مطالعه شواهدي از چگونگي آغاز حيات روي زمين

آزمايشي توسط شيميدانان استنلي ميلر و هارولد يوري در سال ۱۹۵۲ انجام شده بود كه هم‌اكنون به‌عنوان آزمايشي معروف و معتبر از آن ياد مي‌شود. اين آزمايش نشان داده بود كه حتي اگر ما به‌طور مطمئن ندانيم كه سلول‌هاي زنده براي اولين بار به چه شكلي تشكيل شده‌اند؛ اين را مي‌دانيم كه حداقل برخي از بلوك‌هاي ساختار مولكولي آن‌ها، مي‌تواند توسط واكنش‌هاي شيميايي ساده تحت شرايط خاص موجود در كره‌ي زمين در دوران كهن زمين‌شناسي تشكيل شده باشد.

 در حال حاضر و پس از گذشت بيش از نيم قرن، محققاني از فرانسه و جمهوري چك از يك آزمايش مشابه براي گسترش فهرست بالقوه‌ از اين مواد تشكيل‌دهنده، استفاده كرده‌اند؛ فهرستي كه از هر چهار پايه‌ي بازي RNA تشكيل شده و برخي از گام‌هاي ضروري لازم براي رسيدن از يك سوپ شيميايي به سرچشمه‌ي حيات روي زمين را در خود جاي داده است.

 در حالي كه نتايج آزمايش آن‌ها به‌طور دقيق نشان نمي‌دهند كه حيات روي زمين به چه صورتي شكل گرفته است، با اين حال، آزمايش آن‌ها به ما توضيح مي‌دهد شرايط روي كره‌ي زمين در حدود ۳.۵ تا ۴ ميليارد سال پيش، مي‌تواند براي توليد دسته‌اي از تركيب‌هاي ضروري براي بيوشيمي، آماده و مساعد بوده باشد.

اين شرايط احتمالا شامل يك اتمسفر بدون اكسيژن كه از آن به‌عنوان يك اتمسفر كاهنده ياد مي‌شود و همچنين مجموعه‌هايي گرم از آب حاوي مولكول‌هاي نيتروژن در كنار مولكول‌هاي مبتني بر كربن مانند آمونياك و متان بوده است.

 ميلر و يوري اين دو تركيب را در يك فلاسك استريل آب با مقداري گاز هيدروژن براي انجام آزمايش خود حل كردند. آن‌ها اجازه دادند اين تركيب به مدت يك هفته به همان شكل بماند و پس از آن، با وارد كردن شوك به اين محلول با استفاده از جريان الكتريسيته سعي كردند اثرات رعدوبرق را در اين محلول شبيه‌سازي كنند.

آن‌ها در داخل اين شيره‌ي قهوه‌اي‌رنگ موفق به كشف گليسين‌هاي اسيدهاي آمينه، آلانين آلفا و آلانين بتا به همراه نشانه‌هايي از اسيد اسپارتيك و اسيد آلفا (گابا)  شدند؛ موادي كه نشان مي‌دهند دست كم برخي از بلوك‌هاي ساختمان پروتئين مي‌توانند بدون كمك فرآيندهاي بيولوژيكي پيچيده ساخته شده باشند.

بعدها كشف شد كه تركيب به‌دست‌آمده از آزمايش ميلر و يوري دربردارنده‌ي تعداد بسيار بيشتر از پنج آمينواسيد بوده است. انجام مطالعه‌اي در سال ۲۰۰۸ روي مواد حفاظت‌شده‌ي آن‌ها و با استفاده از تجهيزات تحليلي بهتر، منجر به جداسازي ۱۴ اسيدآمينه و پنج آمين شد. گفتني است كه با تجزيه‌ و تحليل‌ اخيري كه توسط يكي از دانشجويان ميلر انجام گرفته، تعداد تركيبات شناسايي‌شده به ۴۰ مورد رسيده است.

درحالي‌كه آن آزمايش به‌عنوان يك نقطه‌ي عطف در زمينه‌ي آزمايش‌هاي بيوشيميايي مورد تحسين قرار گرفته، اما در هر صورت انتقاداتي نيز به همراه داشته است. برخي از شيميدانان چنين استدلال كرده‌اند كه هيچ شواهد روشني مبني بر اينكه اتمسفر ما در آن زمان از نوع كاهنده بوده باشد، در دست نيست و همچنين موادي كه آن‌ها استفاده كرده‌اند، ممكن است در آن زمان داراي فراواني قابل توجهي نبوده باشند.

 آخرين تغيير مطرح در آزمايش جديد به سرپرستي آكادمي علوم چك اين بود كه آزمايش فوق، اين بار براي شناسايي و ثبت اسيدهاي آمينه صورت نمي‌گرفت؛ بلكه دانشمندان به دنبال سازه‌ي ارگانيك ديگري موسوم به فرماميد بودند.

 پليمرهاي RNA از چهار نوع واحد مختلف ساخته شده‌اند؛ اين واحدها عبارتند از آدنين، گوانين، سيتوزين و اوراسيل كه همگي مي‌توانند از ماده‌ي فرماميد ساخته شوند. پيشنهادات مختلفي براي پاسخ به پرسش در مورد محل پيدايش و منشأ پيش‌ساز مبتني بر RNA ارائه شده است. محققان در گزارش خود در اين مورد نوشته‌اند:

...با اين حال، در اكثر موارد، ساختار شيميايي دقيق چنين سيستم‌هايي به‌صورت تجربي يا انديشه متخصصيني به‌خوبي كاوش نشده است.

متصديان آزمايش اخير نيز مانند ميلر و يوري، چنين استدلال كردند كه احتمالا در دوران كهن زمين‌شناسي، اتمسفر زمين كمي داراي اثر كاهندگي بوده است. اما در انديشه متخصصينات آن‌ها، ماده‌ي متان يادشده در آزمايش اصلي با مونوكسيد كربن جايگزين و گاز هيدروژن هم در آن حذف شد.

همان‌طور كه پيش‌بيني مي‌شد، سوپ شيميايي حاصل از كار آن‌ها داراي مقدار قابل توجهي از هر دو ماده‌ي فرماميد و هيدروژن سيانيد بود. آن‌ها نتيجه را چنين تشريح كرده‌اند:

 مولكول فرماميد به‌صورت مستقيم نقش شروع‌كننده‌ي روند ايجاد محيط كشت را ايفا نمي‌كند. اما اين ماده تقريبا به‌عنوان يك ماده‌ي مشكوك در واكنش‌هايي قلمداد مي‌شود كه از يك مخلوط مدل ساده‌ي ماقبل حيات به مولكول‌هاي زيستي مي‌رسند.

 به عبارت ديگر، پژوهشگران هنوز نياز داشتند كه ثابت كنند فرماميد مي‌تواند با متخصصد پرتوهاي فرابنفش يا نوعي كاتاليست ديگر، تشويق به انجام واكنشي براي تبديل شدن به پايه‌هاي RNA شود. احتمال ديگر در اين زمينه مي‌تواند مربوط به پلاسماي حاصل از يك موج شوك‌ شديد باشد؛ مانند موج‌هايي كه در اثر برخورد سيارك‌ها به وجود مي‌آيند.

 از آنجايي كه پرتاب سنگ‌هاي بزرگ به محفظه‌هاي انجام واكنش شيميايي، كاري نشدني است؛ گروه پژوهش بر آن شد كه از دومين روش بهينه‌تر و عملي‌تر موجود براي اين كار استفاده كند. آن‌ها براي اين كار به سراغ تابش‌هاي پرشمار و متعدد پرتوهاي نور از يك سيستم ليزري با تواني در مقياس تراوات رفتند. پژوهشگران در اين مورد چنين نوشته‌اند:

ما تمامي بازهاي نوكلئوتيدي مورد قبول، شامل اوراسيل، سيتوزين، آدنين و گوانين را همراه با اوره و ساده‌ترين اسيدآمينه‌ي موجود، يعني گليسين، شناسايي و آشكارسازي كرديم.

 اين يافته‌ها از ايده‌اي همراهي مي‌كنند كه بر پايه‌ي آن يك اتمسفر داراي تركيبات NH3 و CO و H2O مي‌تواند به‌عنوان جانشين براي فرماميد خالص در انديشه متخصصين گرفته شود و همچنين بتواند به‌عنوان يك محيط شروع‌كننده، نه‌فقط براي شكل‌گيري اسيدهاي آمينه، بلكه به‌عنوان محيط شروع‌كننده براي تشكيل بازهاي نوكلئوتيدي هم عمل كند.

 با اينكه مقادير يافت شده‌ي پژوهشگران كم بود؛ اما آن‌ها موفق شدند نشان دهند كه مسير تبديل چند تركيب به RNA در يك اتمسفر كاهنده حداقل قابل قبول است؛ حتي اگر اين واقعيت را بپذيريم كه شرايط اتمسفر زمين در آن زمان، هنوز مورد منازعه است.

 اين تيم پژوهشي همچنين نشان داد كه بازهاي اسيد نوكلئيكي، مي‌توانند به محصولاتي تفكيك شوند كه منجر به افزايش حالت كاهندگي اتمسفر زمين شود؛ محصولاتي كه در ادامه مي‌توانند با هم واكنش دهند و مجددا بازهاي نوكلئوتيدي را بسازند.  

 نتايج اخير نه‌تنها ما را به‌سوي واكنش‌هايي راهنمايي مي‌كنند كه زمينه‌ي لازم براي ايجاد حيات در روي كره‌ي زمين را فراهم كرده‌اند؛ بلكه علاوه بر آن ما را به نشانه‌ها و سرنخ‌هايي در مورد وجود حيات به‌صورت بالقوه در ساير كرات دارنده‌ي اتمسفر از نوع كاهنده مي‌رسانند. از اين جمله مي‌توانيم به تايتان، قمر زحل اشاره كنيم.

 ما در مسير زماني تكامل آن‌قدر به عقب بازگشته‌ايم تا در نهايت به نقطه‌اي در زمان رسيده‌ايم كه در آن، مدل‌هاي مبتني بر ژنتيك رقابتي در داخل سلول‌هاي در حال همتاسازي، ديگر نمي‌توانند در مورد سرچشمه‌هاي اصلي حيات روي زمين ما را به‌جايي برسانند.

 آزمايش‌هايي از قبيل اين مورد، شايد نتوانند به‌طور قطعي به ما نشان دهند كه حيات به چه شكل از اتم‌ها آغاز شده است. اما نكته مسلم اين است كه چنين آزمايش‌هايي مي‌توانند بخشي از مسير مرتبط با سنگ بناي اوليه‌ي حيات در يك نقطه از جهان هستي و امكان پديدار شدن آن را برايمان آشكار كند.

دستاوردهاي اين پژوهش در مجموعه‌ي مقالات آكادمي ملي علوم منتشر شده است.