زندگی چگونه بوجود آمد؟

زندگی چگونه بوجود آمد؟ این سوالیست که با وجود همه‌ی پیشرفت‌ها در علم و فناوری، هنوز کسی به درستی پاسخش را نمی‌داند. ما موجودات زنده را فقط روی زمین دیده‌ایم و هنوز جای دیگری در عالم نشانه‌ای از زندگی پیدا نکرده‌ایم. زمین حدود ۴٫۵ میلیارد سال پیش از سحابی اولیه‌ای که خورشید و کل منظومه‌ی شمسی را بوجود آورد، تشکیل شد. زمین جوان اصلا شبیه به زمین زیبای امروزی ما نبود و به معنی واقعی کلمه یک جهنم بود. جهنمی مذاب که دائما توسط سنگ‌های آسمانی بمباران می‌شد. حتی طبق فرضیه‌ای قدرتمند، اندک زمانی پس از شکل‌گیری زمین، سیاره‌ای به اندازه‌ی مریخ به زمین برخورد کرد و با پخش کردن مواد پوسته‌ی زمین در فضا، باعث بوجود آمدن ماه شد. با این حال شواهد نشان می‌دهند که تنها چند میلیون سال پس از پیدایش زمین، سر و کله‌ی اولین موجودات زنده پیدا شد. این موجودات زنده چگونه بوجود آمدند؟ آیا آن‌ها به ناگهان از مواد شیمیایی و عناصر موجود روی زمین پیدا شدند؟ آیا سنگ‌های آسمانی که به زمین برخورد می‌کردند از جایی دوردست در فضا موجودات زنده را به زمین آوردند؟ این‌ها پرسش‌هاییست که علم تجربی سال‌هاست به دنبال یافتن پاسخ آن‌ها می‌گردد، ولی هنوز چیز زیادی بدست نیاورده است. با دیجی‌کالا مگ همراه باشید.

زندگی چگونه بوجود آمد؟ طی هزاران سالی که انسان هوشمند این سوال‌ را از خودش پرسیده، پاسخ‌های متعددی به آن داده است. یکی از پاسخ‌هایی که خیلی متداول بود، چیزیست که آن را به نام خلق‌الساعه می‌شناسیم. این نظریه تقریبا از زمان ارسطو رایج شد. ارسطو می‌گفت که مثلا اگر در یک انبار کاه مقداری گندم و پارچه‌ی کهنه بگذارید، بعد از چند روز آن‌جا موش بوجود می‌آید! خوب این نظریه الان مسخره به نظر می‌رسد؛ چطور ممکن است از چیزهایی مثل کاه و پارچه‌ی کهنه به یکباره موجودی زنده پیدا شود. قطعا موش‌ها از بیرون انبار می‌آیند و صرفا به دنبال غذا و مکان مناسبی برای زندگی هستند. ولی جالب است بدانید که اگر در تاریخ زمین میلیاردها سال عقب برویم، به احتمال زیاد شاهد بوجود آمدن موجودات زنده از عناصر غیر زنده هستیم.

برای هزاران سال انسان به خلق‌الساعه باور داشت. یعنی موجودات زنده به یکباره از چیزهای غیرزنده بوجود می‌آیند.

جهنم واقعی

برای رسیدن به سپیده‌دم حیات باید تقریبا ۴ میلیارد سال عقب برویم. دورانی که اتمسفر زمین غلیظ و پر از کربن دی‌اکسید بود و خورشید هم درخشندگی کنونی‌اش را نداشت. منظومه‌ی شمسی تازه در حال تشکیل شدن بود و هنوز سنگ‌های آسمانی سرگردان زیادی در آن وجود داشت. این سنگ‌های سرگردان، مرتب سطح زمین را بمباران می‌کردند. دانشمندان از این دوران با نام دوره‌ی «بمباران سنگین» یاد می‌کنند. برخورد سنگ‌های بزرگ و کوچکی که قطر بعضی از آن‌ها حتی تا ۴۵۰ کیلومتر هم می‌رسید، پوسته‌ی زمین را به طور کامل مذاب کرده بود.

به نظر می‌رسد که در این دمای فوق‌العاده زیاد و محیط سمی، هیچ موجود زنده‌ای نمی‌تواند دوام بیاورد. ولی اکنون دانشمندان فکر می‌کنند که آجرهای اولیه‌ی سازنده‌ی حیات در همین محیط‌ جهنمی بوجود آمد. الان هم می‌توان در بعضی از نقاط زمین، مکان‌هایی پیدا کرد که شبیه به زمین اولیه هستند. در جنوب مکزیک و در دل جنگل‌های استوایی، غاری به نام «کوئوا دو ویلا لوز» (Cueva de Vilaa Luz) وجود دارد که محیط آن مملو از هیدروژن سولفید است. ۴ میلیارد سال پیش، زمین پر از هیدروژن سولفید بود. محیط درونی این غار برای موجودات زنده از جمله انسان به شدت کشنده است. ولی به طرزی شگفت‌آور در اعماق همین غار می‌توان انواعی از موجودات زنده پیدا کرد؛ موجوداتی که با محیط سمی غار سازگار شده‌اند. گاز هیدروژن سولفید از منافذی در زیر غار سرچشمه می‌گیرد، با اکسیژن موجود در آب واکنش می‌دهد و دیواره‌ی درونی غار را با اسید سولفوریک می‌پوشاند. در این غار میلیاردها میلیارد باکتری‌ که حیات آن‌ها وابسته به هیدروژن سولفید است، در کولونی‌های عجیبی گرد هم آمده‌اند. باکتری‌ها انرژی شیمیایی هیدروژن سولفید را استخراج می‌کنند. باکتری‌ها از جمله باستانی‌ترین و معمول‌ترین موجودات زنده‌ی روی زمین هستند. مانند دیگر موجودات زنده، آن‌ها هم رشد می‌کنند، با محیط خود سازگار می‌شوند و تولید مثل می‌کنند. در هرکدام از این موجودات تک‌سلولی، مولکول DNA وجود دارد. DNA به باکتری‌ها اجازه می‌دهد که تکثیر شوند. شرایط اولیه‌ی زمین از شرایط این غار خیلی بدتر بوده و این نشان می‌دهد که بعضی از انواع حیات می‌توانند در محیط‌های فوق‌العاده سخت حضور داشته باشند.

زمین اولیه شرایطی کاملا جهنمی داشت. ولی به نظر می‌رسد که حیات در همین محیط توانسته بوجود بیاید.

شیمی زندگی

ولی باز هم به این سوال که موجودات زنده از کجا آمده‌اند، پاسخ داده نشد. بیش از ۱۰۰ سال است که دانشمندان می‌دانند حیات احتمالا در نتیجه‌ی فعل و انفعالاتی شیمیایی بوجود آمده است. یعنی یک سری مواد شیمیایی به مقدار و شکل مناسب باید با هم ترکیب شوند تا موجود زنده بوجود بیاید. همه‌ی موجودات زنده، از باکتری گرفته تا موش، کبوتر و زرافه از تعدادی عنصر شیمیایی محدود درست شده‌اند. هیدروژن، اکسیژن، کربن و نیتروژن چهار عنصر فراوان در جهان هستند. اگر این چهار عنصر را (بعلاوه‌ی تعدادی دیگر از عناصر جدول تناوبی) به شکل و مقدار مناسب کنار هم قرار دهید، مواد اولیه‌ی ضروری برای حیات بوجود می‌آید. کربن ماده‌ی سازنده‌ی اصلی موجودات زنده است. چیزی که کربن را خیلی خاص می‌کند این است که می‌تواند با خودش و دیگر عناصر پیوندهای خیلی زیاد و متنوع بسازد. هیچ اتم دیگری مثل کربن نمی‌تواند این چنین ترکیبات متنوعی بسازد.

ایده‌ی اینکه حیات با ترکیب کربن و دیگر عناصر بوجود می‌آید، اولین بار در دهه‌ی ۱۹۵۰ توسط دانشمندی به نام «استنلی میلر» آزمایش شد. او شرایط زمین اولیه را در آزمایشگاه بازسازی کرد. یعنی ظروف شیشه‌ای را با لوله‌هایی به هم متصل کرد تا چرخه‌ی کامل تبخیر آب از اقیانوس‌ها، ورود بخار به اتمسفر و بارش را بوجود آورد. سپس ظرف شیشه‌ای محتوی هوا را با گازهایی پر کرد که فکر می‌کرد در زمین اولیه وجود داشتند. در همان ظرف الکترودهایی قرار داد تا با جرقه‌ زدن، نوعی رعد و برق مینیاتوری بسازد. بعد از چند روز که سامانه‌ی زمین مصنوعی میلر کار کرد، متوجه بوجود آمدن ماده‌ای عجیب درون ظروف شیشه‌ای شد. این ماده را آزمایش کرد و فهمید که چیزی نیست جز «آمینو اسید». آمینو اسیدها ترکیباتی هستند که از اتصال اتم‌های کربن با دیگر اتم‌ها بوجود می‌آیند. آن‌ها آجرهای سازنده‌ی پروتیین‌ها هستند. پروتیین‌ها به وفور در سلول‌های موجودات زنده وجود دارند. خبر این آزمایش مثل بمب در روزنامه‌ها منفجر و تیتر اصلی رسانه‌های مختلف شد. در ضمن این آزمایش پایه و اساس تحقیقات منشاء حیات را در سال‌های آینده ساخت.

میلر در آزمایشگاه شرایط شبیه به زمین اولیه را بوجود آورد و در کمال تعجب شاهد بوجود آمدن آمینواسید، آجر سازنده‌ی پروتیین‌ها بود.

با این حال کاری که میلر کرد اکنون تا حد خیلی زیادی محل مناقشه است. بسیاری از دانشمندان فکر می‌کنند که شرایط زمین اولیه با آن‌چه میلر در آزمایشگاه بازسازی کرد خیلی متفاوت است. مشکل دیگر این است که زمین اولیه مرتب توسط سنگ‌های آسمانی بمباران می‌شد و علی‌الاصول این برخوردها باید از شکل‌گیری مولکول‌های اولیه‌ی لازم برای پیدایش حیات جلوگیری می‌کردند. ولی تحقیقات نشان می‌دهند که زندگی دست کم از ۳٫۸ میلیارد سال پیش وجود داشته است.

نشانه‌های زندگی

نشانه‌های حیات باستانی را می‌توان در غرب گرینلد مشاهده کرد. بعضی از صخره‌های موجود در غرب گرینلد از نظر زمین‌شناسی فوق‌العاده با ارزش هستند و قدمت آن‌ها به ۳٫۷ تا ۳٫۹ میلیارد سال پیش می‌رسد. قطعا این صخره‌ها آن‌قدر قدیمی هستند که هیچ فسیلی از موجودات زنده در آن‌ها باقی نمانده است. با این حال دانشمندان آن‌جا چیزی عجیب‌تر، یعنی ردپای شیمیایی میکروب‌های باستانی پیدا کردند. آن‌ها در این صخره‌ها ایزوتوپ‌هایی از کربن پیدا کردند که توسط موجودات زنده بوجود می‌آیند. بنابراین نتیجه گرفتند که زمان بوجود آمدن این صخره‌ها یعنی ۳٫۸ میلیارد سال پیش، در این منطقه حیات وجود داشته است. البته پژوهش‌های دقیق‌تر در صخره‌های پر از کربن، پیشینه‌ی حیات را حتی تا ۴ میلیارد سال هم عقب می‌برد.

ولی شرایط خیلی سخت و برخوردهای عظیم سیارکی در زمین اولیه این فکر را به ذهن دانشمندان ‌آورد که شاید حیات اصلا روی زمین شکل نگرفت؛ بلکه توسط همان سنگ‌های آسمانی از فضا به زمین آمد. اکنون می‌دانیم که در دوردست‌های منظومه‌ی شمسی منطقه‌ای پر از سنگ‌ها و صخره‌های کوچک و بزرگ به نام کمربند کوییپر وجود دارد که از ۴٫۵ میلیارد سال پیش و زمان تشکیل منظومه‌ی شمسی باقی مانده است. گاهی اوقات راه بعضی از این سنگ‌ها به داخل منظومه‌ی شمسی کج می‌شود و خیلی اتفاقی، بعضی از آن‌ها به سطح زمین برخورد می‌کنند. در سال ۱۹۶۹ یکی از این سنگ‌ها در استرالیا فرود آمد. دانشمندان بعد از بررسی دقیق این سنگ متوجه شدند که در آن مولکول‌های آمینواسید وجود دارد. این اولین بار بود که در یک سنگ فضایی می‌توانستیم چنین مولکولی پیدا کنیم. اگر چنین سنگ‌هایی در فضا معمول هستند، در ابتدای پیدایش زمین که بمباران خیلی شدید بوده می‌توانستند حجم بسیار زیادی از مولکول‌های زندگی را روی زمین بیاورند. تا به حال بیش از ۷۰ نوع آمینو اسید در شهاب‌سنگ‌ها پیدا شده است. بسیاری از آن‌ها اجزای اصلی سازنده‌ی پروتیین‌ها هستند که در موجودات زنده یافت می‌شوند. به خصوص بعضی از دنباله‌دارهایی که در ابتدا به زمین برخورد می‌کردند به اندازه‌ی کوه‌های بزرگ اندازه داشتند و می‌توانستند پر از ترکیبات زیستی باشند.

با این حال شدت برخورد این اجرام خیلی زیاد بوده و این ابهام وجود دارد که به هنگام برخورد ممکن است این ترکیبات نابود شده باشند. مثلا در آریزونای آمریکا دهانه‌ی برخوردی بزرگی به قطر ۱٫۲ کیلومتر و عمقی به اندازه‌ی یک برج ۶۰ طبقه وجود دارد که بر اثر برخورد یک شهاب‌سنگ در ۵۰ هزار سال پیش بوجود آمده است. آن‌قدر انرژی این برخورد زیاد بوده که همان لحظه تقریبا همه‌ی شهاب‌سنگ بخار شده است. وقتی سنگی بزرگ با این انرژی به زمین برخورد می‌کند چه بر سر آمینو اسیدها می‌آید؟

در صحرای آریزونا دهانه‌ی بزرگی وجود دارد که بر اثر برخورد شهاب‌سنگ درست شده است. آجرهای سازنده‌ی حیات شاید با همین شهاب‌سنگ‌ها به زمین آمدند.

دانشمندی به نام «جنیفر بلنک» دستگاهی برای شبیه‌سازی شدت برخورد سنگ‌های آسمانی به زمین ساخت و خواست امتحان کند و ببیند که آیا آمینو اسیدها از این برخورد عظیم جان سالم به در می‌برند یا خیر. آن‌ها تفنگ بزرگی ساختند که گلوله‌ای را با سرعت ۸۰۰۰ کیلومتر بر ساعت به سوی کپسولی فولادی که در آن پنج نوع آمینو اسید وجود داشت شلیک می‌کرد. دو تای آن‌ها در همه‌ی سلول‌های زنده وجود دارند. بدین ترتیب فشار شدید ناشی از برخورد دنباله‌دار شبیه‌سازی می‌شد. این آزمایش نشان داد که نه تنها آمینو اسیدها از این برخورد جان سالم به در ‌بردند، بلکه اتفاق خیلی عجیب‌تری هم ‌افتاد. محلول آمینو اسید به رنگ قهوه‌ای در آمده و مولکول‌های آن به هم پیوسته بودند تا موکول‌های پیچیده‌تر و بزرگتری به نام «پپتیدها» بوجود آیند. در حقیقت آمینو اسیدها از انرژی ناشی از برخورد، برای ترکیب شدن با یکدیگر و ساختن پپتیدها استفاده کردند. پپتیدها با اتصال به یکدیگر پروتیین‌ها را می‌سازند. پروتیین‌ها مواد سازنده‌ی سلول‌های بدن ما هستند.

دنیای RNA و همه‌ی آن‌چه نمی‌دانیم

با این حال همچنان جهش از این مولکول‌های غیر زنده به موجودات زنده‌ای که دارای مولکول‌ DNA هستند و تولید مثل می‌کنند، فوق‌العاده پیچیده است و هنوز از آن چیز زیادی نمی‌دانیم. به هر صورت یکی از ویژگی‌های اصلی و ضروری موجودات زنده، توانایی همانندسازی یا همان تولید مثل است. چه این همانندسازی مثل باکتری‌ها با تقسیم سلولی انجام شود و چه مثل پستانداران بزرگ با تولید مثل جنسی و بچه‌زایی. هیچ کس نمی‌داند این فرایند چگونه شروع شد و چه مراحلی را طی کرد. هنوز کسی نتوانسته در آزمایشگاه از عناصر غیر زنده، موجود زنده بوجود بیاورد. در دهه‌ی ۱۹۶۰ میلادی، بعضی از دانشمندان فکر کردند که شاید اولین مولکول‌ همانند ساز، یعنی مولکولی که می‌تواند مثل خودش را بسازد، RNA همان خویشاوند نزدیک DNA است.

پروتیین نقشی اساسی در بوجود آمدن موجودات زنده دارد. پروتیین‌ها می‌توانند به اشکال مختلف و خیلی پیچیده در بیایند و تقریبا هر کاری بکنند. مثلا به عنوان آنزیم عمل کنند. آنزیم‌ها موادی هستند که به عنوان کاتالیزور گستره‌ی بزرگی از واکنش‌های شیمیایی عمل می‌کنند. با این حال اطلاعات لازم برای ساخته شدن پروتیین‌ها در مولکول‌های DNA وجود دارد. بدون DNA پروتیین‌های جدید بوجود نمی‌آیند و بدون پروتیین هم DNA جدید بوجود نمی‌آید. بنابراین کدام اول بوجود آمد، پروتیین یا DNA؟

در دهه‌ی ۱۹۶۰، کشف اینکه مولکول‌های RNA می‌توانند تا حدودی مثل پروتیین‌ها عمل کنند، یک پاسخ جالب را به ذهن دانشمندان آورد. اگر RNA می‌توانست واکنش‌ها را کاتالیز و همزمان اطلاعات را ذخیره کند، بعضی از مولکول‌های RNA باید می‌توانستند مولکول‌های RNA بیشتری بسازند. بنابراین RNA‌های همانندساز نیازی به پروتیین‌ها نداشتند. آن‌ها می‌توانستند خودشان همه کار انجام دهند. مشخص شد که RNA یک مولکول همه‌ فن حریف است. این یک دستاورد بزرگ برای این ایده که زندگی ابتدا از مولکول‌های RNA تشکیل شده، بود. به این ایده، «فرضیه‌ی دنیای RNA» می‌گویند.

به نظر می‌رسد پیش از DNA، موجودات زنده فقط دارای RNA بودند. با این حال دقیقا مشخص نیست خود RNA چگونه بوجود آمد.

با این حال این ایده هم یک مشکل بزرگ دارد. نمی‌دانیم مولکول‌های RNA چگونه بوجود آمدند. آیا قبل از آن مولکول‌هایی ساده‌تر با توانایی همانند سازی وجود داشتند؟ بعضی از دانشمندان فکر کنند RNA اولین همانندساز نبوده است. شاید قبل از دنیای RNA، دنیایی به نام TNA، PNA یا ANA وجود داشته است. این‌ها همه مولکول‌هایی شبیه به RNA هستند که به نظر می‌رسد اجزای آن‌ها احتمال بیشتری برای بوجود آمدن خود بخودی داشته باشد. مشکل اینجاست که اگر زندگی به یکی از این شکل‌ها بوجود آمده، شواهدی برای آن وجود ندارد. با تمام این اوصاف، سوالات زیادی باقی می‌ماند. از جمله اینکه اولین مولکول‌های همانندساز دقیقا کجا ظاهر شدند؟ حیات اولیه چه شکلی بود؟ انتقال به DNA و پروتیین‌ها به چه صورت بود و کدهای ژنتیکی چگونه بوجود آمدند؟ تا جایی که می‌دانیم هیچ فسیلی از تقسیم شونده‌های اولیه وجود ندارد.

پناهگاه زندگی

هرچند نمی‌توانیم دقیقا بگوییم زندگی چگونه بوجود آمد، ولی تا حدودی می‌توانیم مکان پیدایش آن را حدس بزنیم. شاید از آن‌جایی که سطح زمین مرتب بمباران می‌شده و مجالی برای شکل‌گیری حیات باقی نمی‌گذاشته، زندگی جایی زیر زمین گسترش یافته است. مثلا احتمالا بستر اقیانوس‌ها مکان خیلی خوبی برای پناه گرفتن موجودات زنده بوده است. در زمین اولیه فعالیت‌های آتشفشانی خیلی زیاد بوده و مواد شیمیایی مرتب از کف اقیانوس‌ها بیرون می‌زدند. الان هم جاهایی در بستر اقیانوس، پدیده‌هایی به نام «پنجره‌های گرمابی» وجود دارد. یعنی مکان‌هایی که آب گرم و ترکیباتی شیمیایی از منافذی در کف اقیانوس فوران می‌کنند. علی‌رغم عدم وجود نور خورشید، موجودات زنده‌ی مختلفی در کنار این پنجره‌ها زندگی می‌کنند. در زمین اولیه حیات می‌توانسته در محیط‌هایی مشابه زنده بماند. مشخص شده بعضی از موجودات زنده‌ای که اکنون در کنار این پنجره‌ها می‌بینیم از نظر ژنتیکی با آن موجودات باستانی قرابت دارند.

تقریبا ۳٫۵ میلیارد سال پیش بمباران شدید دنباله‌دارها و سیارک‌ها متوقف شد. اکنون دیگر حیات می‌توانست روی سطح زمین بیاید و نفس راحتی بکشد. وقتی حیات روی سطح آمد توانست از یک منبع انرژی بزرگ، یعنی نور خورشید بهره بگیرد. روی سطح زمین میکروب‌ها دارای کلروفیل و در نتیجه قابلیت فتوسنتز شدند. آن‌ها می‌توانستند نور خورشید را به دام بیندازند و با استفاده از کربن دی‌اکسید و آب، غذا درست کنند. در نتیجه باکتری‌های فتوسنتز کننده توانستند تقریبا بدون محدودیت رشد و تولید مثل کنند. این روشی است که اکنون تمام گیاهان سبز به آن تکیه دارند.

بعد از توقف بمباران سنگ‌های آسمانی، حیات توانست روی سطح زمین گسترده شود. فسیل‌های ۳٫۵ میلیارد ساله‌ی استروماتولیت نشانه‌ی این پدیده هستند.

اکنون دیگر چهره‌ی زمین عوض شده بود. حیات در همه‌ی زمین پخش شد. در منطقه‌ای از استرالیا عوارضی وجود دارد که نشانه‌ی این تغییر بزرگ هستند. ساختارهای گنبدی شکلی به نام «استروماتولیت» که طی هزاران سال توسط میکروب‌هایی به نام سیانوباکترها ایجاد شده‌اند. سیانوباکترها از نوادگان همان میکروب‌هایی هستند که میلیاردها سال پیش همه‌ی سطح سیاره‌ی زمین را اشغال کرده بودند. در استرالیا و مناطقی از جهان می‌توان صخره‌هایی را دید که از ۳٫۵ میلیارد سال پیش باقی‌مانده‌اند و فسیل‌های استروماتولیت در آن‌ها دیده می‌شود. فسیل‌های استروماتولیت نشان می‌دهند که دست کم از ۳٫۵ میلیارد سال پیش سیانوباکترها وجود داشته‌اند. البته یافته‌های جدید از کشف فسیل‌های استروماتولیت تا ۳٫۶ و ۳٫۷ میلیارد سال قبل هم خبر می‌دهند.

سیانوباکترها تغییری بزرگ در زمین بوجود آوردند. فتوسنتز آن‌ها اکسیژن بوجود آورد. اکسیژن تولیدی سیانوباکترها در اتمسفر جمع شد و شکل زمین ما را عوض کرد. آن‌ها میزان اکسیژن اتمسفر را از کمتر از یک درصد به ۲۱ درصد رساندند. این اتفاق حدود ۵۶۰ میلیون سال پیش روی داد. بدون سیانوباکتر‌ها اکسیژن وجود نداشت و هیچ‌کدام از حیوانات بوجود نمی‌آمدند. اکسیژن همچنین با تشکیل اوزون حیات را از گزند پرتوهای خطرناک فرابنفش خورشید که به DNA آسیب می‌رسانند در امان نگه داشت. به دلیل وجود لایه‌ی اوزون حالا زندگی فرصت این را داشت که به موجودات زنده‌ی پیچیده‌تر مجال بودن بدهد. موجودات زنده‌ی خیلی پیچیده‌ای که می‌توانند از خودشان سوال کنند، زندگی چگونه بوجود آمد؟

منبع: Wikipedia ,Newscientist, pbs Nova