گوناگونی و تحول جانداران
پیدایش و گسترش زندگی
برای پاسخ به این پرسش که زندگی دقیقا چه موقع و چگونه روی زمین پدیدار شد، پژوهشگران با شواهدی که به دست می آورند، فرضیه‌ها و سپس نظریه‌هایی ارائه میدهند و بدین طریق در این باره گمانه زنی می‌کنند.
پیش نیازها
پیش از مطالعه این مطلب باید بتوانید:
ساختار پروتئین‌ها، لیپیدها و نوکلئیک اسیدها را شرح دهید،
سلول‌های پروکاریوتی را با سلول‌های یوکاریوتی مقایسه کنید،
ساختارهای کلروپلاست و میتوکندری را شرح دهید،
نقش DNA را در وراثت توضیح دهید.
سرآغاز زندگی
زمین در آغاز فاقد حیات بود.
دانشمندان اعتقاد دارند در حدود ۴ میلیارد سال پیش زمین پوشیده از مواد مذاب بوده است. بدیهی است که در چنین شرایطی تشکیل و تداوم حیات امکان‌پذیر نبوده است. اندک اندک سطح سیاره زمین سرد شد و پوستهای سنگی آن را در بر گرفت. بخار آب موجود در اتمسفر متراکم شد و بارش باران، اقیانوس‌های وسیعی به وجود آورد. بسیاری از زیست‌شناسان اعتقاد دارند که حیات باید اولین بار در این اقیانوس‌ها پدیدار شده باشد. به عقیده آنان تغییر و تحول جانداران صدها میلیون سال طول کشیده است. شواهد نیز حاکی است که زمین از مدتها قبل از پیدایش حیات، وجود داشته است. این شواهد را اندازه گیری سن زمین به دست میدهد.
مواد شیمیایی پایه‌ای حیات چگونه تشکیل شدند؟
به نظر میرسد که در نخستین مراحل پیدایش حیات، مولکول‌های غیر زیستی با یکدیگر واکنش شیمیایی انجام می‌دادند. این واکنش‌ها باعث تولید تعداد و انواع زیادی مولکول‌های آلی ساده شدند. مولکول‌های ساده با استفاده از انرژی خورشید و گرمای حاصل از فعالیت‌های آتشفشانی، مولکول‌های پیچیده تری به وجود آوردند. شاید این مولکول‌های پیچیده واحدهای سازنده اولین سلول‌ها بودند. این فرضیه که بسیاری از واحدهای آلی سازنده حیات، نخستین بار از مولکول‌های غیرزیستی تشکیل شده‌اند، مورد آزمایش قرار گرفته است.
سوپ بنیادین: در دهه ۱۹۲۰ دانشمندان اظهار داشتند که در اقیانوس‌های اولیه زمین، در زمان کوتاهی مقدار زیادی مواد آلی پدید آمد. این نظریه به الگوی سوپ بنیادین مشهور شد. تصور بر این است که در آن هنگام اقیانوس‌های زمین مملو از مولکول‌های آلی مختلف بودند. این دانشمندان فرض کردند که این مولکول‌ها در اثر انرژی حاصل از تابش خورشید، انفجارهای آتشفشانی و رعدوبرق پدید آمده بودند.
پس از آن گروهی دیگر از پژوهشگران، اعلام کردند که جواولیه زمین گاز اکسیژن نداشته و در عوض غنی از نیتروژن (N2)، هیدروژن (H2) و گازهای دارای هیدروژن، مانند بخار آب، آمونیاک و متان بوده است. در آن زمان انرژی خورشیدی، یا انرژی الکتریکی حاصل از رعد و برق انرژی این مولکول‌ها را افزایش می‌داده است. امروزه اکسیژن موجود در جو سریعه الکترونهای پرانرژی را جذب می‌کند، زیرا اتم اکسیژن میل بسیار زیادی به جذب چنین الکترونهایی دارد. هنگامی‌که اکسیژن موجود نباشد، الکترونهای پرانرژی در انجام واکنش‌هایی دیگر، مانند واکنش با مولکول‌های هیدروژن دار، شرکت می‌کنند.
استانلی میلر در نیمه قرن بیستم، الگوی سوپ بنیادین را آزمایش کرد. او گازهای CH4 ، N2، NH3، H2 را درون دستگاهی قرار داد و به منظور شبیه سازی رعد و برق از یک جرقه الکتریکی استفاده کرد. او پس از چند روز ترکیبات متعددی در این دستگاه پیدا کرد. این ترکیبات برخی از مولکول‌های زیستی، مانند: آمینواسیدها، اسیدهای چرب و کربوهیدرات‌ها بودند. این نتایج نشان میدهند که ممکن است برخی از مواد شیمیایی پایه‌ای حیات، در شرایطی مشابه شرایط آزمایشگاهی میلر، روی کره زمین پدید آمده باشند.
بیشتر بدانید
آزمایش میلر. الف) میلر وضعیت اولیه کره زمین را به صورتی که دانشمندان دیگر پیشنهاد کرده بودند شبیه سازی کرد. آزمایش‌های این پژوهشگر امکان تشکیل مواد شیمیایی پایه‌ای حیات را از مواد غیرآلی، نشان داد. ب) نتایج آزمایش میلر. هفت مولکول ساده که همه گاز هستند، در مخلوط اصلی وجود دارند.
نکته: اکسیژن در بین این گازها نیست و به جای آن، اتمسفر غنی از هیدروژن است. در هر مرحله از آزمایش، مولکول‌های پیچیده بیشتری شکل می‌گیرند.
پژوهش‌های دیگر درباره الگوی سوپ بنیادین: اکتشافات جدید باعث ارزیابی مجدد الگوی سوپ بنیادین شد. در زمان آزمایش میلر، زیست‌شناسان تصور می‌کردند که پیدایش حیات در حدود یک میلیارد سال پیش روی داده است. اما اندازه گیری سن زمین و کشف سنگواره‌هایی که ۳/۵ میلیارد سال سن داشتند، نشان داد که حیات در واقع بسیار پیشتر از آن تشکیل شده بود.
امروزه میدانیم که مخلوطی از گازهای مورد استفاده در آزمایش میلر هنگام پیدایش حیات وجود نداشته است. چهار میلیارد سال پیش، زمین فاقد لایه محافظتی اوزون (O3) بود. در این صورت پرتو ماورای بنفش می‌توانست بدون لایه اوزون، همه آمونیاک و متان موجود در اتمسفر را از بین ببرد. از سوی دیگر در صورتی که گازهای آمونیاک و متان در آزمایش میلر وجود نداشته باشند، مولکول‌های زیستی پایه‌ای تشکیل نخواهند شد. این تناقض منجر به ایجاد یک سؤال اساسی شد: اگر هنگام پیدایش حیات امکان تشکیل مولکول‌های شیمیایی مورد نیاز در جو وجود نداشت، پس حیات بر اساس چه تدبیری پدیدار شد؟
الگوی حباب: چندی بعد دانشمندان اعلام کردند که فرآیندهایی اصلی که مواد شیمیایی مورد نیاز برای پیدایش حیات را به وجود آوردند، ممکن است درون حبابهای درون اقیانوس‌ها انجام شده باشند (شکل ۱-۳). مراحل پیدایش مواد آلی، طبق این الگو، به ترتیب زیر است:
مرحله ۱: آمونیاک، متان و دیگر گازها از دهانه آتشفشانهای زیردریایی خارج و در حبابهای زیر دریا محبوس می‌شدند.
مرحله ۲: متان و آمونیاک مورد نیاز برای تشکیل آمینو اسیدها، درون حبابها در مقابل صدمات حاصل از پرتو فرابنفش محفوظ می‌ماندند. درون این حبابها واکنشهای شیمیایی با سرعت بیشتر انجام می‌گرفت، چون تراکم گازهای درون حبابها از تراکم آنها در هوا که در الگوی سوپ بنیادین مطرح شده، بسیار بیشتر است.
مرحله ۳: حبابها به سطح اقیانوس می آمدند و پس از ترکیدن، مولکول‌های آلی ساده حاصل از واکنشهای درون این حباب را آزاد می‌کردند.
مرحله ۴: مولکول‌های آلی ساده ضمن انتقال توسط باد و حرکت به سمت بالا، در معرض اشعه ماورای بنفش و رعد و برق قرار می‌گرفته‌اند و در نتیجه انرژی لازم برای واکنشهای بعدی را کسب می‌کردند.
مرحله ۵: باران، بسیاری از این مولکول‌های آلی پیچیده‌تر را که به تازگی تشکیل شده بودند، همراه با مولکول‌های دیگر به درون اقیانوس می‌برد.
مولکول‌های شیمیایی آلی پیچیده‌تر شدند.
زیست‌شناسان درباره جزئیات فرآیندهایی که منجر به تشکیل حیات شدند، اتفاق نظر ندارند. اغلب دانشمندان این مطلب را قبول دارند که مولکول‌های کوچک آلی با کسب انرژی، از طریق فرآیندهای شیمیایی ساده، تشکیل شده‌اند. میدانیم که بین مولکول‌های آلی و سلول‌های زنده راهی بسیار طولانی وجود دارد. چگونه آمینو اسیدها به صورت پروتئین در آمدند؟ چگونه نوکلئوتیدها به زنجیرههای طویل DNA تبدیل شدند؟ دانشمندان تاکنون نتوانسته‌اند در محیط آبی، در آزمایشگاه، این درشت مولکول‌ها را بدون وجود نوکلئیک اسیدهای مادری بسازند. اگرچه زنجیرههای کوتاه RNA و DNA در محیط آبی تشکیل شده‌اند.
شکل ۱- الگوی حباب. مطابق این الگو گازهای آتشفشانی منشأ تشکیل مولکول آلی ساده هستند.
احتمال تبدیل میکروسفرها به سلول‌ها: لیپیدها که از اجزای تشکیل دهنده غشاهای سلولی هستند، در محیط آبی تمایل به گردهم آیی دارند. اگر یک بطری محتوی روغن و سرکه را تکان دهیم، می‌توانیم چنین حالتی را مشاهده کنیم: مجموعه‌های کروی کوچکی که حاصل گردهم آیی مولکول‌های روغن در سرکه است، تشکیل می‌شود. در این محلول آرایش مولکول‌های چربی به صورتی است که در مجموع یک کره، مشابه غشای یک سلول را تشکیل میدهند. کواسرواتها مجموعه‌ای از مولکول‌های لیپیدی هستند که به علت آب گریز بودن، در آب به شکل کروی در می آیند. این حبابهای ریز می‌توانند مولکول‌های لیپیدی دیگر را جذب کنند و بزرگ‌تر شوند و نیز جوانه بزنند و به دو کو اسروات تقسیم شوند. کواسرواتها ممکن است آمینواسید نیز در خود داشته باشند. اگر چه کواسرواتها زنده نیستند، اما شباهت زیادی به غشای سلول‌ها دارند. تجربه‌های آزمایشگاهی نیز نشان داده‌اند که بعضی دیگر از مولکول‌های آلی نیز چنین تمایلی دارند، مثلا زنجیرههای کوچک آمینو اسیدها هم تمایل به تشکیل ریز کیسه‌هایی به نام میکروسفر دارند.
پژوهشگران عقیده دارند که تشکیل میکروسفرها احتمالا اولین قدم به سمت سازماندهی سلول بوده است. طبق این فرضیه، میکروسفرها پس از تشکیل مدتی دوام داشته، اما بعد از مدتی ناپدید می‌شده‌اند. در طول میلیونها سال، انواعی از میکروسفرها که با استفاده از مولکول‌های دیگر و کسب انرژی، به مدت بیشتری به بقای خود ادامه دادند، از فراوانی بیشتری برخوردار شدند. با این حال، میکروسفرهایی را که هنوز توانایی انتقال صفات به نسل آینده را کسب نکرده‌اند، نمی‌توان زنده در نظر گرفت.
نقش احتمالی کاتالیزگرها: در دهه ۱۹۸۰، پژوهشگران کشف کردند که برخی از مولکول‌های RNA می‌توانند شبیه آنزیم‌ها عمل کنند. ساختار سه بعدی RNA، سطحی را فراهم می‌کند که واکنشهای شیمیایی می‌توانند در آن کاتالیز شوند. برخی از RNAهای امروزی نیز فعالیت‌های آنزیمی‌دارند؛ به نظر میرسد که اتصال آمینواسیدها در ریبوزوم هنگام پروتئین سازی را یک RNA ی ریبوزومی انجام میدهد. یک فرضیه ساده براساس تحقیقات سچ و آلتمن و تجربیات دیگری که درباره تشکیل مولکول‌های RNA در آب انجام شد، شکل گرفت: شاید RNA، اولین مولکول خود همانندساز بوده است. این مولکول ممکن است تشکیل اولین مولکول‌های پروتئینی را نیز کاتالیز کرده باشد. مطلب مهم‌تر این است که چنین مولکولی می‌تواند از یک نسل به نسل دیگر تغییر کند.
شکل ۲- میکروسفر (۱۲۵۰×) ظاهر این میکروسفرها که از جنس پروتئین اند، بسیار شبیه سلول‌هاست، غشای دو لایه‌ای دارند و در حال جوانه زدن هستند.
خاستگاه متابولیسم: مولکول‌های RNA، میکروسفرها و نیز ساختارهای سلول مانندی که پس از آنها به وجود آمدند، برای نگهداری انسجام ساختاری و نیز تکثیر خود، به مواد آلی ویژهای، مانند X نیاز داشتند. با گذشت زمان، این ترکیبات در محیط کمیاب شدند. احتمال می‌رود که تغییر (جهش) در برخی RNAهای آنزیمی، سبب شد که آنها بتوانند از ماده خام دیگری که در محیط فراوان‌تر بود (Y)، ماده مورد نیازشان (X) را بسازند:
پس از مدتی غلظت Y نیز در محیط کاهش یافته و آنزیم دیگری به وجود آمده که بتواند Y را از ترکیب دیگری مثل Z بسازد:
به نظر میرسد مسیرهای متابولیسمی اولیه که با چنین ساز و کاری به وجود آمدند به تدریج با گذشت زمان و تغییر نیازها، پیچیده‌تر شده‌اند.
شکل ۳- مراحل همانندسازی RNA و سنتز پروتئین. انجام واکنشهای شیمیایی بین مولکول‌های معدنی باعث تشکیل نوکلئوتیدهای RNA شد. نوکلئوتیدها به صورت درشت مولکول‌های RNA گردهم آمدند. این مولکول‌ها احتمالا قادر به خود همانندسازی و کاتالیز تشکیل پروتئین‌ها بودهاند. چون همانندسازی با صحت کامل انجام نمی‌شده است (جهش)، در مولکول‌های RNA تنوع ایجاد شد.
خاستگاه وراثت: دانشمندان تصور می‌کنند که بعضی از میکروسفرها دارای RNA شدند. مولکول‌های RNA با استفاده از فرآورده‌های متابولیسمی (نوکلئوتیدها)، خود همانندسازی می‌کردند و در صورت تقسیم شدن میکروسفر به میکروسفرهای دختر منتقل می‌شدند. پس از مدتی، مولکول‌های RNA توانستند ساخته شدن آنزیم‌ها و پروتئین‌های ویژهای را سازمان دهی و با کنترل مسیرهای متابولیسمی، ویژگی‌های میکروسفری را که در آن زندگی می‌کردند، تعیین کنند. احتمالا به این ترتیب سازوکار وراثت شکل گرفت.
بیشتر بدانید
فرضیه مناسب بودن شرایط اقیانوس‌های اولیه برای پیدایش حیات، دانشمندان را بر آن داشته است تا نشانه‌های حیات را در محیطهای آبی موجود در سیاره‌های دیگر منظومه شمسی نیز جست و جو کنند. وجود اقیانوس بزرگی از آب مایع و اکسیژن فراوان در زیر لایه ضخیم یخ در مریخ و یکی از قمرهای سیاره مشتری، ممکن است شرایط مناسبی را برای حیات جانداران میکروسکوپی فراهم آورده باشد.
خودآزمایی
۱- دو الگوی علمی ارائه شده در مورد منشأ حیات را با یکدیگر مقایسه کنید. ۲- اولین مرحله‌ای را که منجر به سازمان یابی سلول شد توصیف کنید.
٣- با توجه به نقش‌هایی که برای مولکول RNA در مراحل گوناگون پیدایش حیات پیشنهاد شده است، به نظر شما در چه مرحله‌ای می‌توان گفت که RNA نقش ماده ژنتیک را بر عهده گرفته است؟
۴- تفاوت‌های ساختاری DNA و RNA را به یاد آورید. به نظر شما چرا در جانداران پیشرفته امروزی DNA به عنوان ماده ژنتیک به RNA ترجیح داده شده است؟
۵- درباره ارتباط این عبارت‌ها با هم، بحث کنید:
شواهد امروزی از نقش RNAهای قدیمی، پروتئین سازی، ماده ژنتیک، کدون و آنتیکدون، وراثت، مولکول ذخیره‌کننده اطلاعات، همانندسازی، مولکول mRNA رمز ژنتیک، RNA آنزیمی.
۶- آیا یک الگوی طراحی شده درباره منشأ حیات باید احتمال وجود سایر الگوها را انکار کند؟ توضیح دهید.
