نیلوفر ترکزاده: اخترزیستشناسی یک رشته تحقیقاتی است که کار آن مطالعه و بررسی حیات در کیهان میباشد؛ زمینه تحقیقاتی چند رشتهای که حوزه آن شامل بررسی و جستجو برای محیطهای سکونتپذیر در منظومه شمسی و همینطور سیارههای زیستپذیر در خارج منظومه شمسی است. کاوش برای حیات فرازمینی نیاز به درک درستی از حیات و ماهیت طبیعی که آن را حمایت میکند و همچنین شناخت درستی از سامانههای سیارهای و ستارهای دارد. ازاینرو پاسخگویی به این مفهوم در حوزه مذکور، این رشته را با بسیاری از دانشها و رشتههای علمی مانند نجوم، زیستشناسی، شیمی، زمینشناسی، علوم هوایی، اقیانوسشناسی و جوشناسی تلفیق کرده است. اخترزیستشناسی برای اولین بار در مه۱۹۹۸ توسط ناسا و با ایجاد مؤسسه زیستاخترشناسی در مرکز تحقیقات ایمز (Ames) این سازمان بنیانگذاری شد.
برای خواندن کتاب «ماهی درونی شما» کلیک کنید
تکامل شیمیایی
تکامل شیمیایی احتمالاً شامل چندین مرحله است. مولکولهای آلی کوچک خود به خود تشکیل و بهمرور زمان انباشته شدند. این مولکولها ممکن است بهجای شکسته شدن، تجمع یافته باشند؛ زیرا شرایط محیطی متفاوت بوده است. دو عاملی که امروزه مولکولهای آلی را میشکنند در کره زمین اولیه وجود نداشتند. ماکرومولکولهای (درشتمولکولهای) آلی بزرگ مانند پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک از گردآیش مولکولهای کوچکتر بهوجود امدند. واکنش متقابل ماکرومولکولها با یکدیگر باعث تشکیل ساختارهایی شد که توانستند سوخت و ساز انجام داده و تکثیر یابند. انتخاب طبیعی نیز این ماکرومولکولهای تجمعیافته با ساختارهای سلول مانند را برگزید. زادههای آنها سرانجام تبدیل به اولین سلولهای واقعی شدند. بعد از اینکه اولین سلولها بهوجود آمدند، طی چندین میلیارد سال واگرایی یافته و تنوع زیستی را که امروزه مشخصه سیاره ماست، ایجاد کردند. فتوسنتز، تنفس هوازی و ساختار سلول یوکاریوتی، پیشرفتهای بزرگی هستند که در طول تاریخ حیات ایجاد شدهاند.
تکامل شیمیایی بر روی زمین اولیه
برای درک منشأ حیات قصد داریم شرایط زمین اولیه را بررسی کنیم. این را میدانیم که هرگز درباره شرایط واقعی که در زمان شروع حیات وجود داشته، نمیتوانیم به قطعیت برسیم. امروزه مطالعه منشأ حیات یکی از زمینههای فعال در پژوهشهای علمی است و همکاری بین شاخههای مختلف علوم سهم زیادی در افزایش دانش ما درباره چگونگی شکلگیری حیات داشته است. متخصصان فیزیک فضایی و زمینشناسان، سن زمین را حدود ۴.۵ میلیارد سال تخمین میزنند. اتمسفر اولیه زمین ظاهراً دیاکسیدکربن، هیدروژن و نیتروژن بود و ممکن است دارای مقداری آمونیاک (NH3)، سولفید هیدروژن (H2S) و متان (CH4) هم بوده باشد. احتمالاً اتمسفر اولیه فاقد اکسیژن آزاد یا دارای مقادیر کمی از ان بوده است.
برای تکامل شیمیایی حیات چهار شرط باید احراز میشد؛ مقادیر بسیار کم اکسیژن آزاد یا فقدان آن، یک منبع انرژی، در دسترس بودن زیرواحدهای سازنده شیمیایی و زمان. اول اینکه حیات تنها در غیاب اکسیژن آزاد میتوانست آغاز شود. اکسیژن بهشدت واکنشپذیر است و ازاینرو میتوانست مولکولهای آلی را که اجزای سازنده ضروری در شکلگیری حیات هستند، اکسید کند. اتمسفر اولیه زمین احتمالاً بهشدت احیاءکننده بوده است. شکلگیری حیات به انرژی نیز نیاز داشت تا کار ساخت مولکول های زیستی از مواد ساده غیرآلی را انجام دهد.
زمین اولیه مکانی با انرژی بالا بود که رعد و برقهای شدید، فعالیتهای آتشفشانی گسترده، بمبارانهای شهابسنگی و سایر اجرام آسمانی و همچنین تشعشات شدید در آن وجود داشت. سومین شرط، حضور زیرواحدهای سازنده شیمیایی مورد نیاز جهت تکامل شیمیایی حیات بود. این مواد شامل آب، املاح غیرآلی محلول و گازهای موجود در اتمسفر اولیه بودند. چهارمین و اخرین شرط برای شکلگیری حیات، زمان بود تا طی آن مولکولها تجمع یافته و با یکدیگر واکنش دهند. زمین تقریباً ۴.۵ میلیارد سال عمر دارد و اولین نشانههای حیات تقریباً مربوط به ۳.۸ میلیارد سال قبل میباشد.
مولکولهای آلی در زمین اولیه تشکیل شدند
ازآنجاییکه مولکولهای آلی مواد سازنده موجودات زنده هستند، در ابتدا باید چگونگی شکلگیری آنها مورد بررسی قرار گیرد. دو مدل اصلی که چگونگی شکلگیری مواد آلی پیشساز حیات را شرح میدهند، عبارتند از فرضیه سوپ بنیادین که مطابق آن چنین مولکولهایی در نزدیکی سطح زمین تشکیل شدند و همچنین فرضیه دنیای آهن-گوگرد که بر اساس آن مواد آلی در شیارهای کف اقیانوسها بهوجود آمدند.
مواد آلی احتمالاً در سطح کره زمین تولید شده باشند
برای اولین بار در دهه ۱۹۲۰ دو دانشمند بهنامهای الکساندر اوپارین (Alexander Oparin)، بیوشیمیدان روسی، و جان اسکات هالدان (John Scott Haldane)، فیزیولوژیست و ژنتیکدان اسکاتلندی، این عقیده را که مولکولهای ساده آلی همانند قندها، بازهای نوکلئوتیدی و آمینواسیدها میتوانند بهصورت خود به خودی از مواد خام سادهتر ایجاد شوند، بهطور مستقل بیان کردند.
در ۱۹۵۰ نظریه آنها بهوسیله دو بیوشیمیدان آمریکایی بهنامهای استنلی میلر (Stanley Miller) و هارولد یوری (Harold Urey) مورد آزمایش قرار گرفت. این دو دانشمند وسیلهای طراحی کردند که شرایط مشابه شرایط حاکم بر کره زمین اولیه در آن شبیهسازی شده بود.
آنها یک اتمسفر غنی از آب، هیدروژن، متان و آمونیاک را در معرض تخلیه الکتریکی مشابه رعد و برق قرار دادند. تجزیه و تحلیل محصولات شیمیایی تولیدشده طی یک هفته حاکی از تولید آمینواسیدها و مولکولهای آلی دیگر بود. اگرچه یافتههای جدید نشان میدهد اتمسفر اولیه زمین غنی از متان یا آمونیاک نبوده، بااینوجود آزمایشهای مشابه با استفاده از ترکیبات گازی متفاوت، منجر به تولید مواد آلی کاملاً متنوعی شد که برای موجودات زنده با اهمیت هستند. این مواد شامل تمامی ۲۰ آمینواسید، چند نوع قند، لیپید، بازهای نوکلئوتیدی RNA ، DNAو ATP میباشند. پس قبل از اغاز حیات، احتمالاً واحدهای شیمیایی سازنده آن بهعنوان یک مرحله ضروری در تکامل شیمیایی تجمع یافتهاند.
اوپارین درباره دریایی از سوپ آلی اینگونه تصور میکرد که مولکولهای آلی طی زمانهای طولانی در دریاهای کمعمق انباشته شدند و آن را بهوجود آوردند. او میگفت در چنین شرایطی مولکولهای آلی کوچکتر (مونومرها) با هم ترکیب شده و مولکولهای بزرگتر (پلیمرها) را ساختند. از زمان اوپارین تابهحال شواهد بیانگر این است که پلیمرهای آلی بهجای دریاهای کمعمق بسیار کهن، احتمالاً در سطح صخرهها یا خاک رس تشکیل و انباشته شدهاند. تجربیات آزمایشگاهی تآیید کردهاند که پلیمرهای آلی بهصورت خود به خودی در سطوح گرم صخرهها و خاک رس از مونومرها تولید میشوند.
مولکول های آلی ممکن است در محل منافذ آب گرم پوسته ی زمین تشکیل شده باشند
برای تکامل شیمیایی، برخی از زیستشناسان چنین فرض میکنند که پلیمریزه شدن اولیه که باعث شکلگیری حیات شد ممکن است در شیارهای اعماق اقیانوسها رخ داده باشد؛ جایی که آب گرم، منواکسیدکربن و املاحی مانند سولفیدها، آهن و نیکل فوران میکنند. این امر فرضیه دنیای آهن-گوگرد را مطرح میکند. منافذ آب گرم پوسته زمین نسبت به سطح زمین در مقابل اثرات فاجعهآمیز بمباران سنگهای آسمانی از حفاظت بیشتری برخوردارند. این چشمههای گرم امروزه پیشسازهای مولکولهای آلی و غذایی پرانرژی شامل ترکیبات کاملاً احیاءشده را تولید میکنند. مواد شیمیایی مذکور غذای اجتماع متنوعی از میکروارگانیسمها، صدفها، خرچنگها و سایر جانوران را تأمین مینماید.
آزمایش و بررسی فرضیه دنیای آهن-گوگرد در منافذ آب گرم پوسته زمین دشوار است؛ ولی تجربههای آزمایشگاهی که فشار و دمای بالا را در منافذ شبیهسازی کردهاند، نتایج جالبی را ارائه دادهاند. مثلاً آهن و نیکل واکنش بین منواکسیدکربن و سولفید هیدروژن را کاتالیز میکنند و موجب تولید اسید استیک و سایر ترکیبات آلی ساده می شوند. همچنین، آزمایش ها نشان داد که آمونیاک از مواد تشکیل دهنده پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک بهوفور تولید میشود. این موضوع حاکی از آن است که که در دنیای پیش از حیات، منافذ، محیطهای غنی از آمونیاک بودهاند.