انقلاب در نظریه منشأ حیات؛ زندگی روی زمین دو بار آغاز شده است

منشأ حیات یکی از قدیمی‌ترین پرسش‌های علم است، اما یافته‌های تازه درباره نخستین واکنش‌های شیمیایی زمین و نقش فلزات موجود در چشمه‌های آب گرم اعماق اقیانوس، اکنون فرضیه‌ای متفاوت را پیش روی دانشمندان قرار داده است.

به گزارش فرارو به نقل از پاپولر مکانیکس، چگونگی آغاز حیات روی زمین از زمانی که انسان توانست درباره منشأ وجود خود بیندیشد، ذهن دانشمندان، فیلسوفان و متفکران دینی را به خود مشغول کرده است. اگرچه تمدن‌های مختلف روایت‌های متفاوتی درباره پیدایش جهان و زندگی ارائه کرده‌اند، دانشمندان طی قرن گذشته تلاش کرده‌اند توضیحی مبتنی بر شواهد علمی برای این پرسش پیدا کنند.

یکی از نقاط عطف این تحقیقات در سال ۱۹۷۷ رقم خورد؛ زمانی که پژوهشگران مؤسسه اقیانوس‌شناسی وودز هول، چشمه‌های آب گرم هیدروترمال را در نزدیکی جزایر گالاپاگوس کشف کردند. این ساختارها در مناطق فعال کف اقیانوس و محل حرکت صفحات زمین شکل می‌گیرند.

دانشمندان در اطراف این چشمه‌ها موجودات زنده‌ای را یافتند که پیش‌تر مشاهده نشده بودند. چند سال بعد، این کشف به شکل‌گیری فرضیه‌ای انجامید که بر اساس آن، ممکن است برخی از نخستین مراحل پیدایش حیات در همین محیط‌های زیرآبی رخ داده باشد؛ محیط‌هایی سرشار از مواد شیمیایی و فلزاتی که می‌توانستند در شکل‌گیری نخستین اجزای حیات نقش داشته باشند.

اما یک مطالعه جدید اکنون دیدگاه متفاوتی را مطرح کرده است: شاید حیات روی زمین تنها یک‌بار آغاز نشده باشد.

دو مسیر متفاوت برای آغاز حیات

بر اساس این پژوهش، دو گروه اصلی از موجودات تک‌سلولی موسوم به پروکاریوت‌ها، یعنی باکتری‌ها و آرکی‌ها، ممکن است به‌طور مستقل از یکدیگر به شکل امروزی حیات دست یافته باشند. ویلیام مارتین، زیست‌شناس دانشگاه دوسلدورف و نویسنده ارشد مطالعه، می‌گوید داده‌های جدید تنها یک نتیجه‌گیری را ممکن می‌کنند: دودمان‌های باکتریایی و آرکیایی به‌طور مستقل از یکدیگر به مرحله زندگی آزاد رسیده‌اند.

نتایج این تحقیق توسط یک گروه بین‌المللی از پژوهشگران در مجله «Science Advances» منتشر شده است. درخت حیات معمولاً به دو گروه بزرگ تقسیم می‌شود. پروکاریوت‌ها موجوداتی تک‌سلولی هستند که هسته محصور در غشا و اندامک‌های داخلی پیچیده ندارند و باکتری‌ها و آرکی‌ها را شامل می‌شوند. گروه دوم، یوکاریوت‌ها، موجوداتی پیچیده‌تر هستند که می‌توانند چندسلولی باشند و انسان، حیوانات، گیاهان و بسیاری دیگر از اشکال حیات را دربرمی‌گیرند.

بر اساس دیدگاه رایج، نخستین محیط‌های هیدروترمال شرایط شیمیایی مناسبی برای شکل‌گیری مواد اولیه حیات فراهم کردند. این مواد بعدها به پروکاریوت‌ها تبدیل شدند و میلیاردها سال بعد، از طریق فرایندی به نام «هم‌زیستی درون‌یاخته‌ای»، زمینه پیدایش یوکاریوت‌ها را فراهم کردند.

فلزات؛ بازیگران فراموش‌شده آغاز حیات

پژوهشگران در مطالعه جدید، ژنوم‌ها، ساختار پروتئین‌ها و واکنش‌های شیمیایی مربوط به نخستین مراحل تکامل میکروبی را بررسی کردند. آن‌ها ۴۲۰ واکنش شیمیایی مرتبط با «سوخت‌وساز» یا متابولیسم را مورد مطالعه قرار دادند؛ واکنش‌هایی که مواد اولیه‌ای مانند اسیدهای آمینه ضروری، اجزای آران‌ای و ویتامین‌ها را ایجاد می‌کنند. این مواد می‌توانستند از گاز هیدروژن، آمونیاک و دی‌اکسیدکربن موجود در زمین اولیه شکل بگیرند.

یکی از یافته‌های مهم پژوهش این بود که فلزات طبیعی موجود در چشمه‌های هیدروترمال احتمالاً نقشی بسیار مهم‌تر از آنچه تصور می‌شد داشته‌اند. بررسی‌ها نشان داد «آخرین نیای مشترک جهانی» یا LUCA تنها توانایی استفاده از آنزیم‌های لازم برای حدود نیمی از این واکنش‌ها را داشته و در بسیاری از واکنش‌های دیگر، فلزات می‌توانسته‌اند جایگزین آنزیم‌ها شوند.

هارون توی‌سوز، شیمی‌دان معدنی مؤسسه ماکس پلانک و یکی از نویسندگان مطالعه، می‌گوید فلزات موجود در چشمه‌های هیدروترمال می‌توانند جای تعداد شگفت‌آوری از آنزیم‌ها را در فرایندهای متابولیک بگیرند.

پژوهشگران بر اساس این یافته‌ها، چهار مرحله برای شکل‌گیری حیات اولیه در نظر گرفتند: مرحله‌ای که واکنش‌ها تنها به فلزات وابسته بودند، مرحله‌ای ترکیبی از فلزات و آنزیم‌ها در LUCA و سپس دو مسیر تکاملی جداگانه که در نهایت به نیاکان باکتری‌ها و آرکی‌ها منتهی شدند.

یک منشأ برای کد ژنتیکی، دو منشأ برای حیات؟

شگفت‌انگیزترین بخش تحقیق این است که آنزیم‌هایی که برخی واکنش‌های شیمیایی حیاتی را در باکتری‌ها و آرکی‌ها تسهیل می‌کنند، الزاماً یکسان و مشترک نیستند.

به بیان ساده‌تر، ممکن است هر دو گروه به یک واکنش متابولیک مشابه نیاز داشته‌اند، اما هر کدام به‌طور مستقل راهی متفاوت برای انجام آن پیدا کرده باشند. همین موضوع می‌تواند توضیح دهد که چرا دو شاخه اصلی پروکاریوت‌ها با وجود شباهت‌های بنیادین، تفاوت‌های مهمی در سازوکارهای زیستی خود دارند.

پژوهشگران همچنین این احتمال را مطرح کرده‌اند که واکنش میان فسفیت و پالادیم، دو ماده‌ای که در اطراف چشمه‌های هیدروترمال یافت می‌شوند، در مراحل بسیار اولیه حیات نقش موتور شیمیایی را ایفا کرده و پیش از شکل‌گیری سازوکارهای پیچیده مبتنی بر ای‌تی‌پی و آنزیم‌ها، انرژی لازم برای برخی واکنش‌های حیاتی را فراهم کرده باشد.

هنوز هیچ نشانه مستقیمی از وجود حیات در جهان‌های کشف‌شده خارج از منظومه شمسی پیدا نشده است. با این حال، زمین همچنان نمونه‌ای استثنایی از تنوع و پیچیدگی حیات ارائه می‌دهد. اگر این فرضیه جدید درست باشد، حتی ممکن است داستان پیدایش زندگی روی زمین یک بار نوشته نشده باشد؛ بلکه دو مسیر مستقل، در محیطی که زمانی سرد، خشن و ظاهراً بی‌جان بود، به شکل‌گیری حیات منجر شده باشند. اخبار مرتبط کشف سیاره‌ای با احتمال زیست‌پذیری پزشکیان: دانشمندانی داریم که نیاز ما به بیگانگان را کاهش می‌دهند