده در منشأ حیات مطرح است، چرا که برخلاف تصور عامه یخ میتواند به عنوان یک پناهگاه شیمیایی عمل کرده و در دورانی که زمین شاید درگیر عصر یخبندانهای سراسری بوده، شرایط لازم برای پیدایش حیات را تسهیل کرده باشد.
جفری بادا و دیگر پژوهشگران استدلال میکنند که پایداری مولکولهای آلی کلیدی در دماهای پایین، به مراتب بیشتر از دماهای بالاست و در شرایط انجماد غلظت این ترکیبات در محیطهای مایع محصور شده در میان بلورهای یخ، به قدری افزایش مییابد که شانس انجام واکنشهای بیوشیمیایی، بسیار فراتر از محیطهای رقیق آبی است.
علاوه بر این، لایههای یخی به عنوان یک سد محافظتی، از مولکولهای ظریف آلی در برابر تخریب پرتوهای فرابنفش و تشعشعات کیهانی که در غیاب جو محافظ کنونی زمین، بسیار سهمگینتر بودهاند، محافظت کرده و امکان تداوم و تکامل واکنشهای حیاتی را در زمانی که محیط بیرون به هیچوجه ایمن نبوده، فراهم میکردند.
پارادوکس ژنتیکی و فرضیه دنیای RNA
وقتی بحث به پیچیدگی کنونی سیستمهای ژنتیکی میرسد، پارادوکس «مرغ و تخممرغ» میان DNA و پروتئینها نمایان میشود؛ چرا که برای تشکیل DNA به پروتئینهای کاتالیزور نیاز است و برای ساخت پروتئینها، به کدهای ژنتیکی ذخیره شده در DNA احتیاج داریم. تئوری دنیای RNA به عنوان راهکار این گرهافکنی بیولوژیک مطرح میشود؛ مولکولی که هم توانایی ذخیرهسازی اطلاعات همانند DNA و هم قابلیت کاتالیزوری همانند پروتئینها را داراست.
در این سناریو، جهان نخستین حیات، عصری را تجربه کرده که در آن RNA محور همه فعالیتها بوده است، تا اینکه بعدها ساختارهای کارآمدتر DNA و پروتئینها، مسئولیتهای ژنتیکی و متابولیک را بر عهده گرفته و RNA را به نقشهای ثانویه مانند تنظیم ژنی محدود کردند.
با این حال، پرسش در مورد منشأ خود RNA همچنان به عنوان یک معمای بیپاسخ در فضای علمی باقی مانده است، به طوری که گروهی از دانشمندان بر این باورند که این مولکول میتواند به صورت تصادفی و خودبهخودی در شرایط محیطی زمین پدید آمده باشد، در حالی که گروهی دیگر احتمال آن را به قدری پایین میدانند که جستوجوی مکانیسمهای سادهتری را ترجیح میدهند.
مدل متابولیسم اول و تکامل چرخههای شیمیایی
در رویکردی جایگزین، مدل «متابولیسم اول» پیشنهاد میدهد که حیات به جای شروع از مولکولهای اطلاعاتی پیچیدهای همچون RNA، مسیر تکامل خود را از ساختارهای مولکولی بسیار کوچکتر آغاز کرده که در چرخههایی از واکنشهای شیمیایی در درون کپسولهایی شبیه به غشاهای سلولی اولیه، محصور بودهاند.
این کپسولها محیطی ایزوله و محافظتشده را ایجاد میکردند که به مولکولهای ساده امکان میداد تا از طریق تعاملات مداوم، به تدریج به سیستمهای پیچیدهتر و با بهرهوری بالاتر ارتقا یابند که در این مدل، تکامل نه با کپیبرداری اطلاعات، بلکه با بهینهسازی چرخههای متابولیک آغاز میشود.
- آیا در مریخ هم رعدوبرق وجود دارد؟
- مریخ چگونه از سیارهای مرطوب به بیابانی سرد تبدیل شد؟
- رازهای تکاندهندهای که ثابت میکنند ماه ممکن است یک سازه مصنوعی باشد!
فرضیه پاناسپرمیا و منشأ کیهانی حیات
اما فراتر از تمامی این جستوجوها در مرزهای سیاره خودمان، فرضیه پاناسپرمیا پیشنهاد میدهد که شاید منشأ حیات اصلاً در زمین نباشد و بذرهای آن توسط شهابسنگها یا دنبالهدارها از دیگر نقاط کیهان به زمین منتقل شده باشد. هرچند که حتی در صورت اثبات این نظریه، معمای اصلی چگونگی پیدایش حیات، تنها از زمین به دیگر نقاط کهکشان منتقل شده و پرسش «چگونه حیات پدید آمد» همچنان مطرح باقی میماند.
این جستوجو برای درک منشأ حیات، ترکیبی است از علم تجربی، تخیل نظری و پیگیری بیوقفه برای پاسخ به بنیادیترین حقیقت وجودِ ما؛ حقیقتی که در آن، شاید هر یک از این نظریهها بخشی از یک پازل بسیار بزرگتر باشند که در آن ماده در طول زمان و در شرایط بسیار متنوع، ناگزیر به سوی پیچیدگی و زندگی حرکت میکند و ما هنوز در پی یافتن قطعهای هستیم که این سناریوی شگفتانگیز را به هم متصل میکند.
جمعبندی نهایی
اگر به چیدمانِ این نظریهها نگاه کنیم، درمییابیم که هرکدام سعی دارند با تکیه بر جنبهای از فیزیک یا شیمی، راهکاری برای غلبه بر «آنتروپی» ارائه دهند؛ در آزمایش میلر-یوری، انرژی الکتریکی مانند ابزاری برای فائق آمدن بر موانع انرژی فعالسازی عمل میکند، در نظریه کایرنز-اسمیت، ساختارهای بلوری رس به عنوان الگوی نظمبخش ظاهر میشوند تا دادههای خام را به کدهای سازمانیافته بدل کنند و در دریچههای گرمابی، گرادیانهای شیمیایی و حرارتی نیروی پیشران لازم برای سازماندهیِ بیوشیمیایی را تأمین مینمایند.
هر یک از این محیطهای پیشنهاد شده، یعنی جو متلاطم، بسترهای معدنی خاک رس، اعماق تاریک اقیانوسها و یا حتی محیطهای یخی، ویژگیهای متمایزی دارند که میتوانند شرایط لازم برای گذار از شیمی غیرزنده به زیستشناسی را فراهم کنند.
اما نکته حائز اهمیت این است که تضاد میان مدل «ژن نخست» که بر دنیای RNA تأکید دارد، با مدل «متابولیسم اول» که بر اولویت واکنشهای شیمیایی اصرار میورزد، نشاندهنده دو مسیر فکری متفاوت برای درک سازماندهیِ حیات است؛ در حالی که اولی بر اطلاعات و توانایی تکثیر تأکید دارد، دومی بر کارکرد و توانایی سوختوساز متمرکز است و این تقابل، خود هسته اصلی بحثهای علمی در خصوص نظریه منشأ حیات را شکل میدهد.