التطور الكيميائي كمصدر للحياة

إن أي نقاش علمي حول أصل الحياة على الأرض يثير على الفور أسئلة صعبة: ما هو التركيب الكيميائي لسطح الأرض في فترة ما قبل البيولوجية، قبل خلق الحياة؟ ما هي شروط تكوين الحياة؟ ما هي احتمالات وقوع حدث "بداية الحياة" حصراً على الأرض؟ هل بدأت الحياة في مكان واحد أم في نفس الوقت في عدة أماكن؟

من: تقريبا، 2000، كتيب، 13 شتاء. 1997
1.1.1998
بواسطة: رافائيل أيكن
رافائيل أيكن، قسم الكيمياء العضوية، الجامعة العبرية في القدس.

إن أي نقاش علمي حول أصل الحياة على الأرض يثير على الفور أسئلة صعبة: ما هو التركيب الكيميائي لسطح الأرض في فترة ما قبل البيولوجية، قبل خلق الحياة؟ ما هي شروط تكوين الحياة؟ ما هي احتمالات وقوع حدث "بداية الحياة" حصراً على الأرض؟ هل بدأت الحياة في مكان واحد أم في نفس الوقت في عدة أماكن؟

لا تزال العديد من الأسئلة دون إجابة، لكن العلم اليوم يقدم العديد من الإجابات وبعض الفرضيات المعقولة. إن النظريات الجديدة حول أصل الحياة مبنية في معظمها على افتراضات عالمين: عالم الكيمياء الحيوية الروسي ألكسندر أوبارين، وهما أول من توصل إلى هالدين، وعالم الكيمياء الحيوية البريطاني جون هولدن.
افترض أحدهما بشكل منفصل (أوبيرين عام 1924 وهولدن عام 1929) الظروف التي كانت سائدة في الغلاف الجوي المبكر، والتي مكنت، وفقًا لادعائهم، من خلق المركبات العضوية، مثل البروتينات والكربوهيدرات، التي تشكل أساس الحياة. . ووفقا لهم، كان الغلاف الجوي القديم عبارة عن جو مُعاد التدوير، أي غني بالمركبات الغنية بالهيدروجين. من المفترض أنه في المرحلة التي سبقت ظهور الحياة على الأرض، كان الغلاف الجوي يتكون بشكل أساسي من الأكسجين والنيتروجين والماء وكميات صغيرة من الفوسفين، ولم يكن به أكسجين حر على الإطلاق، كما يوجد (S(2)H) و كبريتيد الهيدروجين ((3)PH) في الغلاف الجوي اليوم. ووفقا للفرضية المقبولة حاليا، فقد أضيفت مركبات كيميائية بسيطة في المحيطات والأجواء الرطبة على مدى ملايين السنين. وتعرضت المركبات لتأثيرات مصادر الطاقة مثل البرق والحرارة والأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس، والأعطال الكهربائية، والنشاط الإشعاعي في القشرة الأرضية، والحرارة من البراكين، والطاقة من موجات الصدمة (بدون الأكسجين، طبقة الأوزون التي تخمد الإشعاع). ، كانت غائبة أيضاً.) مصادر الطاقة من هذا النوع قد تؤدي إلى خلق روابط جديدة بين الجزيئات، وينتج عن هذه الروابط تكوين جزيئات عضوية أكثر تعقيداً وتنظيماً، مثل الأحماض الأمينية والسكريات والبيورينات وغيرها.

يطلق العلماء على هذه الحالة البدائية اسم "الحساء البدائي" (أو "الحساء البدائي" قبل وجود الحياة). وتشير التقديرات إلى أن تركيز المواد العضوية في "المرق" كان حوالي 1 جرام لكل لتر من السائل. ومع مرور الوقت، زاد تركيز المواد في المرق العضوي، نتيجة تبخر الماء، وجرت فيما بعد عملية ربط الجزيئات الصغيرة ببعضها البعض. وتسمى هذه العملية البلمرة (تكوين البوليمرات)، ومن أمثلة ذلك البروتينات التي تكونت من وحدات عديدة من الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات، والتي ترتبط ببعضها البعض وتكون الأحماض النووية (DNA و RNA). رأى أوفرين وهيلدن أن هذه المراحل هي الشرط الضروري لتكوين الحياة في عالمنا.

التجارب المعملية

فقط بعد الحرب العالمية الثانية بدأ العلماء في محاولة تقليد تكوين المواد العضوية في العالم القديم في المختبر بناءً على أفكار أوبرين وهولدن. (ميلر) ومن أشهر التجارب تلك التي أجراها الأمريكي ستانلي ميلر من جامعة سان دييغو بكاليفورنيا عام 1953. وقد أعد ميلر في معداته المعملية (انظر الشكل 1، تقريبا 2000، رقم 13، ص 21). ) خليط من غاز الأمونيا وغاز الدفع والماء (وهي جزيئات بسيطة شائعة في الغلاف الجوي). وقام بتعريض الخليط لظروف تجديدية، أي أضاف الهيدروجين، مثل الوضع الذي ربما كان سائدا في العالم القديم. ومن خلال هذا النظام قام بنقل شرارة كهربائية (تقليدًا للبرق). وبعد أسبوع قام بفحص النظام، ولدهشته اكتشف مجموعة متنوعة من المواد العضوية فيه. وأهمها أربعة أحماض أمينية - الجلايسين، والألانين، وحمض الأسبارتيك، وحمض الجلوتاميك، وهي من بين اللبنات الأساسية للبروتينات. وبالمناسبة، فإن الأحماض الأمينية التي تم إنشاؤها في تجربة ميلر هي الأكثر شيوعا بين تلك التي تشكل البروتينات الحيوانية اليوم. وفي ضوء النتائج المخبرية التي توصل إليها واعتبارات أخرى، أيد ميلر الافتراض القائل بأن الحياة بدأت في الأنظمة البحرية، حيث أحد مصادر الطاقة لتكوين الجزيئات العضوية هو الشمس. يفترض بعض الباحثين أن أصل الحياة خارج كوكب الأرض وأن الجزيئات الموجودة خارج كوكب الأرض "استقلت" النيازك أو الغبار الشمسي و"استقرت" على سطح الأرض.

ومن بين الباحثين الكثيرين الذين تناولوا مشكلة أصل الحياة أو التطور وفريقه. إنهم (بونامبيروما) قبل البيولوجيا، دعونا نتذكر أن الباحث بونامبيروما استخدم منشأة معملية تحتوي على اثنين من حبوب اللقاح (انظر الصورة، ما يقرب من 2 رقم 2000 ص 13)، حيث يمثل الجزء العلوي "الغلاف الجوي" والجزء السفلي من حبوب اللقاح "المحيط". "ويحدث بينهم تدفق للمواد. حدثت التفاعلات الكيميائية في الفضاء (HCN) من خلال الانهيار الكهربائي. وهكذا وجد أن سيانيد الهيدروجين الموجود بين النجوم (HCHO) يشكل قواعد مثل الأدينين، بينما يؤدي الفورمالديهايد إلى تكوين الكربوهيدرات. كما ذكرنا، تتكون الجزيئات البيولوجية البوليمرية (البوليمرات الحيوية)، مثل البروتينات والأحماض النووية، من وحدات بناء صغيرة (مونومرات). يحدث الانتقال من المونومرات إلى البوليمرات من خلال تفاعلات الالتصاق وإزالة جزيء الماء (الجفاف). ومن الممكن أن تكون مثل هذه التفاعلات قد حدثت في التربة القديمة، عندما وصل خليط من المواد العضوية من "الحساء البدائي" إلى شواطئ المحيطات وامتزج على سطح الطين الذي تعرض لحرارة الشمس. تم اختبار احتمال أن يكون للطين تأثير محفز (تأثير تسريع العمليات) فيما يتعلق بالمواد العضوية في المختبر، وثبت أنه ممكن.

"العلامات البيولوجية" - ما هي؟

وفي الدراسات الجيوكيميائية، التي تدرس محتوى الجزيئات العضوية في النظم الجيولوجية، أصبح من الواضح أن كميات ضئيلة من المواد العضوية التي مصدرها الحيوانات والنباتات كانت محفوظة في الحفريات والرواسب القديمة، التي يقدر عمرها بملايين السنين، دون أي هيكلية كبيرة. يتغير. المركبات العضوية التي يشير تركيبها الجزيئي إلى أنها تشكلت في عمليات بيولوجية وأنها مقاومة للتغيرات الكيميائية (العلامات البيولوجية) تسمى "العلامات البيولوجية"، لذلك على سبيل المثال تم اكتشاف أن بعض السيانيد الموجود في زنابق البحر اليوم له تشابه هيكلي إلى مادة السيانيد الموجودة في زنابق البحر من الحفريات التي يقدر عمرها بحوالي 170 مليون سنة.

في الصورة 3 (المرجع 2000 رقم 13، ص 29)، يمكنك رؤية هياكل العلامات البيولوجية التي تسمى الدهون الحيوية والدهون الجغرافية. ويقدر عمر هذه الهيدروكربونات بحوالي 700 مليون سنة. تكمن أهمية العلامات البيولوجية في المعلومات التي تقدمها فيما يتعلق بنوع الكائنات الحية التي كانت تحتوي عليها (عادة مع تغيير هيكلي طفيف) في الأيام القديمة. وتشير دراسة مقارنة للمكونات العضوية في الصخور القديمة والحديثة إلى التشابه الكبير بين العمليات البيوكيميائية المعاصرة والقديمة. هناك صعوبة في إجراء مقارنة كاملة، لأن العديد من أنواع الكائنات الحية القديمة انقرضت ولم تعد موجودة اليوم.

لا يُعرف الكثير حتى الآن عن العمليات البيولوجية الأولية. نظرية تتناول تطور الحياة والبقاء (داروين) نظرية تشارلز داروين في تطور الأنواع، ولكنها لا تحدد طرق تكوينها. في السنوات الأخيرة، تطور مجال البيولوجيا الجزيئية، الذي يهتم بدراسة الأساس الجزيئي للعمليات الحياتية. ومع ذلك، فإن الرابط الذي يصف أصل الحياة (أصل الخلية الحية الأولية) على الأرض لا يزال مفقودا. على الرغم من المعرفة الواسعة التي تراكمت فيما يتعلق بالطبيعة الكيميائية للعالم القديم، إلا أنه لم يتم العثور بعد على ارتباطها بتكوين أنظمة الحياة في البحر وعلى الأرض. يعد العثور على رابط الاتصال هذا أيضًا تحديًا رائعًا للباحثين المشاركين في دراسة الفضاء وأصل الحياة.

_______ * * * _______

للتعرف على عوامل الارتباط قبل الحيوية المحتملة، انظر ما يقرب من 2000 رقم 13، ص 21. وهنا يعتبر ستينمان (كالفن) أمثلة على عمل عوامل الارتباط: قام باحثو كالفن بتشعيع الأحماض الأمينية الجلايسين والليوسين باستخدام الأشعة فوق البنفسجية (ستاينمان) في وجود عامل الربط السياناميد، وحصل على مواد الديجليسين، والتريجليسين، والليوسين-جلايسين، والجليسيل-ليوسين. وبعد 24 ساعة، تتشكل عديدات الببتيدات في وجود الدايسياناميد. اتضح أن حوالي 15٪ من الحساء القديم يتكون من سيانيد الهيدروجين، لذلك شارك رباعيه، ثنائي أمينوميلانيتريل، في تفاعلات البلمرة في تكوين قاعدة البيورين الأدينين، وهو أحد مكونات الأحماض النووية والإنزيمات المساعدة. ومن الممكن أن يكون غاز الفوسفين (الموجود أيضًا في الغلاف الجوي لكوكب المشتري) موجودًا في الغلاف الجوي القديم، وتحول إلى فوسفات في المحيطات القديمة وبالتالي ساعد في تفاعلات الارتباط.

لمزيد من القراءة: التطور - مجمعة. فرانكل، إل. بيليد، إتش. بيرنهولتز، الفصل الثالث، مركز تدريس العلوم، . 1995