داستان پیدایش حیات

این پرسش بنیادین که «چگونه زندگی روی زمین آغاز شد؟»، یکی از کهن‌ترین سؤالات در میان همه فرهنگ‌ها، اقوام، مذاهب و جوامع گوناگون در تاریخ شناخته‌شده‌ بشر است.

شعار سال: تا پیش از کشفیات دانشمندان در دوران اخیر، هریک از گروه‌های جمعیتی بشری، بر‌اساس چارچوب فکری خود پاسخ این پرسش را بیان کرده‌اند؛ پاسخ‌هایی که اصولا به دو شکل کلی بودند: پاسخ‌های گروه بزرگی از جمعیت‌ها بر‌اساس برداشت از نظام‌های فکری پیش از خود استوار بوده است که اغلب در برخی از موارد، تغییراتی برای هم‌خوانی با تفکرات زمان خود در آنها اعمال می‌شده است. گروه کوچک‌تر دیگر بر‌اساس آنچه در اطراف خود در طبیعت می‌دیدند، نزدیک‌ترین و آسان‌ترین پاسخ را بر‌اساس توانایی درک افراد کلونی یا پیروان خود بیان می‌کردند. در طول تاریخ شناخته‌شده بشر موارد متعددی از نگرش اتکا به قدرت‌های ماورایی به‌عنوان دلیل برای رویدادهای طبیعی مشاهده‌ شده است. گروه‌های جمعیتی در مواجهه با حوادث طبیعی این رویدادها را ناشی از دعوای خدایان، خشم و قدرت‌نمایی آنها بر خود می‌دانستند. اقوام دوران مختلف در تاریخ بشر نزدیک‌ترین و آسان‌ترین پاسخ برای وقوع رعدوبرق، توفان، سیل، زلزله و خشک‌سالی و... را ناشی از اراده نیروهای ماورایی در آسمان‌ها می‌دانستند (زئوس خدای باران و رعدوبرق)، در‌حالی‌که در دوران فعلی، پیشرفت در علوم باعث شده است تا پاسخ‌های بسیار دقیق، مستند و قابل راستی‌آزمایی از سوی دانشمندان برای رویدادهای متفاوت طبیعی ارائه شود؛ اما درباره چگونگی پیدایش حیات روی زمین هرچند که اطلاعات بسیار خوبی از چگونگی این فرایند در دیدگاه کلی آن داریم؛ اما هنوز نقاط مبهمی وجود دارد که دانشمندان به شکل پیوسته در حال تبیین نظریات جدید برای آنها هستند.
درباره بررسی چگونگی آغاز زندگی روی زمین، لازم است ابتدا به کلیات چهارچوب حیات بپردازیم و ببینیم که زندگی در علوم زیستی به چه معناست و در چه محدوده‌هایی تعریف می‌شود. حیات (بنا به نظر اکثریت دانشمندان) در علم این‌گونه تعریف می‌شود: هر مجموعه‌ای که دارای «متابولیسم-فعالیت‌های شیمیایی» باشد و با «مصرف انرژی» بتواند «رشد» و «تولید مثل» کند. این مجموعه باید دارای خواصی باشد که بتواند آن را «منحصربه‌فرد» کرده و امکان «تغییر در نسل‌های بعدی» را داشته باشد. در یک تعریف کلی موجود زنده یک بیوسیستم است که به وسیله یک غشا یا دیواره محصور و از محیط اطرافش متمایز شده، فرمی از انرژی را از محیط می‌گیرد و با تبدیل و مصرف انرژی و به‌کارگیری مواد محیط، کالبد خود را ساخته یا تعمیر می‌کند و به ‌طور فعال با صرف انرژی و غلبه بر آنتروپی، جلوی متلاشی‌شدن کالبد خود را می‌گیرد. درعین‌‌حال این بیوسیستم حاوی یک بسته اطلاعاتی است که در فرایند همانندسازی و تولید مثل عینا؛ ولی به ‌طور نادقیق در بیوسیستم‌های دیگر کپی‌سازی می‌شود. بر‌اساس این تعریف همه گونه‌های گیاهان، جانوران (انسان به‌عنوان گونه هومو ساپینس در این فرمانرو سلسله قرار دارد)، قارچ‌ها، آغازیان و باکتری‌ها همگی به‌عنوان موجود زنده محسوب می‌شوند. در میان تمام انواع گونه‌های موجودات زنده، از باکتری‌ها به‌عنوان ساده‌ترین موجود زنده تا انسان به‌عنوان دارنده گسترده‌ترین و پیچیده‌ترین شبکه عصبی در میان گونه‌های جانوری، همه در پایه‌ترین واحد زیستی دارای سلول هستند. درواقع سلول واحد بنیادین ساختاری و کارکردی همه جانداران (ارگانیسم‌های موجودات زنده) است. سلول مهم‌ترین نقطه اشتراک همه موجودات زنده، چه تک‌سلولی و چه پُرسلولی است.
سلول، نقطه‌ آغازین پدیدارشدن هر نمونه از گونه‌های زیستی است. هر سلول به‌عنوان نقطه شروع حیات، نیازمند دستورالعمل، مواد اولیه و انرژی برای ساخت آن موجود زنده است. برای کشف ریشه مشترک موجودات زنده نیازمند بررسی این دستورالعمل هستیم. دستورالعمل ساخت یک موجود زنده با مولکول DNA در سلول‌ها نگهداری می‌شود. این دستورالعمل که برای تشکیل اندام‌های موجودات زنده استفاده می‌شود، دارای یک ‌زبان مشترک است که به آن الفبای ژنتیک گفته می‌شود. درواقع «دستور زبان» فرمولی که برای ساخته‌شدن انگشت پای ما استفاده ‌شده است، دقیقا مانند «ستور زبانی» است که فرمول ساخته‌‌شدن یک برگ درخت را مشخص کرده است. در این زبان مشترک، تنها چهار حرف وجود دارد: A، T، C و G. هریک از این حروف نشانگر نام یک مولکول باز آلی (یکی از انواع ترکیبات شیمیایی) هستند. دستورالعمل ساخت هر جزء از یک موجود زنده یا انواع فعالیت‌های دیگر زیستی در قالب رشته‌ای طولانی از این چهار حرف که در کنار هم قرار گرفته‌اند، تعریف می‌شود. بر‌اساس عملکرد هر رشته، بخش مشخص‌شده‌ای از دستورالعمل کلی ساخت موجود زنده با نام ژن مورد شناسایی قرار می‌گیرد. به ‌طور مثال گروهی از ژن‌ها با عنوان HOX در دوران جنینی مهره‌داران مسئول ایجاد اسکلت بدن از دم تا سر است. این گروه ژنی در انواع پرسلولی‌ها از مگس سرکه (Nature, 1997) تا مرغ، خفاش، کوسه، گربه، انسان و... وجود دارد. بعد از کشف این‌ شباهت‌های ژنی در بین انواع گونه‌های موجودات زنده با یکدیگر (به ‌طور مثال انسان به‌عنوان گونه هومو ساپینس با مرغ و موز حدود 60 درصد محتوای ژنتیکی مشترک دارد
(National Human Genome Research Institute) و برخی خواص دیگر زیستی مشترک، توانسته‌اند درخت ارتباطی بین موجودات زنده را طراحی کنند.
این درخت در پایین‌ترین قسمت خود که با نام ریشه درخت حیات شناخته می‌شود به یک نقطه خواهد رسید. این نقطه را آخرین (از نزدیک‌ترین اجداد به دورتر) جد مشترک همه موجودات و با نام مخفف انگلیسی LUCA
(Last Universal Common Ancestor) می‌نامند. در سال ۲۰۱۶ در مقاله‌ای که در نشریه
Nature Microbiology منتشر شد، دانشمندان اعلام کردند که تعداد 355 ژن مشترک که برای تمام فعالیت‌های اولیه و حیاتی در ابتدایی‌ترین موجود زنده نیاز بوده و بین همه موجودات زنده مشترک است را شناسایی کرده‌اند. بر اساس محاسبات انجام‌شده، دانشمندان احتمال می‌دهند که این جد مشترک حدود 3.8 میلیارد سال قبل روی کره زمین به وجود آمده باشد. برای اینکه بتوانیم دیدگاه بهتری در مورد وجود یک موجود تک‌سلولی به عنوان جد مشترک همه موجودات زنده به دست آوریم، اجازه دهید از زاویه دیگری به پیدایش هر نمونه از گونه‌های زنده نگاه کنیم. این موضوع قابل‌انکار نیست که هر موجود زنده در اولین نقطه تشکیل خود، چیزی جز یک سلول بارورشده نبوده است و این سلول بارورشده بر اساس دستورالعمل ساخت اندام‌ها و فعالیت‌های زیستی موجود در کدهای ژنتیکی (که در سلول آن وجود دارد) تبدیل به یک موجود زنده کامل می‌شود. فارغ از هرگونه پیچیدگی زیستی جانداران از انسان تا باکتری تک‌سلولی، دستورالعمل ساخت موجودات زنده می‌تواند از ساده‌ترین کدها مثل 355 ژن برای اولین موجود زنده تا چند هزار ژن برای گونه‌های پیشرفته دیگر تغییر کند. سلول اولیه با دسترسی به مواد مورد نیاز و تأمین انرژی بر اساس دستورالعمل‌های ژنتیکی بدون نیاز به هیچ عامل اضافی دیگری در طول زمان می‌تواند از یک سلول به یک موجود زنده پیچیده تبدیل شود. این مدت‌زمان برای هر گونه متفاوت است به شکلی که در گونه هوموساپینس (انسان) 9‌ماه به طول می‌انجامد.
درک چگونگی فرایند پیدایش حیات تا گسترش تنوع زیستی به شکل امروزی کاری سخت است. یکی از بزرگ‌ترین عوامل سختی درک این فرایند، درک زمان‌های طولانی برای ماست. هر یک از گونه‌های موجودات زنده درک خاصی از مفهوم زمان دارند. انسان با کمک شبکه عصبی پیچیده خود می‌تواند درک متفاوتی از زمان نسبت به سایر گونه‌ها داشته باشد. ما برای درک طول مدت زمان به حافظه خود مراجعه می‌کنیم. هر مقدار که داده‌ها در زمان‌های متفاوت در حافظه ما باقی مانده باشد با یادآوری آنها می‌توانیم تجسمی از طول مدت زمان داشته باشیم. به‌طور مثال ما احتمالا می‌توانیم رخدادی که در حدود ۵۰ سال پیش افتاده باشد را به خاطر بیاوریم و به پشتوانه این خاطرات مدت ‌زمانی 50 سال آینده را تجسم کنیم. اما تجسم گذر از صد سال بسیار مشکل خواهد بود چون اکثریت افراد، خاطرات و آنچه در طول صد سال بر آنها گذشته است را بسیار سخت به خاطر خواهند آورد. اکنون‌ که بر اساس جدیدترین یافته‌های دانشمندان می‌دانیم اولین جرقه‌های حیات حدود 3.8 میلیارد سال پیش رخ‌ داده است، متوجه می‌شویم که درک گذر این مدت بسیار طولانی برای ما بسیار دشوار خواهد بود. همین دشواری باعث می‌شود نتوانیم نگاهی بلندمدت به فرایندهای زیستی داشته باشیم و هر آنچه در اطرافمان رخ‌ داده است را در قالب مدت ‌زمانی حدود 50 سال تصور کنیم و با وجود این ضعف در درک زمان‌های طولانی نتوانیم درک خوبی از چگونگی پیدایش تنوع بسیار بالای زیستی با تمام پیچیدگی‌هایش داشته باشیم. برای حل این مشکل و درک بهتر مسیر طی‌شده توسط حیات روی زمین باید نقاط کلیدی را به‌عنوان نقاط تحولات اساسی در سرگذشت حیات مشخص کنیم. با مشخص‌کردن این نقاط و ایجاد بازه‌های زمانی کمی کوچک‌تر می‌توانیم به شکل بهتری دید کلی نسبت به این رویداد به دست آوریم. به نظر می‌رسد برای شروع باید به زمان احتمالی پیدایش آخرین جد مشترک همه موجودات زنده (LUCA) بازگردیم. بر اساس آخرین یافته‌های محققان که در نشریه Nature در تاریخ 27 سپتامبر 2017 به چاپ رسیده است قدیمی‌ترین فعالیت زیستی مربوط به 3.95 میلیارد سال قبل بوده که احتمالا این زمان شروع یک بازه زمانی 200میلیون‌ساله برای پیدایش آخرین جد مشترک همه موجودات زنده بوده است. دستاورد این بازه زمانی برای حیات پیدایش اولین سلول‌های پروکاریوتی بوده است؛ سلول‌هایی بسیار ابتدایی و ساده که فاقد هسته سلولی واقعی و اندامک‌های سلولی غشاءدار بوده‌اند. بر اساس آخرین فسیل‌های یافت‌شده حدود 3.5 میلیارد سال پیش، اولین موجودات زنده تک‌سلولی ساکن زمین اولیه شدند
(Research in Microbiology, Vol. 154, 2003).پیش از پیدایش موجودات اولیه چندسلولی برای مدت زمان بسیار طولانی زمین قلمرو یکه‌تازی موجودات تک‌سلولی پروکاریوتی بوده است. سیانوباکتری‌ها یا جلبک‌های سبزآبی در حدود سه میلیارد سال قبل دومین تحول بزرگ در مسیر حیات را به وجود آوردند. در این زمان از تاریخ حیات، سیانوباکتری‌ها فعالیت پیشرفته فتوسنتز را آغاز کردند و اکسیژن به‌عنوان یک محصول جانبی فعالیت‌های زیستی آنها به‌آرامی وارد جو زمین شد. این فرایند به‌آرامی ادامه پیدا کرد تا در حدود 2.4 میلیارد سال پیش، جو جدید غنی از اکسیژن زمین به وجود آمد. حدود 550 میلیون سال بعد از پدیدارشدن جو غنی از اکسیژن کره زمین، در حدود 1.85 میلیارد سال قبل، تحول بزرگ بعدی در داستان زندگی رخ داد: به‌وجودآمدن آخرین جد مشترک موجوداتی که دارای سلول‌های یوکاریوتی هستند. سلول‌های یوکاریوتی که احتمالا از ترکیب سلول‌های پروکاریوتی بر اساس فعل‌وانفعالات خاصی به وجود آمده‌اند، دارای هسته سلولی واقعی هستند. این اولین گام در مسیر پیدایش موجودات پرسلولی بوده است. میلیون‌ها سال بعد از آن در حدود 1.5 میلیارد سال قبل (Proc Biol Sci) اجداد اولیه‌ ما و سایر حیوانات، از اجداد اولیه گیاهان و قارچ‌ها از یکدیگر جدا شده و هرکدام مسیر خود را تا رسیدن به تنوع و گوناگونی امروز طی کردند.
شناخت چگونگی پیدایش زندگی روی کره زمین به دو بخش رویدادها‌(و زمان این
رویدادها)ی پیش و پس از پیدایش آخرین جد مشترک همه موجودات LUCA تقسیم می‌شود. برای تاریخ‌نگاری و مستندسازی بخش دوم از سرگذشت حیات روی زمین ابزارهای علمی متعددی وجود دارد. انواع علوم زیستی و زمین‌شناختی با داشتن ابزارهایی مثل شناسایی فسیل‌ها، ژنتیک، ساعت مولکولی، ریخت و اندام‌شناسی موجودات زنده و... با دقت و صحت بسیار خوبی توانسته‌اند یک چارچوب کلی با جزئیات مناسب از این بخش از تاریخ حیات در اختیار ما قرار دهند(Nature Ecology & Evolution, Vol. 2, 2018). اما آنچه در پیش از پیدایش آخرین جد مشترک همه موجودات زنده رخ‌ داده، کاملا شفاف نیست. دانشمندان در طی نیم‌قرن اخیر نتایج و اطلاعات خوبی در این زمینه در اختیار ما قرار داده‌اند. عمده‌ترین پرسش در این بخش از داستان آغاز زندگی، چگونگی پیدایش اولین سلول ساده زیستی است. پاسخ به این سؤال بر اساس دو فرضیه قابل‌ ارائه است؛ فرضیه اول بر اساس پیدایش سلول‌های اولیه در خارج از کره زمین استوار است. گروهی از محققان بر این باور هستند که ممکن است سلول‌های اولیه از جایی خارج از کره زمین به اینجا آورده شده و بعد در کره زمین مسیر تاریخی خود را طی کرده باشند. این فرضیه به نام پان‌اسپرمیا
(Panspermia) معروف است، اما فرضیه بسیار جدی دوم که شواهد زیادی از آن پشتیبانی می‌کنند، با نام بی‌جان‌زایش یا آبیوژنسیس (Abiogenesis) در روی زمین مطرح می‌شود. بی‌جان‌زایش یعنی فرایند پیدایش ساده‌ترین سلول زیستی از مواد شیمیایی. در بررسی فرایندهای پیدایش اولین سلول زیستی از مواد اولیه شیمیایی، دو محور عمده مورد بررسی قرار می‌گیرند؛ اول جزئیات چگونگی تأمین اجزای اولیه مثل مولکول‌های شیمیایی حامل کدهای ژنتیکی و دوم محیط و شرایطی که این اجزا بر اساس قوانین فیزیکی و شیمیایی توانسته‌اند در کنار یکدیگر پیش‌سلول‌های اولیه و سپس سلول‌های ساده زیستی ابتدایی را به وجود آورند. پرداختن به جزئیات بی‌جان‌زایش نیازمند مطالب بسیار مفصل و طولانی است که قطعا در این نوشته فعلی مجالی برای پرداختن به آن نیست، اما برای آشنایی اولیه با این مفهوم برخی موارد در ادامه مطرح می‌شوند.
در مورد چگونگی تأمین اجزای اولیه سلول‌های زیستی، دانشمندان معتقد هستند که احتمالا بخشی از بلوک‌های سازنده اجزای اولین سلول‌های حیاتی از فضای خارج از زمین توسط اجرام فضایی به زمین آورده شده (Topics in Current Chemistry. 2013, 333:307) و بخش دیگری هم ممکن است که روی زمین در محیط‌هایی که امکان فعالیت‌های شیمیایی خاص در شرایط زمین اولیه در آنها وجود داشته است، ساخته ‌شده باشند. درک چگونگی امکان ساخته‌‌شدن سلول‌های اولیه زیستی از اجزای سازنده آنها نیازمند درک زمان و شرایط اولیه حاکم بر زمین است. اگر به زمانی معادل چندصد میلیون سال و محیط بسیار خشن شیمیایی زمین اولیه در کنار هم توجه کنیم، می‌توانیم چشم‌انداز مناسبی از چگونگی فرایند بی‌جان‌زایش به دست آوریم. درواقع بخش مهم دیگری که در بی‌جان‌زایش به آن باید توجه کرد، محیط وقوع این رویداد و شرایط محیطی آن است. نظرات بسیار متعددی در این مورد وجود دارد. آخرین دستاوردهای دانشمندان، محل احتمالی وقوع این ساخت‌وساز را در کنار دهانه‌های آبفشانی‌های آب گرم کف اقیانوس‌ها نشان می‌دهد؛ جایی که آب غنی از هیدروژن، دی‌اکسیدکربن و
آهن- سولفور و سایر مواد معدنی اولیه موردنیاز، موجود بوده است (smeg,2008.73,10:1038). علاوه‌براین نتایج جدیدی هم در شماره ویژه پاییزه نشریه
Scientific American منتشر شده که نشان می‌دهند محل تشکیل سلول‌های اولیه ممکن است سرزمین‌های متأثر از فعالیت‌های آتشفشانی بوده باشند. آنچه در دوران پیش از پیدایش اولین سلول‌های حیاتی روی زمین رخ‌ داده بسیار پیچیده و منحصربه‌فرد بوده است. دیگر نه آن شرایط اولیه زمین وجود دارد و نه عدم تنوع زیستی آن زمان. در زمان حال اگر هم هر نوع حیات اولیه دیگری در جایی از کره زمین پدیدار شود، قطعا در هرم غذایی سایر گونه‌ها قرار خواهد گرفت و هرگز فرصت طی‌کردن مسیری این‌چنین را به دست نخواهد آورد.
داستان پیدایش زندگی روی کره زمین داستانی بسیار طولانی است و رویدادهای فراوانی در طول این حدود چهار میلیارد سال رخ ‌داده، پیدایش‌ها و انقراض‌های گوناگونی وجود داشته و محیط ‌زیست روی کره زمین بارها شاهد دگرگونی‌های فراوان و بسیار شدید بوده که تمام این شرایط در کنار هم‌، داستان زندگی روی زمین را علاوه‌بر منحصربه‌فردبودن، به یک فرایند آشوبناک غیرقابل ‌پیش‌بینی در روند آینده آن تبدیل کرده است، اما این تاریخ پرفرازونشیب توانسته است دستاورد بسیار مهمی در علوم زیستی به ارمغان آورد. دستاورد این سرگذشت، چارچوب مشخصی است که تمامی فرایندهای زیستی در این چارچوب مورد مطالعه قرار می‌گیرند. این چارچوب بر اصول پایه‌ای استوار است؛ اصولی از قبیل وجود آخرین جد مشترک همه‌ موجودات زنده، دستور زبان یکسان در دستورالعمل ساخت اندام‌ها و اجرای فعالیت‌های زیستی همه موجودات زنده و پایه یکسان مواد شیمیایی تشکیل‌دهنده‌ ساختار شیمیایی حامل دستورالعمل‌های به‌وجودآوردن همه موجودات. این اصول در کنار پیشرفت‌های علمی در حوزه‌های مختلف و دستیابی به فناوری‌های نوین ما را امیدوار خواهد کرد که در آینده‌ای نه‌چندان دور پرده از رازهای باقیمانده از دوران پیش از تشکیل اولین سلول‌های حیاتی برداریم. تا آن روز صبر می‌کنیم و از چشم‌انداز زیبای آنچه تا امروز کشف ‌شده است، لذت می‌بریم.