حکایت ۳.۸ میلیارد ساله زمین درباره حیات| همه‌چیز پیرامون پیدایش زندگی

خبرگزاری علم و فناوری آنا- هدا عربشاهی: تخمین‌ها نشان می‌دهد که زمین حدود ۰.۰۵± ۴.۵میلیارد سال پیش متولد شد. به‌تدریج و به‌لطف ظهور جلبک‌های آبی که قادر به انجام فتوسنتز کلروفیل بودند، اکسیژن در جو پخش شد و به‌مدد اکسیژن موجود در هوا و ازن، حیات از حدود ۳.۸میلیارد سال قبل در زمین تازه‌شکل‌گرفته به حرکت درآمد. به‌ باور بعضی دانشمندان، حیات در حوضچه‌های آب‌های سطحی و به باور بعضی دیگر در اعماق اقیانوس‌ها که مملو از چشمه‌های آب بسیار گرم و سرشار از مواد معدنی است آغاز شده است. امروزه هم در این محیط‌های- به‌نظر- نامساعد برای حیات، باکتری‌هایی بدون نیاز به حضور نور زندگی می‌کنند و از اکسیداسیون شیمیایی ترکیبات گوگردی انرژی می‌گیرند.

تولد حیات از نگاه فلسفه

فیلسوفان یونان باستان معتقد بودند که حیات ذاتی خود ماده است و زمانی‌که شرایط مساعد باشد به‌طور خود‌به‌خود پدید می‌آید. ارسطو تمام عقاید مربوط به نسل فیلسوفان پیشتر از خودش را که بر شکل‌گیری خود‌به‌خودی حیات اعتقاد داشتند در نظریه‌ای باعنوان نظریه خلق‌الساعه ترکیب کرد. به‌گفته این فیلسوف بزرگ، موجودات زنده از موجودات زنده مشابه دیگری متولد می‌شوند، اما بعضی‌وقت‌ها می‌توانند از ماده بی‌اثر هم به‌وجود آیند. درواقع، در هر چیزی، یک «اصل منفعل» وجود دارد که با ماده نشان داده می‌شود و یک «اصل فعال» که با فُرم معرفی می‌شود، یا بهتر است بگوییم نوعی نیروی درونی که خود ماده را سازمان‌دهی می‌کند و به آن شکل (فٌرم) می‌دهد. برای‌مثال، شپش از قطرات شبنم که روی برگ ریخته می‌شوند به‌وجود می‌آید. دانشمندان برجسته‌ای چون نیوتن، دکارت و بیکن از نظریه تولید خود‌به‌خودی (خلق‌‌الساعه) حیات حمایت می‌کردند و در سال ۱۵۰۰ هنوز کسانی بودند که باور داشتند غازها از درختانی که در تماس با اقیانوس زندگی می‌کنند به‌وجود می‌آیند و بره‌ها داخل خربزه شکل می‌گیرند.

در قرن هفدهم نخستین آزمایش‌ها برای اثبات نظریه تولید خود‌به‌خودی آغاز شد و دکتر ژان باپتیست ون هلمونت اعلام کرد که آزمایش بسیار خاصی انجام داده است: او پیراهن کثیفی را در تماس با دانه‌های گندم قرار داد و پس‌از ۲۱ روز مشاهده کرد که اطراف پیراهن کثیف، موش‌ها به‌دنیا آمده‌اند. به‌عقیده این پزشک، عرقی که پیراهن به آن آغشته بود، اصل فعالی بود که به‌لطف آن ماده بی‌اثر به ماده زنده تبدیل شده بود.

بی‌جان‌زایی و زیست‌زایی

پس‌از نخستین آزمایش‌هایی که چندان قوی نبودند مانند آزمایشی که ون هلمونت انجام داده بود، دانشمندان دیگری با هدف یافتن منشاء پیدایش حیات در زمین وارد میدان شدند. سال ۱۶۶۸ یک پزشک ایتالیایی به‌نام فراچسکو رِدی مجموعه‌ آزمایش‌هایی انجام داد که قرار بود نشان دهند که تولید خلق‌الساعه وجود ندارد. رِدی گوشت گوساله و ماهی را در ظروف مختلفی گذاشت و در بعضی از آنها را به‌صورت خشک بست و بعضی دیگر را در تماس با هوا رها کرد.

با گذشت زمان، او مشاهده کرد در ظروفی که درشان باز بود کِرم (که در واقعیت چیزی جز لارو حشره نبود)، مگس و سایر حشرات روی گوشتِ درحال تجزیه جمع شده‌اند، در‌حالی‌که در ظروف در بسته هیچ نشانه‌ای از موجود زنده دیده نمی‌شد. هم‌زمان با آزمایش‌های ردی، یک طبیعت‌شناس هلندی به‌نام آنتون ون لیوونهوک (1723-1632) میکروسکوپی ابتدایی ساخت که امکان مشاهده ریزجانداران را فراهم می‌کرد. او آزمایش مشابهی انجام داد و در مدت زمان کوتاهی، توانست زیر میکروسکوپ تعداد بسیار زیادی ریزجاندار را در تمام ظروف در بسته و در باز مشاهده کند. پس‌از مشاهدات متعدد با ابزار جدید لیوونهوک، بین کسانی که از نظریه بی‌جان‌زایی (حیات از مواد غیر زنده به‌وجود می‌آید) و زیست‌زایی (حیات فقط از موجودات زنده سرچشمه می‌گیرد) مباحثات گسترده‌ای درگرفت.

سال ۱۷۴۵، جان نیدهم، طبیعت‌شناس انگلیسی، آزمایش‌های جدیدی را برای اثبات نظریه زیست‌زایی ابداع کرد. او آب مرغ و عرقیات گیاهی را در چند لوله آزمایش گذاشت و سپس روی آنها را با پارچه تنزیب پوشاند. هرچند پیش‌از شروع آزمایش‌ها، لوله‌های آزمایش با حرارت سترون شده بودند، اما باوجوداین، پس‌از چند روز صدها ریزجاندار داخلشان‌ مشاهده شد. این نتیجه فرضیه وجود شکل‌گیری خودبه‌خودی را تقویت کرد. هرچند یک‌قرن بعد، لوئی پاستور، شیمی‌دان و میکروب‌شناس فرانسوی با انجام آزمایش‌هایی نظریه بی‌جان‌زایی خودبه‌خودی (مدل قدیمی) را رد کرد و این‌گونه نظریه زیست‌زایی قوت گرفت.

جو آغازین

خورشید و سیاره‌هایی که آن را احاطه کرده‌اند بیش‌از ۴.۵میلیارد سال پیش پس‌از انفجار یک ابرنواختر و در اثر فروریزش یک اَبر ملکولی چرخان تشکیل شده‌اند. این ابرنواختر قبل‌از انفجار عناصری را درون خودش ایجاد کرده بود که از هیدروژن و هلیوم شروع می‌شدند. بنابراین، زمین در ابتدا همانند توپ رشته‌ای عظیمی بود که عمدتاً از هیدروژن و هلیوم و همچنین از عناصر سنگینی چون کربن، نیتروژن، اکسیژن، آهن و سیلیکون تشکیل شده بود که در اثر انفجار ابرنواختری به فضا پرتاب شده بودند. بعدها زمین سرد شد و گازهای سبک‌تری چون هیدروژن و هلیوم تاحدی با عناصر سنگین‌تر واکنش نشان دادند و کمی در فضا پراکنده شدند.

درواقع، تقریباً تمام هلیوم پراکنده شد زیرا سبک است و با سایر ترکیبات واکنش چندانی ندارد، در‌حالی‌که بخشی از هیدروژن با عناصر دیگر واکنش داد و ترکیبات هیدروژن‌داری چون متان (CH4)، آمونیاک (NH3)، سولفید هیدروژن (H2S) و آب (H2O) را تشکیل داد. سپس عناصر سنگین‌تر، به‌دلیل گرانش، شروع به تشکیل «هسته مرکزی» کردند که عمدتاً از آهن و نیکل تشکیل شده بود و یک «جبه» (گوشته) از عناصر سنگین که دور هسته را احاطه کرده بود و یک «پوسته»، که سطحی‌ترین لایه زمین را می‌سازد و از عناصر سبکی چون آلومینیوم، پتاسیم و سدیم تشکیل شده است به‌وجود آمد.

همان‌طورکه پوسته در حال شکل‌گیری بود، گازهای فرار زیادی از‌طریق شکاف‌هایی که از داخل زمین می‌آمدند آزاد می‌شدند و آنچه را که باعنوان جو آغازین شناخته می‌شود می‌ساختند؛ اما دانشمندان اطمینان دارند که اکسیژن آزاد (O2) در اتمسفر اولیه وجود نداشت و بنابراین، ازن هم نمی‌توانست وجود داشته باشد. ازن به‌جای دو اتم اکسیژن، از سه اتم یعنی O3 تشکیل شده است. ازاین‌رو، پرتوهای فرابنفش خورشید که امروزه با لایه قطوری از ازن مسدود می‌شوند می‌توانستند در مقادیر بسیار بالاتر از مقدار امروزی، به سطح سیاره زمین برسند و با انرژی‌‌‌شان به تشکیل ترکیبات شیمیایی اولیه کمک کنند.

حیات روی زمین

دو فرضیه مختلف درباره منشاء حیات روی زمین ارائه شده است: نظریه اتوتروفی (خودپروردگی) و نظریه هتروتروفی (دگرپروردگی). نظریه اول این فرضیه را مطرح می‌کند که نخستین جاندار خودپرورده بوده است، یعنی قادر به تولید مواد آلی از مواد غیرآلی بوده همانند کاری که گیاهان سبز ازطریق «فتوسنتز کلروفیل» می‌کنند. اما مورد دوم، این فرضیه را مطرح می‌کند که نخستین جاندار هتروتروف (دگرپرور) بوده است یعنی قادر به تولید غذا به‌تنهایی نبوده، بلکه باید از جانداران دیگر تغذیه می‌کرد. درواقع، جانواران (هتروتروف‌ها) برای زندگی به تغذیه از گیاهان (اتوتروف‌ها) نیاز دارند، در‌حالی‌که اتوتروف‌ها اصلا به هتروتروف‌ها نیاز ندارند.

جان بوردون ساندرسون هالدین، زیست‌شناس انگلیسی درحدود سال ۱۹۲۰، پس‌از در نظر گرفتن اینکه زمین در آغاز، در اصل ویژگی‌های بسیار متفاوتی نسبت به امروز داشته است نتیجه گرفت که در ابتدا، حیاتی که اکنون وجود دارد، در زمین اولیه یافت نمی‌شد. به‌گفته او، اگر مواد آلی در زمان کنونی تشکیل می‌شدند، فوراً به‌دست بعضی جانداران از بین می‌رفتند، در‌حالی‌که در غیاب کامل ریزجانداران، مواد آلی در آرامش باقی ماندند و زمان کافی برای توسعه و پیچیده‌تر‌شدن را به‌دست آوردند.

و سرانجام پیدایش!

سال ۱۹۲۴ الکساندر ایوانوویچ اُپارین، دانشمند اهل شوروی، نظریه‌هایی مشابه نظریه هالدین را ارائه کرد، اما با این تفاوت که از نظر اُپارین جو آغازین می‌بایست سرشار از هیدروژن باشد، در‌حالی‌که به‌‌اعتقاد دانشمند انگلیسی، غنی‌از دی‌اکسید‌کربن بوده است.

اُپارین در نظریه‌اش توضیح داد که اصطلاح «مولکول‌های حیات» (آجرهای سازنده حیات) یعنی اسیدهای نوکلئیک سازنده دی‌ان‌ای و آر.‌ان.‌ای و پروتئین‌ها می‌توانند از هیدروژن، آمونیاک، متان و بخار آب موجود در زمین تشکیل شده باشند. او معتقد بود که نخستین مولکول‌ها در اقیانوس‌ها شکل گرفتند و بعدها گردهم آمدند و مولکول‌های بزرگ‌تر و پیچیده‌تری را تشکیل دادند تا‌جایی‌که به این مخلوط «سوپ بنیادین» می‌گویند. در‌واقع، این احتمال وجود دارد که در دریاهایی که به دمای بسیار بالایی رسیده‌اند، این «سوپ» متراکمِ جوشانِ مملو از ذرات آلی پدیدار شده باشد. پس سوپ اولیه حیات محیطی فرضی است که تصور می‌شود در آن رویدادهای شیمیایی‌فیزیکی که بعدها به تشکیل حیات روی زمین منجر شده‌اند رخ داده‌اند.

از منظر شیمیایی، سوپ بنیادین، مخلوطی از آب با نمک‌های معدنی و ترکیبات شیمیایی ساده مختلف برپایه کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن است که هم ماهیت آلی (هیدروکربن‌ها، اسیدهای آمینه، اسیدهای کربوکسیلیک، پلیمرهای کوتاه) و هم ماهیت غیرآلی (آمونیاک، دی‌اکسید‌کربن) دارند. در آن‌زمان، هیچ‌چیز مثل امروز نبوده است، نه قاره‌ها، نه اقیانوس‌ها و نه جو کنونی. در آن‌زمان تخلیه الکتریکی و پرتوهای فرابنفش خورشید از جو زمین عبور می‌کردند. این پدیده‌ها مواد موجود را ازطریق واکنش‌های شیمیایی به ماکرومولکول‌هایی تبدیل کردند که قادر به تکثیر و تغذیه خودشان بودند و به‌این‌ترتیب از بی‌جان‌زایی نخستین (براساس مدل امروزی)، حیات متولد شد!