منشأ حیات

سپتامبر 17, 2008 at 2:52 ب.ظ. (نوشتار, علمي)

 

 

مقدمه: در ابتدا بیگ بنگ بود و سپس فیزیک پدیدار گشت. سپس در دماهای پایین تر شیمی پا به عرصه نهاد. ذرات اتم ها را شکل دادند. اتم ها با هم ترکیب شده و مولکول ها را ساختند. مولکول ها با هم همراه شدند و اولین الیگومرها و پلیمرهای حیاتی مانند اسیدهای نوکلئیک، لیپیدها، الیگو ساکاریدها و الیگوپپتیدها (نه حیات) را شکل دادند. این مولکول های حیاتی با هم همراه شده و ساده ترین اشکال حیات را که شامل یک غشاء سادۀ لیپیدی محتوی آب و پلیمرهای حیاتی بود شکل دادند. این سلول های ساده که امروزه به دلیل جو اکسیداتیو کنونی زمین قابلیت حیات ندارند و به کلی منقرض شده اند پایه گذارحیات و تکامل بودند. این یک شمای کلی و بسیار ساده ازنحوۀ پیدایش حیات بر روی زمین است (نظریۀ اوپارین) که تمرکز آن بر روی غشاء لیپیدی است. البته نظریات جدیدتر بر روی  RNAبه عنوان اولین پلیمر بنیان گذار حیات تاکید دارند و غشائ لیپیدی را ساختاری پیچیده می دانند که احتمالاً بعدها توسط خود RNA دستورتولید آن صادر گردید و RNAرا به عنوان ژنوم در بر گرفت.

 

هنگامی که زمین در 6/4 میلیارد سال پیش شکل گرفت، کاملاً عاری از حیات بود. 1 میلیارد سال پس از آن موجوداتی مانند جلبک های سبز-آبی پدیدار گشتند. ولی همواره این سؤال وجود داشت که این موجودات از کجا آمده اند؟ به عبارت دیگر حیات از کجا آغاز شد؟ این پرسش بزرگ ادامه یافت و منجر به آزمایشاتی شد که اکثر آنها بر روی این نکته تأکید داشتند که RNA به دلیل توانایی خود تکثیری نقش بسیار بزرگی را در تکامل بازی کرده است.

 

تردید در نظریات قدیمی: تا پیش از قرن 17 بیشتر مردم گمان می کردند خدا، انسان و سایر موجودات عالی را آفریده است و موجودات ابتدایی تر مانند حشرات و میکرو ارگانیسم ها به صورت خودبه خودی از مواد در حال فساد ایجاد می شوند ( لازم به توضیح است که از آنجایی که جلبک ها و قارچ ها جزء میکروارگانیسم ها به شمار می روند، میکروارگانیسم ها در آن زمان شناخته شده بودند). طی دو قرن پس از آن، این باورها به شدت زیر سوأل قرار گرفتند و در اواسط قرن 19 دو دانشمند برجسته یعنی لوئی پاستور و چارلز داروین پیشرفت هایی را در شناسایی منشأ حیات سبب شدند (1).

 

در ابتدا لوئی پاستور مفهوم تولید خودبه خودی را زیر سوأل برد و شواهدی را ارائه داد که حتی باکتری ها نیز از والدینی نظیر خود ایجاد می شوند و این سؤال را مطرح کرد که اولین نسل هر گونه از کجا آمده است؟

 

دومین دانشمند چارلز داروین بود که با بررسی شباهت بین گونه ها نظریۀ انتخاب طبیعی را مطرح کرد و به دنبال این نظریه نظریات دیگری نیز مطرح شد که از اصول تکامل محسوب می شوند. از جمله این که: 1) تکامل قطعاً رخ داده است. 2) تغییرات تکاملی تدریجی بوده است و به هزاران تا میلیون ها سال نیاز داشته است. 3) مکانیسم پیش برندۀ تکامل انتخاب طبیعی است. 4) میلیون ها گونۀ زندۀ امروزی طی فرایندی که گونه زایی نامیده می شود از یک نیای مشترک منشأ گرفته اند (2).

 

ردیابی منشأ حیات: این واقعیت که همۀ موجودات زنده دارای خصوصیات بیوشیمیایی و کد ژنتیکی یکسانی ( به استثناء چند مورد جزئی) هستند قویاً از این نظریه حمایت می کند که همۀ جانداران شناسایی شده از یک نیای مشترک منشأ گرفته اند که همۀ این خصوصیات قبلاً در این نیای مشترک وجود داشته است. احتمال وجود سیستمی با این پیچیدگی و اختصاصیت غیرطبیعی امکان استقلال موجودات را همراه با تکامل موازی رد می کند. تا کنون وجود حیاتی با کدهای ژنتیکی مختلف یا اصول بیوشیمیایی متفاوت اثبات نشده است ولی نمی توان وجود چنین حیاتی را نیز رد کرد (3).

 

همواره باید در نظر داشت که اولین نیای مشترک همۀ موجودات روی زمین نباید الزاماً همان اولین موجود زنده باشد. برای درک بهتر این مطلب بهتر است از اصطلاح «درخت حیات» داروین استفاده کرد که در آن از یک تنۀ منشعب شونده، گونه های جدید در اعصار مختلف پدیدار می شوند. حیات کنونی به صورت سرشاخه های نوک این درخت نمایش داده می شود. اگر دو موجود مختلف را در این درخت دنبال کنیم، نیای مشترک این دو موجود محل تقاطع شاخه های آن هاست. با دنبال کردن رد همۀ موجودات زندۀ کنونی می توان نقطه ای را تصور کرد که همۀ موجودات در آن نقطه به هم می رسند. این نقطه » قدیمی ترین نیای مشترک همۀ موجودات» نامیده می شود و البته نباید انتظار داشت که این نقطه بر روی مرکز تنۀ این درخت باشد. ممکن است شاخه هایی هم پیش از این نقطه وجود داشته اند که اکنون منقرض شده اند. البته دلایلی وجود دارد که این نیای مشترک باید موجودی به حد کافی پیچیده و تخصصی باشد. قطعاً این موجود خود یک دوۀ تکاملی بسیار طولانی را طی کرده است. با دنبال کردن شباهت ها می توان منشأ حیات را در یک ساقه ( یا تنه یا ریشه) شناسایی کرد که شاخه های بعدی از آن منشعب شده اند. البته در این بین گاهی تداخل هایی بین شاخه ها دیده می شود و علت این تداخل آن است که انتقال ژن ها همیشه به صورت عمودی (از والد به فرزند) نیست بلکه بسیاری اوقات انتقال به صورت افقی (بین دو گونه، دو جنس، دو خانواده و یا حتی بالاتر) است. انتقال افقی ژن ها در پروکاریوت ها (مانند باکتری ها) کاملاً شناخته شده است و این امر باعث پیچیدگی هایی در ریابی ژن ها می شود. دربارۀ قلمرو میکروب ها در اعصار گذشته تنها می توان گفت که گونه زایی در میان آنها می توانسته است رخ دهد ولی با اطمینان می توان گفت همۀ حیات کنونی بر روی زمین از یک جمعیت میکروبی خویشاوند با توانایی های ژنتیکی متنوع بوجود آمده است (3).

 

زمان آغاز حیات: زمین شناسان با ردیابی فسیل ها می توانند محدودۀ بازۀ زمانی حیات زمینی را تعیین کنند. قدیمی ترین موجودات فسیلی واضح و قابل شناسایی را می توان درغرب استرالیا یافت که مربوط به 5/3 میلیارد سال پیش می باشند. این فسیل ها مربوط به موجوداتی تک سلولی شبیه به سیانوباکترهای کنونی (باکتری های فتوسنتزکننده) می باشند. از آنجایی که فتوسنتز فرایندی پیچیده است که خود باید یک دورۀ تکاملی را طی کرده باشد بنابراین حیات باید مدتی پیش از آن آغاز شده باشد. متأسفانه شواهدی قدیمی تر که دال بر وجود حیات پیش از این باشد به سختی یافت می شود. در گرینلند صخره هایی رسوبی با حداقل عمری برابر با 85/3 میلیارد سال یافت می شود که حاوی آثاری از کربن با نسبت های ایزوتوپی تغییر یافته هستند که می توانند حاکی از فعالیت های زیستی دوران باستان باشند. اگر این تفسیر درست باشد این شواهد حیات زمینی را به چیزی حدود 4 میلیارد سال قبل باز می گرداند (3).

 

تاریخ حیات بر روی زمین به یک پرسش برای ستاره شناسان مطرح شده است. منظومۀ شمسی 5/4 میلیارد سال پیش از یک ابر چرخان گاز و غبار شکل گرفته است. به مدت حدود 700 میلیون سال سیارات در حال تجمع و شکل گیری از غبارهای نامنسجم بودند. شواهد این دوران به صورت بمباران هایی بر روی سطح ماه کاملاً آشکار است. از آن جایی که زمین بزرگ تر از ماه است بنابراین باید ضربات و خشونت بیشتری را تحمل کرده باشد. سطح زمین در این دوران باید عاری از حیات و غیرقابل زیست بوده باشد ولی با در نظر گرفتن نتایج حاصل از صخره های رسوبی گرینلند این پرسش مطرح می شود که چگونه موجود زنده ای می تواند در این شرایط بقا یابد. یک پاسخ ممکن به این سؤال این است که در آن زمان پناه گاه هایی وجود داشته است که حیات را در برابر این شرایط خشن حفظ می کرده اند. این پاسخ این پرسش را برمی انگیزد که این پناه گاه ها کجا بودند و به عبارت دیگر مکان آغاز حیات کجاست (3)؟  

 

مکان آغاز حیات: ابتدا باید مشخص کرد که ابتدایی ترین کلنی های میکروبی تثبیت یافته چه زیستگاهی را انتخاب کرده اند. بیایید تصور کنیم که حیات در جایی از زمین آغاز شده است. با وجود آن که داروین در مورد منشأ حیات چیز زیادی را مطرح نکرد ولی نامه ای معروف از او در دست است که به یک برکۀ کوچک گرم اشاره می کند که انواع مواد شیمیایی می توانند تدریجاً در آن تجمع یابند سپس توسط انرژی نورانی خورشید تحریک شده و مولکول های پیچیده تری می سازند تا آنجایی که حیات اولیه به صورت تصادفی به وجود می آید. این پیشنهاد ساده بعدها به مدلی تکوین یافته به نام «سوپ اولیه» تبدیل شد (3).

 

با در نظر گرفتن ضرب و شتم زمین توسط بارش های کیهانی، یک برکۀ کوچک گرم کمی بعید و غیر قابل توجیه می نماید. در سال های اخیر بسیاری محیط های فرعی دیگر پیشنهاد شده است. محیطی که قابل توجیه تر از همه می نماید و با تاریخچۀ ابتدایی خشن زمین سازگاری دارد اعماق سطح زمین است یعنی اعماق محیطی که از دیدگاه زمین شناسی هنوز سطح زمین محسوب می شود. در سال 1977 زیردریایی آلوین اکوسیستم های پیچیده ای را در اعماق چند کیلومتری اقیانوس آرام کشف کرد که در اطراف یک دهانۀ آتشفشان تجمع یافته بودند. برخی از این این دهانه های آتشفشانی تحت عنوان سیگاری های سیاه نامیده می شوند. دمای آب اطراف این دهانه ها می تواند تا C˚350 برسد ولی با این وجود به دلیل فشار زیاد نمی جوشد. موجودات زندۀ اطراف این دهانه ها عبارتند از خرچنگ ها و کرم های لوله ای بزرگی که احتمالاً از زیستگاه های بالاتر به این محیط ها وارد شده اند و با شرایط خشن این محیط ها سازگاری پیدا کرده اند. به دلیل تاریکی مطلق دراین عمق فتوسنتز غیر ممکن است و پرسشی که مطرح می شود این است که چه منبع انرژی این اکوسیستم را حفظ می کند. بررسی ها نشان داد که تولیدکنندگان اولیه در این محیط ها میکروب هایی هستند که نزدیک تر به دهانه زندگی می کنند. این میکروب ها به رده ای از موجودات تعلق دارند که تحت عنوان کلی شیمیوتروف ها نامیده می شوند که از مواد شیمیایی و انرژی گرمایی به جای نور خورشید استفاده می کنند. برخی از شیمیو تروف ها قادرند مواد شیمیایی و گازها را مستقیماً به مواد زیستی تبدیل کنند. به موجوداتی که در چنین دماهای بالایی زندگی می کنند هیپرترموفیل گفته می شود (3).

 

با وجود همۀ این شرایط خشن(دمای بالا، فشار بالا، عدم نور، اسیدیتۀ بالا یا پایین و …) این موجودات نیاز دارند که سوخت و ساز خود را به طور طبیعی انجام دهند. تحقیقات مشخص ساخت که این سیگاری های سیاه فقط قلۀ یک کوه یخی بسیار عظیم محسوب می شوند. «پروژۀ حفاری اقیانوس» به مدت چند سال اعماق صخره های بستر دریا را تا عمق 1 کیلومتر مورد کاوش قرار داد. مشخص گردید که حیات در اعماق این صخره ها نیز به اندازۀ سطح آنها رواج دارد. 

 

در دهۀ 1980 میکروارگانیسم هایی از اعماق چند کیلومتری سطح زمین طی یک پروژۀ حفاری چاه نفت در سوئد به دست آمد. این تحقیق تحت ایرادات علمی متعددی قرار گرفت ولی چند سال بعد گزارشات مشابه دیگری نیز از تحقیقاتی مشابه به دست آمد و وفور شواهد وجود حیات را در اعماق زمین اثبات کرد.

 

وجود حیات در اعماق سطح زمین این نظریه را قوت بخشید که حیات می تواند در جایی در زیر زمین آغاز شده باشد یعنی جایی که موجودات می توانند خود را در برابر بارش های کیهانی حفظ کنند. البته نظریات دیگری نیز در مورد منشأ حیات وجود دارد (مانند منشأ حیات از مریخ) که جای بحث بسیارمفصلی را مطلبد که در این مقاله نمی گنجد و ما به معتبرترین آنها بسنده کردیم (3). 

 

نیای مشترک همۀ موجودات: همان گونه که انسان و شمپانزه در 10 میلیون سال پیش تاریخچۀ مشترکی داشته اند، همۀ اشکال امروزی حیات نیز تاریخچۀ مشترکی دارند که به قدمت اشتقاق سه دامین شناخته شدۀ موجودات زنده ( آرکی ها، باکتری ها و یوکاریوت ها) برمی گردد.LUCA یا last universal common ancestor  (نیای مشترک همۀ موجودات) موجودی است که همۀ جانداران کنونی از آن منشأ گرفته اند. LUCA نمایش دهندۀ اولین مرحلۀ تکامل حیات نیست. امروزه پذیرفته شده که پیش از تکامل پروتئین ها و DNA مرحله ای وجود داشته که در آن RNA همان نقشی را بر عهده داشته است که امروزه پروتئین ها و DNA ایفا می کنند. چرا که RNA هم می تواند خود را همانند سازی کند و هم می تواند نقش آنزیمی پروتئین ها را ایفا کند (4).

 

تلاش های بسیاری برای بازسازی ژنوم LUCA صورت گرفته است که تحت عنوان «پروژۀ ژنوم حداقل» نامیده می شود. این پروژه به دنبال ژن هایی می گردد که فراگیر هستند یعنی همۀ فرم های جانداران دارای این ژن ها هستند. لیستی که از این ژن ها تهیه می شود خود احتمال دیگری را مطرح می کند. احتمالاً این لیست ماهیت اصلی حیات سلول را مشخص می کند به عبارت دیگر تعداد حداقل ژن های لازم برای تشکیل یک سلول را تعیین می کند. در سال 1996 دانشمندان با تعیین توالی ژنوم دو باکتری ((Mycoplasma genitalium & Haemophilus influenzae تلاش کردند ژنوم حداقل را مشخص کنند. حاصل تحقیقات آنها به صورت زیر خلاصه شد:

<!–[if !supportLists]–>· <!–[endif]–>256 ژن شالودۀ حیات را تشکیل می دهد.

<!–[if !supportLists]–>· <!–[endif]–>هیچ ماشینی برای سنتز DNA مورد نیز نیست.

 

از این تحقیق مشخص گردید که LUCA اطلاعات ژنتیکی خود را در RNA (و نه DNA) ذخیره می کرده است. البته هنوز بحث های زیادی در مورد ماهیت مادۀ ژنتیکی LUCA DNA) یا (RNA  وجود دارد ولی اکثر دانشمندان بر این نظریه اتفاق نظر دارند که در دوره ای از حیات RNA به جای DNA منبع ذخیرۀ اطلاعات بوده است (4) چنان چه امروزه نیز چنین امری در برخی از ویروس ها از جمله ویروس بیماری ایدز دیده می شود و جالب است که بدانیم حتی در عصر کنونی نیز فرم هایی از حیات به سادگی یک مولکول RNA وجود دارد که فاقد هر گونه غشاء یا اندامک سلولی هستند. به عنوان مثال ویروئیدها (مولکول های RNAای که در برخی گیاهان ایجاد بیماری می کنند) نوعی از این این گونه حیات هستند (5) که حتی اگر هم ما آنها را به عنوان موجوداتی زنده به شمار نیاوریم، نشان گر این هستند که حتی یک مولکول هم می تواند خصوصیات حیاتی را دارا باشد.

 

سخن پایانی: هنوز خلاء زیادی در دانش ما در مورد منشأ حیات وجود دارد ولی به هیچ عنوان این خلاء مدرکی دال بر تأیید افسانه های بشر ابتدایی پیرامون خلقت آدم و حوا و امثال آنها نیست. اگر چه این افسانه ها همیشه با اطمینان در مورد آفرینش سخن می رانند و زبان علم زبان شک و تردید است و بر اساس نظریات استوار ولی در واقع این برتری علم در برابر این افسانه هاست. چنین افسانه هایی راه را بر سؤال که خود محرک دانش و پیشرفت بشر است می بندند و با توضیحات بسیار ابتدایی خود انسان را متقاعد می کنند که هیچ جای تردیدی در این زمینه وجود ندارد و آفرینش و آفریننده در همان مقیاس کوچکی هستند که در افسانه آمده است. بشر کنجکاو با قدرت استدلال و نیروی دانش و ابزار خود یکی یکی این پرسش ها را پاسخ می دهد و به عمر این افسانه ها و خدایان دروغین خلقت پایان می دهد. و آنان که در برابر این موج مقاومت می کنند خود نیز به سرنوشت افسانه هایشان می پیوندند.

 

References:

<!–[if !supportLists]–>1. <!–[endif]–>Orgel, L., E, 1997, The origin of life on earth. [online]. Available: http://www.geocities.com/capecanaveral/lab/2948/orgel.html. [2008, February 18].

 

<!–[if !supportLists]–>2. <!–[endif]–>Charles Darwin Naturalist. [online]. Available: http://www.lucidcafe.com/ library/96feb/darwin.html. [2008, February 18].

 

<!–[if !supportLists]–>3. <!–[endif]–>Davies. P. The origin of life I: When and where did it begin? [online]. Available: http:// cosmos .asu.edu/publications/papers/OriginsOfLife_I.pdf. [2008, February 19].

 

<!–[if !supportLists]–>4. <!–[endif]–>Poole. A., M. 2002. My name is LUCA. [online]. Available: http://www.actionbioscience.org/newfrontiers/poolepaper.html. [2008, February 20].

 

<!–[if !supportLists]–>5. <!–[endif]–>Matousek, J., Orctova, L., Patzak, J., Svoboda, P., Ludvikova, I. 2003. Molecular sampling of hopstunt viroid (HSVd) from grapevines in hop production areas in the Czech Republic and hop protection. Plant soil environment. 49, 168-175.

پاسخی بگذارید

در پایین مشخصات خود را پر کنید یا برای ورود روی شمایل‌ها کلیک نمایید:

نشان‌وارهٔ وردپرس.کام

شما در حال بیان دیدگاه با حساب کاربری WordPress.com خود هستید. بیرون رفتن / تغییر دادن )

تصویر توییتر

شما در حال بیان دیدگاه با حساب کاربری Twitter خود هستید. بیرون رفتن / تغییر دادن )

عکس فیسبوک

شما در حال بیان دیدگاه با حساب کاربری Facebook خود هستید. بیرون رفتن / تغییر دادن )

عکس گوگل+

شما در حال بیان دیدگاه با حساب کاربری Google+ خود هستید. بیرون رفتن / تغییر دادن )

درحال اتصال به %s

%d وب‌نوشت‌نویس این را دوست دارند: