پیدایش حیات

بیجان زایی (به انگلیسی: abiogenesis) عبارت است از:

• علمی که به مطالعهٔ چگونگی و چرایی به وجود آمدن موجودات زنده از مواد غیر زنده میپردازد.
• علم مطالعهٔ فرایند پدید آمدن زندگی

در علوم طبیعی، تئوری تشریحکننده چگونگی ایجاد حیات و در زمین از مواد بی جان را بیجان زایی (آبیوژنز یا بیوپویز) گویند. نباید این تئوری را با تکامل یا فرگشت که به مطالعه روند تغییرات ایجاد شده در موجودات زنده با گذشت زمان میپردازد یا کیهانزایی که به دنبال توضیح چگونگی آغاز دنیاست، اشتباه گرفت.

بیشتر اسیدهای آمینه که گاه آنها را آجرهای سازنده حیات مینامند، میتوانند در اثر فرایندهای شیمیایی طبیعی نامربوط با حیات نیز ایجاد گردند. این مطلب را میلر و یوری و دیگر دانشمندان در طی آزمایشهایی در آزمایشگاه، با ایجاد شرایط مشابه با زمان بوجود آمدن حیات در زمین نشان دادند. در تمامی موجودات زنده این اسیدهای آمینه به شکل پروتئین سازماندهی شدهاند و ساخت چنین پروتئینهایی بواسطه اسیدهای نوکلئیک ممکن میگردد. تئوری پیدایش و حیات به این نکته که کدامیک از این مولکولهای زیستی ابتدا پیدا گشتهاند و چگونه نخستین اشکال حیات را تشکیل دادهاند میپردازد.
دو ویژگی با اهمیت حیات باید در تمامی تئوریهای آبیوژنز مورد توجه قرار گیرند. این ویژگیها همانندسازی و سوخت و ساز هستند. این پرسش که کدامیک از این دو در ابتدا بوجود آمدهاست، سبب ایجاد دو نظریه متفاوت در این زمینه گردید. ابتدا فرضیه پیشنهادکننده اولویت پیدایش سوخت و ساز (متابولیسم) مطرح گردید. مدتی بعد از آن فرضیه ایجاد اولیه همانندسازها نیز مورد توجه قرار گرفت.

در درک مدرن در مورد ایجاد نخستین اشکال موجودات زنده، احتمال آن مطرح میگردد که این موجودات پروکاریوتهای تک سلولی (فاقد هسته سلولی) بوده باشند. این تک سلولیها خود میتوانند از پروتوبیونتها (مولکولهای آلی که توسط پوششی شبه غشایی پوشیده شدهاند) بوجود آمده باشند. قدیمیترین سنگواره شبه میکرب بدست آمده حدود سه ونیم میلیارد سال قدمت دارد که خود تقریباً یک میلیارد سال پس از تشکیل کره زمین است. در حدود ۲٫۴ میلیارد سال قبل نسبت ایزوتوپهای پایدارکربن، آهن و گوگرد نشانگر اثرگذاری موجودات زنده بروی مواد معدنی و رسوبات هستند. دیگر نشانگرهای مولکولی نیز بیانگر وجود فتوسنتز در آن دوران هستند که این خود نمایانگر پراکندگی وسیع حیات در آن دوره در زمین است. سلسله وقایع شیمیایی که منجر به ایجاد نخستین اسید نوکلئیک گردید هنوز بهطور کامل شناخته نشدهاند. چندین فرضیه در رابطه با حیات اولیه پیشنهاد گردیدهاست که از مهمترین آنها میتوان به نظریه جهان آهن- گوگرد (سوخت و ساز بدون وجود توارث) و نظریه جهان آرانای اشاره کرد.

بیجان زایی

بیجان زایی، پیدایش خود به خود یا آبیوژنز به نظریهای میگویند که معتقد است موجودات زنده از مواد بیجان نشأت میگیرند. تاریخچهٔ این نظریه به دوران یونان باستان بر میگردد، در آن دوران اعتقاد عامه بر این بود که کرم از گوشت گندیده و مگس و قورباغه از گلولای شکل میگیرند. خلق الساعه حداقل از زمان ارسطو که در سال ۳۸۴ تا ۳۲۲ پش از میلاد میزیست، وجود داشت. دلایلی که ارسطو برای خلق الساعه نوشتهاست قرنها مورد توجه بود.

در سده هفدهم دانشمندی ون هلمونت که به نظریه خلق الساعهٔ حیوانات معتقد بود یک پیراهن کثیف را با چند دانه گندم در گوشهای قرار داد، پس از۲۱ روز تعدادی موش در اطراف آنها مشاهده کرد او به این نتیجه رسید که موشها خود به خود از پیراهن کثیف و دانههای گندم پدید آمدهاند. جان نیدهم در سال ۱۷۴۹ (میلادی) آزمایشی که روی گوشت پخته انجام داد به این نتیجه رسید که گوشت از ابتدا به ریزاندامگانها آلوده است پس آنها از گوشت ناشی میشوند ولی لازارو اسپالانزانی گوشتی را به مدت یک ساعت در ظرف در بستهای جوشانید و آن را به همانگونه نگهداری کرد و متوجه شد که در آن هیچ تغییری روی نمیدهد با این حال نیدهم متقاعد نگشت چون عقیده داشت در آزمایش اسپالانزانی هوا که یکی از نیازهای ریزاندامگانهای تولید شده از گوشت است تأمین نگشتهاست.

حدود ۸۰ سال بعد فرنز شولز و تئودور شوان[فرنز با رد کردن هوا از محلول اسید و شوان با داغ کردن هوا] هوا را در یک محیط حاوی گوشت جوشیده وارد کردند و در آن هیچ تغییری روی نداد با این حال منتقدین آن بر این بودند که داغ کردن و اسید قدرت زایندگی اکسیژن را گرفتهاست. تا این که لوئی پاستور در آزمایشی مشابه شولز اما در دهانه بالن حاوی آبگوشت از لوله دارای انحنا استفاده نمود در این صورت محیط همچنان سترون باقی میماند ولی زمانی که محتویات را با خمیدگی لوله تماس میدادند و دوباره به محیط بازمیگرداندن ریزاندامگانها در محیط پدیدار میگشتند که این آزمایش باعث رد کامل نظریه بیجان زایی شد.

نظریه پیدایش خود به خودی

تا اوایل قرن ۱۹، مردم به پیدایش خود به خودی اشکال حیات از مواد بی جان معتقد بودند. این عقیده همراه با اعتقاد به گوناگونی بود که به ایجاد نوعی از حیات از نوعی دیگر میپرداخت (مثلاً زنبور عسل از گل). تصور کلاسیک آبیوجنسیس که امروزه با نام پیدایش خود به خودی نامیده میشود به این موضوع اشاره میکرد که مواد پیچیده ارگانیک از تجزیه مواد غیر ارگانیک ایجاد میشوند. ارسطو معتقد بود که شپش از قطرات شبنم که بر روی برگ ریخته میشوند ایجاد میشوند. او همچنین معتقد بود مگس از مواد متعفن، موش از علفهای کثیف و کروکودیل از کندههای درخت در حال فساد در اعماق آب ایجاد میشود. در قرن ۱۷، در فرضیات پیداش خود به خودی تردیدهایی به وجود آمد. در سال ۱۶۴۶، سر توماس براون، کتابی تحت عنوان شیوع باورهای غلط تألیف نمود که حملهای به عقاید غلط و اشتباهات عامیانه رایج بین مردم داشت. استدلالات براون نتوانست بهطور گستردهای پذیرفته شود. الکساندر راس که معاصر توماس براون بود در نوشتهای در خصوص توماس براون نوشت:

(تردید کردن در اصل پیدایش خود به خودی، تردید کردن در برهان، تجربه و منطق است. اگر توماس در این مورد شک دارد، بگذارید تا به مصر سفر کند و در آنجا با میدانهایی که مملو از موش است مواجه خواهد شد که از لجن رود نیل به وجود آمدهاند که مصیبتی بزرگ برای ساکنان آن دیار میباشند).

در سال ۱۶۶۵، رابرت هوک، اولین نقاشی از میکروارگانیسمها را ارائه کرد. در سال ۱۶۷۶ آنتوان فن لونهوک توصیف دقیقتری از میکروارگانیسمهایی که امروزه با نام باکتری وتک یاخته شناخته میشوند ارائه داد. بسیاری در آن زمان گمان میکردند که وجود میکروارگانیسمها دلیلی بر نظریه پیدایش خود به خودیاست چون میکروارگانیسمها بیش از آن ساده بودند که تولیدمثل جنسی برایشان متصور باشد و در آن زمان هنوز امکان تولید مثل غیرجنسی از طریق تقسیم سلولی ناشناخته بود. اولین دلیل محکم بر خلاف نظریه پیدایش خود به خودی در سال ۱۶۶۸ توسط فرانسیسکو ردی بیان شد. او نشان داد که چنانچه از تخمگذاری مگس روی گوشت جلوگیری شود هیچ تخم مگسی روی گوشت مشاهده نخواهد شد. تدریجاً در مورد سایر مواد زنده بزرگتر نیز نشان داده شد که نظریه پیدایش خود به خودی نمیتواند درست باشد. بدین نحو نظریه جایگزین با نام بیوژنز به وجود آمد که پیدایش هر موجود زندهای را از موجود زنده قبلی اش میپندارد.

پاستور و داروین

تئوری بیوژنز در میانه قرن نوزدهم بدنبال شواهد فراوانی که از سوی پاستور و دیگران ارائه گردید چنان جای خود را گشود که نظریه پیدایش خودبهخود در عمل کنار گذاشته شد. پاستور پس از یافتههایش در سال ۱۸۶۴ گفت: «نظریه پیدایش خودبخود هرگز از ضربه کشندهای که این آزمایش ساده بر پیکره اش وارد کردهاست بهبود نخواهد یافت.» از سوی دیگر فروپاشی نظریه پیدایش خودبخودی خود سبب ایجاد خلآ در پاسخ به دلیل علمی چگونگی پیدایش حیات در ابتدا گردید. داروین در نامهای در سال ۱۸۷۱ ذکر میکند که حیات ممکن است در حوضچه گرم کوچکی که حاوی آمونیاک، نمکهای فسفره، نور، حرارت، الکتریسیته وسایر عوامل بودهاست آغاز شده باشد. این شرایط ایجاد ترکیبات پروتئینی که خود آماده تغییرات پیچیده تری بودهاند را ممکن میساختهاست. چنین ترکیباتی امروزه به سرعت تجزیه شده یا خورده میشوند ولی این تجزیه و نابودی هنگامی که هنوز موجودات زنده وجود نداشتهاند رخ نمیداد.

مدلهای امروزی

در مدلهای جدیدتر در بیشتر موارد خطوطی از فرضیه اپارین-هالدین به چشم میخورد. آنچه در زیر میآید بر پایه یافتهها و نظرات متنوعی است که در این مورد وجود دارد.

1. برخی تئوریها ذکر میکنند که اتمسفر زمین در ابتدا بازی بودهاست و در آن ترکیباتی چون متان، آمونیاک، سولفید هیدروژن، دی اکسید کربن، منوکسید کربن و فسفات وجود داشتهاست. در چنین اتمسفری اکسیژن و اوزون نایاب بودهاست یا وجود نداشتهاست.
2. در چنین اتمسفری فعالیتهای الکتریکی توان تسهیل و تسریع ایجاد مولکولهای حیاتی ساده را داشتهاند. در سال ۱۹۵۳ این واقعیت در آزمایش میلر- یوری نشان داده شدهاست.
3. فسفولیپیدها (در صورتی که به اندازه کافی بلند باشند) توان تشکیل خود بخودی لیپید دو لایه که یکی از اجزای بنیادین غشای سلولی است را دارند.
4. یکی از پرسشهای اساسی در این باره، ماهیت نخستین همانندساز است. در سلولهای امروزی همانندسازی در اثر تعامل و همکاری پروتئین و اسیدهای نوکلئیک رخ میدهد. بر اساس دیدگاه اندیشمندان در مورد اولویت تشکیل پروتئین یا اسید نوکلئیک نظرات به دو دسته تقسیم میگردند. یک دسته معتقد به پیدایش نخستین پروتئین هستند و گروه دیگر به اولویت ایجاد اسید نوکلئیک اعتقاد دارند. نظریه مربوط به اولویت ایجاد اسید نوکلئیک به موارد زیر اشاره دارد

• • بر اساس نظریه جهان ار ان آ، پلی مریزه شدن نوکلئوتیدها ممکن است منجر به ایجاد ریبوزیمها ی (مولکولهای آران آ با خصوصیات آنزیمی) همانندساز شده باشند.
  • از آن رو که الیگوپپتیدها توان اتصال به آران آ و ایجاد کاتالیزورهای بهتری را دارند، ممکن است بر اساس فشارهای انتخابی برای گزینش عملکرد آنزیمی، پپتیدیل ترانسفرازها از این راه بوجود آمده باشند. پروتئینها ی کوچک خود میتوانند در نتیجه این گزینش ایجاد شده باشند.
  • پروتئینهای ایجاد شده خود توان رقابت با ریبوزیمها به عنوان کاتالیزور را دارند و از این راه میتوانند به عنوان بیوپلیمر غالب در تنظیم فعالیتهای نوین اسیدهای نوکلئیک که بیشتر انتقال اطلاعات ژنتیکی است، انتخاب شوند.

مدل حباب

مدل حباب فرضیهای پیشنهاد شده توسط لوئیس لرمان از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی برای توضیح پیدایش حیات است. او این فرضیه را در کنفرانس بینالمللی پیدایش حیات در سال ۱۹۹۳ در بارسلونا ارائه داد. این فرضیه به عنوان یکی از فرضیههای پیشنهادی برای پیدایش حیات در کتابهای درسی زیستشناسی تدریس میشود و پیشنهادهایی برای استفاده از این فرضیه برای جستجوی حیات بر سطح مریخ ارائه شدهاست. مطابق این فرضیه، حبابهای گازی متان و آمونیاک از دهانه آتشفشانهای زیر دریا خارج شده و در حبابهای زیر دریا محبوس می شدند.متان و آمونیاک مورد نیاز برای تشکیل آمینو اسیدها،درون حبابها در مقابل صدمات حاصل از پرتو فرابنفش محفوظ میماندند، واکنش داده و مولکولهای آلی ساده را پدید آوردهاند. این حبابها، از مولکولهای متان و آمونیاک در برابر تجزیه توسط پرتو فرابنفش نور خورشید محافظت میکردند. با این حساب، این فرضیه توضیح میدهد که چرا با وجود این در زمان پیدایش حیات (حدود چهار میلیارد سال پیش) جو زمین فاقد لایه اوزون بود، پرتو فرابنفش مولکولهای آلی اولیه را تجزیه نکردهاست. این فرضیه تنها یکی از فرضیههای مطرح شده در مورد پیدایش حیات است و در مورد جزئیات چگونگی پیدایش حیات، اجماعی در میان دانشمندان وجود ندارد. لرمان معتقد است که احتمالاً چرخهای از تشکیل حبابها و هواپخشها نقش مهمی را در پشتیبانی پیدایش حیات در زمین ایفا کردهاست. این چرخه میتواند منجر به پیدایش زنجیرهای از مولکولها با پیچیدگی افزاینده گردد. دو شیمیدان بنام استنلی میلر و هارولد یوری در سال ۱۹۵۳ شرایط اولیه زمین را در آزمایشگاهی مشابهتسازی کردند، ابتدا آنها دستگاهی ساختند و آن را با آب و گازهای متان، آمونیاک و هیدروژن پر کردند. سپس در اتاقک احتراق، دو الکترود قرار دادند تا شرایط رعد و برق مجازی ایجاد کنند و برای آنکه گازها دائماً در دستگاه در حال گردش باشند، آب را در مخزنی میجوشاندند تا بخار حاصل موجب به گردش درآوردن گازها در لولهها شود. بخار آب پس از عبور از محفظه اتمسفری حاوی الکترود، توسط لولههای متراکمکننده سرد میشد و دربارهٔ به صورت مایع به مخزن بازمیگشت. بعد از یک هفته، آنها مایع موجود در دستگاه را آزمایش کردند و مشاهده کردند که نه تنها مقادیر زیادی مولکولهای آلی ساده تولید شدهاند، بلکه انواعی از مولکولهای آلی پیچیدهتر مانند آمینو اسیدها، اسیدهای چرب و قندها (کربو هیدرات) نیز پدید آمدند.

دانشمندان متقاعد شدند که مواد آلی از مواد غیر آلی ساده مانند هیدروژن و متان و آب پدید آمدهاند و بعد تحت عواملی در اقیانوسهای داغ آن دوران جمع شدهاند. در واقع دریاهای اولیه مانند سوپی داغ مملو از مولکولهای آلی بنیادین بودهاند. در نهایت چند سال بعد برخی از دانشمندان فرضیه سوپ بنیادین را زیر سؤال بردند. آنها گفتند که در اتمسفر اولیه زمین به دلیل اینکه لایه اوزون وجود نداشت، گازهای متان و آمونیاک نمیتوانستند وجود داشته باشند و به همین دلیل، احتمالاً مولکولهای آلی نه در اتمسفر، بلکه در کنار آتشفشانهای زیر اقیانوسها و درون حبابهای گازی تشکیل شدهاند.

منشأ مولکولهای آلی

دو احتمال برای منشأ مولکولهای آلی اولیه بروی کره زمین مطرح است.

• منشأ زمینی- مولکولهای آلی با کمک انرژی ناشی از تصادف اجرام آسمانی و سایر منابع انرژی (مانند انرژی الکتریکی) در زمین بوجود آمدهاند
• منشأ برون زمینی-مولکولهای آلی توسط اجرام آسمانی چون کندریتهای کربنه (سنگهای آسمانی بدون نشانهای از ذوب شدن یا تغییر) یا بهطور مستقیم و به شکل مولکولها ی آلی یا اشکال اولیه حیات ازفضا بوسیله جاذبه زمین، به کره زمین راه یافتهاند.

مشاهدات انجام شده در سایر اجرام سماوی جای هیچ شکی باقی نگذاشته است که آمینواسیدها در جاهای دیگری از منظومه شمسی غیر از زمین نیز بوفور یافت میشوند. اولین نشانهها از شهاب سنگهایی به دست آمد که گرفتار میدان گرانشی زمین شده و بر سطح این سیاره سقوط کردهاند. ابتدا گمان بر این بود که شاید یافتههای فوق ناشی از رسوخ آمینواسیدهای زمینی به دل این سنگهای آسمانی بودهاست. اما خیلی زود و با کشف ساختار متفاوت این آمینواسیدهای کشف شده، مشخص شد که آمینواسیدهای کشف شده قطعاً منشأ فرازمینی دارند.

تریز و زریر دیوان مزدیسنایی...