بررسی شواهدی از چگونگی آغاز حیات روی زمین

آزمایشی توسط شیمیدانان استانلی میلر و هارولد یوری در سال 1952 انجام شده بود که هم‌اکنون به عنوان آزمایشی معروف و معتبر از آن یاد می‌شود. این آزمایش نشان داده بود که حتی اگر ما به طور مطمئن نیز ندانیم که سلول‌های زنده برای اولین بار به چه شکلی تشکیل شده‌اند، ولی این را می‌دانیم که حداقل برخی از بلوک‌های ساختار مولکولی آنها می‌توانسته توسط واکنش‌های شیمیایی ساده تحت شرایط خاص موجود در کره‌ی زمین در دوران‌های کهن زمین‌شناسی تشکیل شده باشد.

 در حال حاضر و پس از گذشت بیش از نیم قرن، محققانی از فرانسه و جمهوری چک از یک آزمایش مشابه برای گسترش فهرست بالقوه‌ از این مواد تشکیل‌دهنده، استفاده کرده‌اند؛ فهرستی که شامل هر چهار پایه‌ی بازی RNA بوده و برخی از گام‌های ضروری لازم برای رسیدن از یک سوپ شیمیایی به سرچشمه‌ی حیات روی زمین را در خود جای داده است.

 در حالی که نتایج آزمایش آنها به طور دقیق نشان نمی‌دهد که حیات روی زمین به چه صورتی شکل گرفته است، با این حال، آزمایش آنها به ما توضیح می‌دهد شرایط روی کره‌ی زمین در حدود 3.5 تا 4 میلیارد سال پیش می‌توانسته برای تولید دسته‌ای از ترکیب‌های ضروری برای بیوشیمی، آماده و مساعد بوده باشد.

این شرایط احتمالا شامل یک اتمسفر بدون اکسیژن که از آن به عنوان یک اتمسفر کاهنده (reducing atmosphere) یاد می‌شود و همچنین مجموعه‌هایی گرم از آب حاوی مولکول‌های نیتروژن در کنار مولکول‌های مبتنی بر کربن مانند آمونیاک و متان بوده است.

 میلر و اوری این دو ترکیب را در یک فلاسک استریل آب با مقداری گاز هیدروژن برای انجام دادن آزمایش خود حل کردند. آنها اجازه دادند تا این ترکیب به مدت یک هفته به همان شکل بماند و پس از آن، با وارد کردن شوک به این محلول با استفاده از جریان الکتریسیته سعی کردند تا اثرا رعدوبرق را در این محلول شبیه‌سازی کنند.

 آنها در داخل این شیره‌ی قهوه‌ای‌رنگ موفق به کشف گلیسین‌های اسیدهای آمینه، آلانین آلفا و آلانین بتا به همراه نشانه‌هایی از اسید اسپارتیک و اسید آلفا (گابا) شدند؛ موادی که نشان می‌دهد دست کم برخی از بلوک‌های ساختمان پروتئین می‌تواند بدون کمک فرآیندهای بیولوژیکی پیچیده ساخته شده باشد.

بعدها کشف شد که ترکیب به دست آمده از آزمایش میلر و اوری در بر دارنده‌ی تعداد بسیار بیشتر از پنج آمینو اسید بوده است. انجام مطالعه‌ای در سال 2008 روی مواد حفاظت‌شده‌ی آنها و با استفاده از تجهیزات تحلیلی بهتر منجر به جداسازی 14 اسید آمینه و پنج آمین شد. گفتنی است که با تجزیه و تحلیل‌های اخیری که توسط یکی از دانشجویان میلر انجام گرفته، تعداد ترکیبات شناسایی شده به 40 مورد هم رسیده است.

در حالی که آن آزمایش به عنوان یک نقطه‌ی عطف در زمینه‌ی آزمایش‌های بیوشیمیایی مورد تحسین قرار گرفته، اما در هر صورت انتقاداتی را نیز به همراه داشته است. برخی از شیمیدانان چنین استدلال کرده‌اند که هیچ شواهد روشنی مبنی بر اینکه اتمسفر ما در آن زمان از نوع کاهنده بوده باشد در دست نیست و همچنین موادی که آنها استفاده کرده‌اند، ممکن است در آن زمان دارای فراوانی قابل توجهی نبوده باشند.

 آخرین تغییر مطرح در آزمایش جدید به سرپرستی آکادمی علوم چک این بود که آزمایش فوق این بار برای شناسایی و ثبت اسیدهای آمینه صورت نمی‌گرفت؛ بلکه دانشمندان به دنبال سازه‌ی ارگانیک دیگری موسوم به فرمامید بودند.

 پلیمرهای RNA از چهار نوع واحد مختلف ساخته شده‌اند؛ این واحدها عبارتند از آدنین، گوانین، سیتوزین و اوراسیل که همگی می‌توانند از ماده‌ی فرمامید ساخته شوند. پیشنهادات مختلفی برای پاسخ به پرسش در مورد محل پیدایش و منشا پیش‌ساز  مبتنی بر RNA ارایه شده است. محققان در گزارش منتشر شده‌ی خود در این مورد نوشته‌اند:

با این حال، در اکثر موارد، ساختار شیمیایی دقیق چنین سیستم‌هایی به صورت تجربی یا نظری به خوبی کاوش نشده است.

 آزمایشگران آزمایش اخیر نیز همانند میلر و اوری، چنین استدلال کردند که احتمالا اتمسفر کمی روی زمین در دوران کهن زمین‌شناسی دارای اثر کاهندگی بوده است. اما در دیدگاه آنها، ماده‌ی متان یادشده در آزمایش اصلی با مونوکسید کربن جایگزین شده و گاز هیدروژن هم در آن حذف شد.

 همانطور که پیش‌بینی هم می‌شد، سوپ شیمیایی حاصل از کار آنها دارای مقدار قابل توجهی از هر دو ماده‌ی فرمامید و هیدروژن سیانید بود. آنها در این باره چنین تشریح کرده‌اند:

 مولکول فرمامید به صورت مستقیم نقش شروع‌کننده‌ی روند ایجاد محیط کشت را ایفا نمی‌کند. اما این ماده تقریبا به عنوان یک ماده‌ی مشکوک در واکنش‌هایی قلمداد می‌شود که از یک مخلوط مدل ساده‌ی ماقبل حیات به مولکول‌های زیستی می‌رسند.

 به عبارت دیگر، پژوهشگران هنوز هم نیاز داشتند تا ثابت کنند که فرمامید می تواند با کاربرد پرتوهای فرابنفش یا نوعی کاتالیست دیگر، تشویق به انجام واکنشی برای تبدیل شدن به پایه‌های RNA شود. احتمال دیگر در این زمینه می‌تواند مربوط به پلاسمای حاصل از یک موج شوک‌ شدید باشد؛ مانند موج‌هایی که در اثر برخورد سیارک‌ها به وجود می‌آیند.

 از آنجایی که پرتاب سنگ‌های بزرگ به محفظه‌های انجام واکنش شیمیایی کاری نشدنی است، گروه پژوهش بر آن شدند که از دومین روش بهینه‌تر و عملی‌تر موجود برای این کار استفاده کنند. آنها برای این کار به سراغ تابش‌های پرشمار و متعدد پرتوهای نوری از یک سیستم لیزری با توانی در مقیاس تراوات رفتند. پژوهشگران در این مورد چنین نوشته‌اند:

ما تمامی بازهای نوکلئوتیدی مورد قبول شامل اوراسیل، سیتوزین، آدنین و گوانین را همراه با اوره و ساده‌ترین اسید آمینه‌ی موجود، یعنی گلیسین، شناسایی و آشکارسازی کردیم.

 این یافته‌ها از ایده‌ای پشتیبانی می‌کنند که برپایه‌ی آن یک اتمسفر دارای ترکیبات NH3 و CO  و H2O می‌تواند به عنوان جانشین برای فرمامید خالص در نظر گرفته شود و همچنین بتواند به عنوان یک محیط شروع‌کننده نه فقط برای شکل‌گیری اسیدهای آمینه، بلکه به عنوان محیط شروع‌کننده برای تشکیل بازهای نوکلئوتیدی هم عمل کند.

 با اینکه مقادیر یافت شده‌ی پژوهشگران کم بوده، اما آنها موفق شدند نشان دهند که مسیر تبدیل چند ترکیب به RNA در یک اتمسفر کاهنده حداقل قابل قبول بوده است؛ حتی اگر این واقعیت را بپذیریم که شرایط موجودی که برای اتمسفر زمین در آن زمان متصور شده‌اند، هنوز هم مورد منازعه است.

 این تیم پژوهشی همچنین نشان دادند که بازهای اسید نوکلئیکی، می‌توانند به محصولاتی تفکیک شوند که منجر به افزایش حالت کاهندگی اتمسفر زمین شود؛ محصولاتی که در ادامه می‌توانند با هم واکنش داده و مجددا بازهای نوکلئوتیدی را بسازند.  

 نتایج اخیر نه تنها ما را به سوی واکنش‌هایی راهنمایی می‌کنند که زمینه‌ی لازم برای ایجاد حیات در اینجا روی کره‌ی زمین را فراهم کرده‌اند؛ بلکه علاوه بر آن ما را به نشانه‌ها و سرنخ‌هایی در مورد وجود حیات به صورت بالقوه در سایر کرات دارنده‌ی اتمسفر از نوع کاهنده می‌رسانند. از این جمله می‌توانیم به تایتان، قمر زحل اشاره کنیم.

 ما در مسیر زمانی تکامل آنقدر به عقب بازگشته‌ایم تا در نهایت به نقطه‌ای در زمان رسیده‌ایم که در آن، مدل‌های مبتنی بر ژنتیک رقابتی در داخل سلول‌های در حال همتاسازی، دیگر نمی‌توانند در مورد سرچشمه‌های اصلی حیات روی زمین ما را به جایی برسانند.

 آزمایش‌هایی از قبیل این مورد، شاید نتوانند به طور قطعی به ما نشان دهند که حیات به چه شکلی از اتم‌ها آغاز شده است. اما آنچه که مسلم این نکته است که چنین آزمایش‌هایی می‌توانند بخشی از مسیر مرتبط با سنگ‌بنای اولیه‌ی حیات در یک نقطه از جهان هستی و امکان پدیدار شدن آن را برایمان آشکار کند.

دستاوردهای این پژوهش در مجموعه‌ی مقالات آکادمی ملی علوم منتشر شده است.