زمین اولیه و خاستگاه حیات (1) پیدایش زمین و آزمایش میلر

زمین اولیه و خاستگاه حیات (۱)

پیدایش زمین و آزمایش میلر

آیا حیات روی زمین جوان آغاز شده است؟

ما درباره ی گذشته های زمین چه میدانیم ؟

تقریبا سه میلیارد سال پیش ، زمین دارای آتشفشان های زیادی بود که گرد و غبار و گازها را در جو و سنگ های مذاب را روی سطح زمین پهن میکرد . تخته سنگ های سبز متمایل به زرد بسترهای ضخیم پروکاریوتی هستند ، که در یک خط ساحلی دیده می شوند .

نکته ی بسیار مهم : اکسیژن که از باکتری های فتوسنتز کننده در پوشش های بستر آزاد میشود ، برای همیشه جو را تغییر خواهد داد .

از وقتی که حیات آغاز شده تاریخچه ی زیست شناسی و زمین شناسی به هم وصل شده اند ، پروکاریوت ها فتوسنتز کننده که نخستین باز اکسیژن را در هوا آزاد کردند به طور کامل جو زمین را تغییر دادند . اخیرا ظهور انسان اندیشمند با سرعت و به میزانی که برای یک گونه ی واحد سابقه نداشته ، خشکی و آب و هوا را تغییر داده است.

زمین یکی از هشت سیاره ای است که به دور خورشید می گردد . راه شیری به نوبه ی خود یکی از میلیارد ها کهکشان در جهان است نگاه کردن به ستاره ها به ما این اجازه را می دهد که نگاهی به گذشته بیندازیم . نزدیکترین ستاره به خورشید چهار سال نوری با ان فاصله دارد . بعضی از ستاره ها آنقدر دورند که حتی اگر میلیون ها سال پیش نابود شده باشند هنوز آنها را میبینیم . ولی ستاره های جدیدی وجود دارند که چون نور آن ها هنوز به زمین نرسیده است دیده نمی شوند.

جهان همیشه چنین وسعتی نداشته است . پیش از آن که به جهان به شکل کنونی وجود داشته باشد همه ی مواد آن در یک توده مترکز بوده است .

منظومه ی شمسی احتمالا از یک ابر غبارآلود در حال چرخش منشا گرفته است برای شکل گیری خورشید بیشتر غبارها در مرکز متراکم شده اند و برخی مواد ، باقی مانده است . که در چنین حلقه ی متحدالمرکز ، در اطراف خورشید میچرخند . درون هر مدار مرکزی جاذبه ی کافی برای کشیدن غبارهای مجاز و ذرات یخ را دارد و موجب شکل گیری سیارات شده اند .

پیدایش منظومه شمسی

زمین حدود ۴،۵ میلیارد سال پیش به صورت یک دنیای سرد تشکیل شده است ، بعدها حرارت تولید شده در اثر برخورد شهاب سنگ ها، تجزیه ی مواد رادیواکتیو و محکم به هم فشرده شدن به وسیله ی جاذبه ، زمین را ذوب و در نهایت آن را به یک توده ی مذاب تبدیل کرده بعدا این توده در لایه های چگالی های مختلف نظم گرفت که بیشتر نیکل و آهن در مرکز آن فرورفتند و یک هسته را تشکیل دادند. مواد با چگالی کمتر ، در پوششی به نام جبه در اطراف هسته متمرکز شدند . و مواد با کمترین چگالی در سطح قرار گرفتند و در یک پوسته ی نازک به حالت جامد در آمدند .

جو نخستین بیشتر از گاز هیدروژن H داغ تشکیل شده بود چون جاذبه ی زمین به اندازه ی کافی برای نگهداشتن چنین مولکول های کوچکی قوی نبود H₂ به زودی به فضا فرار کرده است . آتشفشان ها و سایر منافذ موجود در پوسته ، گازهایی را خارج کردند که اتمسفر جدیدی را به وجود آورد . تجزیه گازهایی که از آتشفشان های جدید خارج میشوند . پژوهشگران به این فکر افتادند که این دومین جو ابتدایی از منواکسیدکربن ، دی اکسیدکربن ، نیتروژن و بخار آب ، مقداری متان و آمونیاک تشکیل شده بوده است .

زمین جوان

نه تنها جو زمین جوان با جوی که امروز می شناسیم متفاوت بوده است بلکه رعد و برق ، فعالیت آتشفشانی و پرتو فرابنفش بسیار قویتر بودند . حیات در چنین محیطی آغاز شد .

جالب است که سنگواره ها شاهدهای خوبی هستند که نشان می دهند در مدت چند صد میلیون سال بعد از جامد شدن پوسته ی زمین مواد غیر زنده به جانداران سلولی ابتدایی تکامل یافتند . از روی ساختار ساده ی سلول های پروکاریوتی می توانیم حدس بزنیم که موجودات زنده ی اولیه ، پروکاریوت های ابتدایی بودند و ثبت های سنگواره ای این نظر را تایید می کنند . شاهدی از حیات پروکاریوتی (حتی قدیمی تر) در استروماتولیت ها موجود است.

پروکاریوتهای فتوسنتز کننده از ساده ترین انواع جاندارانی هستند که آن ها را به عنوان اتوتروف می شناسیم . البته فتوسنتز یک فرایند متابولیسمی ساده نیست و بعید است که باکتری های فتوسنتز کننده ، اولین شکل های حیات روی زمین بوده باشند و این را فهمیدیم که ۳،۵ میلیارد سال پیش پروکاریوت های فتوسنتز کننده به خوبی رشد کرده اند ، این موضوع این فرضیه را تایید میکند که حیات در شکل ساده تر که قادر به ساختن مولکول های غذایی خود نبوده ، زودتر ، تکامل یافته است .

حیات چگونه شکل گرفت ؟

از زمان یونان باستان تا قرن نوزدهم این ایده وجود داشت که حیات همیشه از ماده ی غیر زنده منشا میگیرد و خیلی از مردم بر این باور بودند مثلا مگس از گوشت فاسد ، ماهی ها از گل و لای اقیانوس ، … و جانداران میکروسکوپ از آبگوشت به وجود آمدند با این وجود بحث درباره ی این موجودات میکروسکوپی چگونه به وجود می آیند تا دهه ی ۱۸۶۰ ادامه داشت و در سال ۱۸۶۲ پژوهشگر بزرگ فرانسوی ، لویی پاستور ، آن چیزی را که خیلی از افراد به آن شک داشتند را تایید کرد .

امروزه همه ی موجودات زنده از حمله میکروب ها فقط از طریق تکثیر موجود زنده ی قبل از خود می ایند . پاستور به بحث و گفتگو درباره ی تولید خودبخودی جانداران خاتمه داد اما پاسخی برای این پرسش که چگونه حیات در مکان اولیه شکل گرفت ارائه نداد .

اما چه اتفاقی منجر به پیدایش حیات شد ؟

بیشتر زیست شناسان با این فرضیه موافقند که ابتدایی شکل حیات بسیار ساده تر از موارد زنده ی امروزی است و پیدایش این نوع حیات بسیار ساده برای نخستین بار از مواد غیر زنده صورت گرفته است . چون موجودات زنده شامل پلیمر هایی هستند که از مولکول های آلی کوچک ( مونومر ها ) تشکیل شده اند . پس پیدایش و جمع شدن مولکول های آلی کوچک باید از ابتدایی ترین مراحل شیمیایی و مقدم بر پیدایش حیات باشد . بعضی از پژوهشگران گفته اند که شهاب سنگ ها و ستاره های دنباله دار منشا این مولکول های آلی کوچک در کره زمین بوده اند اما نظر اصلی آن است که بیشتر مولکول های آلی اولیه ، از مواد غیر آلی در زمین اولیه منشا گرفته است.

دومین مرحله ی مقدم بر پیدایش حیات را تشکیل پلیمر هایی از قبیل وپروتئین ها و اسید های نوکلئیک از مونومرهای آلی، می دانند و این موضوع این امکان را به وجود می آورد که پلیمر ها و مونومر ها ، مجموعه هایی را تشکیل داده اند که در مقایسه با اطراف ، خصوصیات شیمیایی متفاوتی داشته باشند . وراثت نیز ممکن است طی این مرحله شکل بگیرد .

از آزمایشهای یک دانشمند به نام استانلی میلر فهمیدند که پیدایش مولکول های آلی میتوانسته روی یک زمین فاقد حیات صورت بگیرد. اما فرآیندی که به وسیله ی آن پیدایش مولکول های حیاتی در زمین ابتدایی انجام شده است دقیقا چیست؟

آزمایش های میلر

آزمایش های میلر ،آزمایش فرضیه ای درباره ی منشا حیات بود . که توسط بیوشیمی دان روسی به نام آپارین و ژنتیک دان انگلیسی به نام هالدین مطرح شده بود .آنها پیشنهاد کرده بودند که شرایط موجود در زمین اولیه ، توانسته است مجموعه ای از مولکول های آلی را تولید کند . که این مولکول ها باعث به پیدا شدن نخستین موجودات زنده شوند . آنها می گفتند چون جو امروزی غنی از اکسیژن است ، بنابراین شرایط کنونی موجود در زمین اجازه ی سنتز خود به خودی ترکیبات آلی را به آسانی نمیدهد ، اکسیژن مخرب است اکسیژن به عنوان یک عامل اکسید کننده ی قوی از طریق گرفتن الکترون ها از پیوندهای شیمیایی موجب شکستن پیوند ها می شود . ناگفته نماند که پیش از آن که پروکاریوت های اولیه اکسیژن را به هوا اضافه کنند ، زمین احتمالا به ما جو اکساینده ، جوی کاهنده داشته است . پروفسور میلر چندین سال پیش برای ما این چنین عنوان کرد که جو اولیه دارای گازهای متان ، آمونیاک ، هیدروژن و آب بوده و واکنش های شیمیایی در آن جو اولیه ، مولکول های آلی اولیه را تولید کرده است.

آزمایش مولر- اوری

ساختن مولکول های پیچیده از مولکول های ساده به انرژی نیز نیاز دارد . میلر و اوری استدلال کردند که در محیط اولیه زمین ، منابع فراوانی از انرژی موجود بودن است . علاوه بر رعدوبرق ، پرتو فرابنفش در مقایسه با شرایط کنونی ، احتمالا با شدت بیشتری به سطح زمین می رسیده است .میلر و اوری پیش بینی کردند در شرایطی مشابه زمین اولیه مولکول های آلی از مولکول های غیر آلی به وجود می آید .

دکتر میلر آزمایشی انجام داده است که این دستگاه چگونه شرایط موجود در زمین اولیه را شبیه سازی می کند . بالن آب گرم نمایانگر دریای ابتدایی بود .

stanley miller – استنلی میلر

Harold Urey – هارولد اوری

جو مخلوطی از بخار آب NH₃-H₂ – CH₂ شامل می شده است . که پژوهشگران به این باور بودند ، که این گازها در دنیای قدیمی ، غالب بوده اند . برای شبیه سازی رعد و برق ، الکترودها ، جرقه هایی در این مخلوط گاز تخلیه می کردند . در زیر محفظه جرقه ، یک پوشش شیشه ای به نام متراکم کننده بخار آب موجود در مخلوط گازی را سرد و متراکم میکرد و موجب می شد باران همراه با ترکیبات محلول در آن به دریای کوچک برگردانده شود . وقتی که مواد در دستگاه به گردش درآمدند ، محلول موجود در بالن به آرامی تغییر رنگ داد . دکتر میلر چنین شرح داد که اولین دفعه ای که این آزمایش را انجام دادم محلول به رنگ قرمز درآمد ، همین طور که جرقه زدن ادامه یافت بیشتر به رنگ زرد و سپس به رنگ قهوه ای در آمد . بعد از یک هفته میلر انواع ترکیبات آلی مانند برخی آمینواسیدهای سازنده ی پروتئین های جانداران را در این محلول پیدا کرد . و جای تعجب بود که ترکیبات آلی که از نظر زیست شناسی بسیار اهمیت داشت را به دست آوردیم و آمینواسید ها نه در مقدار کم بلکه خیلی زیاد ساخته شده بود . و این آزمایش بیشتر از انتظار ما نتیجه داشت .

آزمایش های اولیه ی میلر ، بررسی های زیادی را در زمینه ی پیش حیاتی ترکیبات آلی باعث شد . دکتر میلر با ایجاد تغییراتی در دستگاه میلر بیش از بیست آمینواسیدی که به طور معمول در جانداران پیدا می شود . همینطور قندها ، لیپید ها ، بازهای نیتروژنی موجود در نوکلئوتیدهای DNA, RNA و حتی ATP را ساخته اند . این بررسی های آزمایشگاهی این مطلب را تایید می کند . که پیش از پیدایش خود حیات در زمین اولیه بسیاری از مولکول های الی که موجودات زنده را به وجود می آورند توانسته اند پیدا شوند . حالا پژوهشگران عقیده دارند که ترکیب جوی زمین اولیه تا اندازه ای با انچه که میلر در اولین آزمایش تاریخی خود فرض کرد تفاوت دارد . آتشفشان های جدید Co₂– Co و بخار آب منتشر می کنند و احتمالا دارد که این گازها هنگام پیدایش اولیه حیات ، در جو فراوان بوده باشند . NH₃-H₂ – CH₂ا حتمالا ترکیبات اصلی نبودند.

پژوهشگران شک دارند که جو اولیه ، نقش مستقیمی در واکنش های شیمیایی اولیه ایفا کرده باشد . در عوض ، آتشفشان زیر آب و منافذ موجود در دریای عمیق یعنی شکاف هایی که پیوسته ی زمین وجود دارد ، محل وارد شدن آب داغ و مواد معدنی به اقیانوس های عمیق است . که این ممکن است منابع اولیه مواد شیمیایی را درست کند .