كيف جاءت الحياة؟

كيف بدأ التطور وكيف أصبحت المادة غير الحية مادة حية؟

بواسطة: ايريس فراي
من: جاليليو – المجلة الإسرائيلية للعلوم البيئية، عدد 11 يوليو/أغسطس، 1995

ملاحظات: تقوم الدكتورة إيريس فراي بتدريس تاريخ وفلسفة علم الأحياء في معهد كوهين لتاريخ وفلسفة العلوم والأفكار في جامعة تل أبيب وفي قسم الدراسات العامة في التخنيون.

كيف جاءت الحياة؟
بواسطة: ايريس فراي

في منتصف القرن الماضي (1859) نشر تشارلز داروين كتابه "أصل الأنواع". غيّر الكتاب نظرتنا إلى عالم الحيوان وأحدث عاصفة كبيرة. ولم تتجلى الاضطرابات في العلوم الطبيعية فحسب؛ وأثرت على نظرة الإنسان إلى نفسه ومكانته في العالم، وعلى آرائه الاجتماعية والثقافية والفلسفية. وتضمن كتاب "أصل الأنواع" كمية هائلة من البيانات من مختلف مجالات البحث، مما أثبت صحة الادعاء القائل بأن الأنواع المختلفة من الكائنات الحية لم تخلق بشكل فردي بالشكل الذي نعرفه اليوم، بل اعتمدت على بعضها البعض وتطورت من خلال بعضها البعض. العمليات الطبيعية. لقد كانت نظرية داروين ثورية ليس فقط بسبب الادعاء بأن التطور قد حدث بالفعل، ولكن بشكل رئيسي بفضل الآلية التي اقترحها داروين باعتبارها القوة الدافعة وراء العمليات التطورية. وتعتمد هذه الآلية - الانتقاء الطبيعي - على التباين بين الأفراد المختلفين من الكائنات الحية التي تنتمي إلى نفس المجموعة السكانية، وتشير إلى الميزة النسبية التي يتمتع بها بعض الأفراد في بيئات طبيعية مختلفة. بعد داروين، كان من الممكن وصف العمليات البيولوجية دون استخدام مفاهيم مثل الخطة والغرض، والاعتماد فقط على الآليات المادية. والدليل على الأهمية العميقة لهذا التغيير، الذي يتجاوز مجال علم الأحياء نفسه، نجده في حقيقة أنه حتى اليوم، بعد مرور ما يقرب من مائة وخمسين عامًا على نشر كتاب داروين، لا تزال النظرة التطورية الطبيعية للعالم تكافح من أجل الهجمات. واستهدفها من اتجاهات غير علمية.

داروين وأصل الحياة

إحدى الافتراضات المهمة لنظرية التطور هي أن جميع المخلوقات الموجودة اليوم على الأرض تنحدر من سلف مشترك. ويشير داروين في كتابه إلى شكل بدائي واحد، أو إلى بضعة أشكال بدائية تطورت منها وتطورت جميع أنواع الكائنات الحية. ومع ذلك، فهو لا يتعامل مع مسألة كيفية تطور تلك الأشكال الأولية. من المسلم به أنه في نهاية كتاب "أصل الأنواع" يستخدم داروين مصطلحات سفر التكوين - فهو يكتب عن قوى الحياة التي "اختزلها الخالق" في نفس الشكل البدائي الذي اعتمد عليه عالم الحيوان بأكمله، على كثرة مخلوقاته. ومع ذلك، في رسالة أرسلها إلى صديق بعد بضع سنوات، أوضح صراحة أنه كان يقصد في الواقع الإشارة إلى أن هذه كانت عملية غامضة وغير معروفة تمامًا. وافترض داروين أن العلم في عصره كان غير قادر على إعطاء إجابة لسؤال كيفية حدوث الانتقال من المادة الجامدة إلى تلك الحياة البدائية. ومع ذلك، فقد فكر كثيرًا في موضوع أصل الحياة، بل إنه طرح في إحدى رسائله فرضية بدت له جريئة للغاية، وهي أن الحياة بدأت في مياه مكفيه التي تحتوي على مركبات غير عضوية مثل ثاني أكسيد الكربون. وأملاح الأمونيا والفوسفور التي تكونت منها - تحت تأثير الضوء والحرارة. الأعطال الكهربائية، وما إلى ذلك - مركبات عضوية بسيطة، منها تطورت الحياة.

تكوين عفوي

في النصف الثاني من القرن التاسع عشر، كان السؤال الذي أثار حفيظة العالم الأكاديمي وعامة الناس هو ما إذا كان من الممكن أن تنشأ الحياة التلقائية من مادة غير حية. خلال مئات السنين، منذ العصور القديمة، خلال العصور الوسطى وحتى خلال القرنين السادس عشر والسابع عشر، لم يشك أحد، ولا حتى أفضل المفكرين وعلماء الطبيعة، في أن الكائنات الحية لا تنشأ فقط من خلال عمليات التكاثر الطبيعية. وكان التفسير أنها تتشكل حتى بدون آباء، بشكل عفوي وفجائي من الطين ولحاء الأشجار، ومن إفرازات عضوية ومواد متحللة، تحت تأثير حرارة الشمس وظروف الرطوبة المناسبة. نحن نتحدث عن الخلق الذاتي (الجيل) الذي يحدث في النباتات والديدان والحشرات والأسماك والضفادع والطيور وغيرها.

وكانت تربة النيل تعتبر خصبة بشكل خاص لنشوء التماسيح والثعابين بشكل عفوي، كما يروي ويليام شكسبير على سبيل المثال في مسرحيته "أنطونيو وكليوباترا". وفي القرن الثاني عشر، كانت قصة أشجار الإوز شائعة في أوروبا. وقد ذكر علماء الطبيعة في ذلك الوقت في كتاباتهم عن خلق الإوز عن طريق حرق بعض أشجار الصنوبر تحت تأثير مياه البحر. بالمناسبة، لم يكن هذا الاعتقاد منتشرا على نطاق واسع فحسب، بل كان مفيدا للغاية أيضا: يحظر على المسيحيين المؤمنين أكل اللحوم يوم الجمعة، وهو تذكير بالصلب. وهنا، وبما أن مصدر الإوز -حسب الاعتقاد- هو ماء البحر، فيمكن أكله، بسبب مكانته كـ«سمك» حتى في أيام الجمعة.

ومثال آخر لاحق - من القرن السابع عشر: وصفة طبية منتشرة على نطاق واسع من قبل الطبيب والكيميائي الفلمنكي فان هيلمونت، من أجل خلق الفئران تلقائيًا، بدون آباء،: قطف حبات القمح وضعها في صندوق مغلق مع قميص تفوح منه رائحة العرق. لمدة واحد وعشرين يوما. البخار المنبعث من القميص، الذي يحتوي على مبدأ الحياة، سوف "يقوم بالمهمة".

وفي العصور المختلفة، تلقت ظاهرة الخلق التلقائي للحياة تفسيرات مختلفة وفقا لروح العصر. وتاريخ هذه الأفكار هو مثال مفيد لتأثير الافتراضات - الفلسفية والدينية والسياسية - على الفكر العلمي. كان هناك مفكرون وعلماء طبيعة، سواء في اليونان القديمة أو في العصر الحديث، يعتقدون أنه لا يوجد فرق جوهري بين المادة غير الحية والكائنات الحية. لقد شرحوا حدوث الخلق التلقائي بمساعدة حركات جزيئات المادة وقوانين حركة المادة. كما دعمت الكنيسة، لعدة قرون، فكرة الخلق الذاتي للحياة. آمن اللاهوتيون المسيحيون بالأمر المعطى للأرض وحرارة الشمس عند خلق العالم بخلق الحياة في كل الأوقات. وبدلاً من ذلك، أسس لاهوتيون آخرون الخليقة غير الأبوية على التدخل المباشر من الله، وطبعوا مبدأ الحياة في المادة غير الحية. ولأسباب علمية وفلسفية ودينية مختلفة، بدأت الكنيسة تحارب بحماس فكرة خلق الحياة بهذه الطريقة منذ القرن السابع عشر فصاعدًا. شهد الإيمان بالخلق التلقائي صعودًا وهبوطًا في القرنين السابع عشر والثامن عشر، بعد تراكم البيانات التشريحية والمجهرية التي شهدت على التعقيد الكبير للكائنات الحية. في ذلك الوقت، تم أيضًا إجراء تجارب تمكن فيها العديد من الباحثين من إثبات أن الخلق التلقائي لمخلوقات مختلفة، مثل الحشرات، غير ممكن. منذ القرن الثامن عشر، كان هناك حديث عن الخلق الذاتي لمخلوقات مجهرية صغيرة فقط.

لويس باستور - باحث مستقل؟

في ستينيات القرن الثامن عشر، صُدم العالم العلمي والنخبة الفكرية في فرنسا عندما احتدم الجدل حول إمكانية وجود خلق ذاتي لمخلوقات مجهرية: في التجارب التي أجراها عالم الطبيعة فيليكس بوشيه، ظهر الخلق التلقائي على ما يبدو. تم عرض الكائنات الحية الدقيقة في المحاليل العضوية. ومن ناحية أخرى، كانت هناك تجارب الباحث الفرنسي الكبير لويس باستور، والتي تناقضت مع نتائج بوشا. لقد كانت تجارب باستور هي التي أغلقت الباب في النهاية أمام فكرة الخلق التلقائي.

لا تزال تجارب باستور الرائعة تُستخدم حتى يومنا هذا كنموذج للعمل العلمي التجريبي. ومع ذلك، فإن عمل باستور، مثل كل الأعمال العلمية، قد تشكل من خلال اعتبارات الأيديولوجية والنظرة الفلسفية للعالم. وقد عبر عن ذلك بوضوح في محاضرة ألقاها في جامعة السوربون عام 1846، ناقش فيها المضامين الفلسفية والدينية للجدل الدائر حول مسألة الخلق التلقائي. باستور، الذي كان ينتمي إلى المؤسسة السياسية في فرنسا ودعم الكنيسة المهيمنة والأيديولوجية المناهضة للمادية، طرح في محاضرته السؤال الأساسي حول موضوع أصل الحياة: هل يمكن للمادة أن تنظم نفسها؟ هل يمكن للمادة الجامدة أن تنظم نفسها لتشكل نظامًا حيًا؟ أجاب باستير على السؤال بالنفي، إذ أثبتت تجاربه بما لا يدع مجالاً للشك، على حد قوله، أن الحياة لا يمكن خلقها إلا من حيوات سابقة، وأن كل فرد هو بالضرورة سليل أبوين. وبعد سنوات، بعد سقوط الإمبراطورية الثانية عام 1871، عندما تغير المناخ السياسي في فرنسا وأصبح أكثر ليبرالية، أعرب باستير علنًا عن شكوكه وادعى أنه غير مقتنع بأن الخلق التلقائي غير ممكن.

في العقود الأخيرة من القرن التاسع عشر، واجه أنصار نظرية داروين مشكلة صعبة. في ذلك الوقت، بدا أن تجارب باستور قد أغلقت الباب أمام إمكانية خلق الحياة من مادة غير حية حتى عندما يتعلق الأمر بأشكال الحياة المجهرية. ولكن في الوقت نفسه كان واضحا لهم (كما كان واضحا أيضا لداروين نفسه) أن التوسع المنطقي لنظرية التطور نحو افتراض أنه في مرحلة مبكرة من تاريخ الأرض تم الانتقال من المادة الجامدة إلى المادة الجامدة. كان هناك حاجة إلى نظام حي. في الواقع، افترض بعض الداروينيين البارزين في نهاية القرن، على سبيل المثال الإنجليزي توماس هكسلي والألماني إرنست هيكل، أن نوعًا من الخلق التلقائي قد حدث على سطح الأرض القديمة، بدءًا من المركبات العضوية وغير العضوية البسيطة إلى المركبات العضوية وغير العضوية. الأنظمة الحية. تتغذى هذه الفرضية، من بين أمور أخرى، على المفهوم الذي كان مقبولا في ذلك الوقت والذي بموجبه تعتبر البروتوبلازم، التي تتكون منها الخلية الحية، مادة بسيطة إلى حد ما من الناحية الكيميائية. حتى أن هكسلي ادعى أنه وجد في قاع المحيط دليلاً على وجود بروتوبلازم بدائي يحتوي على بقايا مخلوق بدائي قديم. في وقت لاحق اتضح أن هذه قطعة أثرية - "اكتشاف" لطريقة الاختبار نفسها، والتي في هذه الحالة هي العمليات الكيميائية للحفاظ على العينات من قاع البحر.

في نهاية القرن، تم تطوير التقنيات الخلوية (التي تناقش بنية الخلية) التي اكتشفت المكونات المختلفة للخلية الحية وشددت على أهمية نواة الخلية. كما أنه في نهاية القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين تطورت الكيمياء الحيوية وتم التعرف على العديد من الإنزيمات المسؤولة عن العمليات المختلفة في الخلية. وبعد هذه التطورات تغير المفهوم النظري تماما. الآن اعتبر الخلية نظامًا معقدًا للغاية. إن أي افتراض يتحدث عن تكوين خلية حية بعد تفاعلات كيميائية عشوائية بين جزيئات بسيطة كان يعتبر لا أساس له من الصحة على الإطلاق من قبل معظم العلماء في ذلك الوقت.

حل محاكاة - الحياة أبدية

وعلى خلفية هذا المأزق في مسألة أصل الحياة، اقترح بعض أفضل العلماء في أواخر القرن التاسع عشر نوعا من الحل، وهو في الواقع إلغاء السؤال نفسه. ذهب بعض علماء الفيزياء والكيميائيين وعلماء وظائف الأعضاء المشهورين إلى أنه لا يمكن تصور أن الحياة نشأت من مادة جامدة على سطح الأرض، وأنه من الأرجح أن نفترض أن الحياة أبدية، مثل أبدية المادة وأبدية الكائنات. الكون. وزعموا أنه في مكان ما من الكون، في الأماكن التي تسود فيها الظروف المواتية، كانت الحياة موجودة دائمًا. يتم حملها في الكون على شكل أبواغ أو بذور، وتصل إلى الأرض عن طريق النيازك، أو بطرق أخرى مختلفة. أعربت هذه الأفكار، التي تسمى إصداراتها المختلفة "نظرية البانسبرميا"، عن الافتراض الفلسفي القائل بأنه لا يمكن إنشاء الحياة من مادة غير حية، لأن هذين جوهرين مختلفين بشكل أساسي.

وبما أن معظم العلماء في بداية القرن العشرين لم يروا نظرية البانسبرميا كحل مرضي، وبما أنه لم يتم اقتراح آليات كيميائية معقولة لتفسير تطور الحياة على الأرض، فقد تم تجاهل الموضوع بشكل شبه كامل في العقود الأولى من القرن العشرين. القرن الحالي. وهذا ما شهد به لاحقًا أحد علماء الوراثة المشهورين في ذلك الوقت، وهو هيرمان مولر، بأن الشعور العام كان أنه من المحرمات ولا ينبغي المساس به على الإطلاق.

البكتيريا في المركبة الفضائية

سوف نقفز الآن بالزمن ونصل إلى عام 1981، ففي هذا العام صدر كتاب بعنوان "الحياة نفسها"، والذي قدم نظرية تعرف بالتبذر الشامل المتعمد من الفضاء، من كوكب آخر تسكنه كائنات ذكية تنتمي إلى عالم أكثر ذكاءً. حضارة متطورة أكثر من حضارتنا، ومؤلف الكتاب هو أحد العلماء المشهورين في عصرنا، فرانسيس كريك، الذي كان شريكا في اكتشاف بنية الحمض النووي، هل في إطار نظريته التي تبدو كعلم قصة خيالية، تعطي كريك إجابة لسؤال كيف نشأت الحياة - إن لم تكن هنا، ففي مكان آخر؟ على عكس الأفكار القديمة عن البانسبيرميا، لا يدعي كريك أبدية الحياة، وبالتأكيد لا ينبغي أن ينسب إليه باعتباره صاحب مبدأ. إنكار إمكانية نشوء الحياة من مادة غير حية، وكان هدفه الإشارة إلى الارتباك الكبير الذي لا يزال يميز مسألة أصل الحياة، وزيادة الوعي بالطبيعة المعقدة والصعبة للمشكلة.

على عكس فرانسيس كريك، لا يزال معظم الباحثين اليوم يتساءلون عن كيفية نشوء الحياة على الأرض. منذ الخمسينيات من القرن الماضي، كان هناك بحث عملي نشط في مسألة تكوين كيم، حيث انضم علماء الفيزياء الفلكية والجيوفيزياء وعلماء الأرصاد الجوية وعلماء المحيطات والكيميائيون العضويون والكيمياء الحيوية وباحثو البيولوجيا الجزيئية معًا. من الواضح للجميع أنه لا توجد إمكانية لإعادة بناء دقيقة للأحداث الفريدة التي حدثت في الماضي البعيد، والتي خلقت فيها الحياة، ولكن من الممكن اقتراح سيناريوهات معقولة، بناءً على قوانين الطبيعة والمعرفة المتراكمة. . ومع ذلك، بعد مرور حوالي مائة وثلاثين عامًا على طرح باستير للسؤال الأساسي المتعلق بقدرة المادة على تنظيم نفسها، لا يزال هذا السؤال من أصعب الأسئلة في علم الأحياء. علاوة على ذلك، يرى بعض أشهر علماء الكيمياء الحيوية أن الإنجازات غير العادية للبيولوجيا الجزيئية، والتي تكشف لنا التعقيد الهائل للأنظمة الحية، هي التي جعلت السؤال أكثر صعوبة.

وسنحاول الآن أن نكتشف بأنفسنا ثلاثة أسئلة: أولا، كيف تحول الموضوع من محرم إلى سؤال علمي مشروع؟ ثانيا، ما الذي يمنع في هذه المرحلة من التوصل إلى حل مرض للسؤال؟ وثالثا ما هي مع ذلك منجزات البحث وما هي اتجاهات الحلول الواضحة؟

فرضية أوبرين هولدن

مقالان يحملان اسم «أصل الحياة» ظهرا، بشكل مستقل، في العشرينيات من القرن الماضي، مقالات سابقة لعصرها، هي التي وقفت على خلفية الطفرة التي حدثت فيما بعد. في عام 1924، نُشر في الاتحاد السوفييتي مقال لعالم الكيمياء الحيوية الروسي ألكسندر أوبارين، وفي عام 1929، ظهر في إنجلترا مقال لعالم الكيمياء الحيوية وعالم الوراثة جون باردون ساندرسون هولدن. أثار كلا المقالين لأول مرة فرضيات فريدة تتعلق بالظروف التي كانت سائدة على سطح الأرض القديمة، وهي الظروف التي سمحت بتكوين المركبات العضوية. كما اقترحوا آليات - تختلف عن بعضها البعض - لمراحل الانتقال من هذه المواد العضوية إلى نظام حي بدائي من خلال التطور الكيميائي. وفي عام 1936 نشر أوبرين كتابه -"في أصل الحياة"- الذي وسع فيه وعمق فرضياته وحججه. فقط بعد الحرب العالمية الثانية كان للكتاب تأثير حقيقي على مجتمع العلوم الدولي.

بنى أوبرين أفكاره على النتائج الجديدة التي كشفت عنها الكيمياء الحيوية، وكذلك على التطورات الهامة في الكيمياء العضوية وغير العضوية. تم وصف البروتينات بأنها مواد غروانية - وهي مواد تظهر سلوكًا خاصًا في المحلول، مع قدرتها على تشكيل نوع من الأنظمة الشبيهة بالخلايا التي تتميز عن محيطها. خصائص الغرويات، التي رأى فيها أوبرين نوعًا من المراحل الوسيطة بين الكيميائية والبيولوجية، سمحت له باقتراح نص قابل للاختبار لوصف أصل الحياة.

من ناحية أخرى، استوحى هولدن إلهامه من مجال علم الوراثة الناشئ، وخاصة من اكتشاف الفيروسات. وبينما ركز أورين على الحياة كنظام من التفاعلات الكيميائية المتشابكة، وهو نظام يديم نفسه ذاتيًا، رأى هولدن أن التكاثر هو السمة المركزية للحياة.

بدأت البيانات الجديدة تتراكم فيما يتعلق بالتركيب الكيميائي للكون. اتضح أن العنصر الكيميائي الأكثر شيوعًا هو الهيدروجين. وبعد هذه الاكتشافات، ظهرت فرضيات جديدة بشأن طبيعة الغلاف الجوي القديم للأرض. طرح أوبرين وهولدن ادعاءً جريئًا في وقته، مفاده أن الغلاف الجوي المبكر للأرض لم يكن يحتوي على الأكسجين، بل كان جوًا مُعاد تدويره، أي غنيًا بالمركبات المحتوية على الهيدروجين. واقترحوا أنه في ظل هذه الظروف، أصبح إنشاء مركبات عضوية بسيطة أمرًا ممكنًا. في وقت لاحق، تم إنشاء المزيد والمزيد من المواد المعقدة، والتي تراكمت في "الحساء البدائي". رأى أوبرين وهولدن أن هذه المراحل الأولية شرط ضروري لنشوء الحياة. وهناك نقطة أخرى مهمة أثاروها وهي: في غياب الأكسجين، تكون طبقة الأوزون التي تخفف الإشعاع غائبة أيضًا. وبالتالي يمكن أن تكون الأشعة فوق البنفسجية القوية مصدرًا مهمًا للطاقة للتفاعلات الكيميائية المختلفة. ابتداءً من خمسينيات القرن العشرين، أصبحت فرضية أوبرين هولدن إطارًا توجيهيًا للبحث في مجال الحياة المبكرة. بالمناسبة، التقى أوبرين وهولدن للمرة الأولى فقط في عام 1963 في مؤتمر دولي كان موضوعه أصل الحياة، عقد في فلوريدا تحت رعاية وكالة الفضاء الأمريكية ناسا.

البديل الثالث

بين النظرية التي اقترحها أوبرين ونظرية هولدن كانت هناك اختلافات في المفهوم والتفاصيل. ومع ذلك، فقد قدم كلاهما في الأساس رسالة مشتركة: لقد قدموا بديلاً للمنهجين المبدئيين اللذين كانا معروفين من قبل: الخيار الديني الحيوي، الذي رأى الحياة والمادة الجامدة كفئتين منفصلتين، والخيار الآلي التبسيطي، الذي لم يتمكن من للوقوف في وجه التعقيد الهائل للأنظمة الحية، حتى الأكثر بدائية منها.

يقدم النهج المادي التطوري لأوبرين وهولدن عمليات التطور الكونية والكيميائية والبيولوجية كتسلسل واحد، ولكنه يعترف أيضًا بالخصائص الفريدة للأنظمة الحية ويحاول تفسيرها من خلال آليات مادية يمكن أن تؤدي إلى التنظيم الذاتي للمادة. . ويرى العديد من مؤرخي العلوم أنه ليس من قبيل الصدفة أن الأشخاص الثلاثة الذين ساهموا في تأسيس هذا النهج، وهم الرائدان أوبرين وهولدن، والذي انضم إليه في الخمسينيات والستينيات، الفيزيائي الإنجليزي جون برنال، كانوا ماركسيين. لقد جادلوا بأن تطور الحياة جزء لا يتجزأ من تطور العالم المادي، ولكن في الوقت نفسه، من الضروري التعرف على قوانين مختلفة تعمل على مستويات مختلفة من التنظيم المادي.

تجربة ميلر - ولد مجال علمي

كان أوبرين أول من حدد بوضوح العمليات الممكنة لتشكيل الأنظمة الحية. بعد الحرب العالمية الثانية، بدأ علماء الكيمياء الحيوية في دراسة المراحل المختلفة التي اقترحها أوبرين. وأشهر هذه التجارب، وهي التجربة التي أسست بالفعل مجال البحث التجريبي حول أصل الحياة، كانت تجربة الكيميائي الأمريكي ستانلي ميلر (ميلر) عام 1953. نجح ميلر في تخليق عدد من المواد العضوية، بما في ذلك الأحماض الأمينية. وهي لبنات بناء البروتينات، من خليط الأمونيا والماء والهيدروجين - وهو الخليط الذي يمثل جو إعادة التدوير القديم. كمصدر للطاقة، استخدم ميلر التفريغات الكهربائية، التي تمثل مصادر الطاقة القديمة، مثل البرق. بعد تجربة ميلر، بدأت طفرة في الأبحاث - حيث تمكنت المجموعات التجريبية في العديد من المختبرات حول العالم من إثبات، في ظل ظروف متنوعة، إنشاء العديد من المركبات ذات الأهمية البيولوجية، كما تمكنت هذه المركبات من إنشاء مواد أكثر تعقيدًا. كما بدأت تظهر دوريات في هذا المجال، وتم نشر كتب مدرسية حول هذا الموضوع، وبدأت عقد مؤتمرات تضم العديد من المشاركين - باختصار، تم تأسيس المجال العلمي الذي يناقش مسألة أصل الحياة.

واصل العديد من العاملين في المختبر والمنظرين اتجاه أوبرين - الاتجاه الكيميائي الحيوي. ووفقا لهذا الاتجاه، يتم تعريف الجهاز الحي على أنه وحدة خلوية، تتمتع بدرجة كافية من التعقيد للقيام بالعمليات الأيضية مع الحفاظ على قيم ثابتة معينة، على الرغم من الظروف البيئية المتغيرة. في الخمسينيات من القرن الماضي، كانت معظم الجهود تهدف إلى إعادة إنشاء العمليات التي تتشكل البروتينات من خلالها. كان من المفترض أنه في مرحلة تكوين الحياة، كانت البروتينات مسؤولة عن الأنشطة الخلوية الرئيسية، مع تمكين عمليات التكاثر وتطوير الوحدات الخلوية الأولية. في الوقت نفسه، وبعد فرضيات هولدن، تطور اتجاه آخر للبحث استوحى إلهامه من مجال علم الوراثة، والذي بموجبه يتم تعريف الكائن الحي بمساعدة نشاطه الجيني - القدرة على التكاثر الذاتي والقدرة على التكاثر. من المادة الوراثية للخضوع للطفرات. في البداية، في عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين، افترضت النظريات الجينية أن "الجزيئات الحية" - الجينات - تم إنشاؤها بالصدفة من مواد غير عضوية. وكان من الواضح للجميع أن هذا كان بالفعل حدثًا ذو احتمالية ضئيلة للغاية، ولكن - كما زعموا - فإن الفترات الزمنية الطويلة جدًا المتاحة للعملية جعلت أيضًا ما هو غير محتمل حقيقيًا. ومع ذلك، فإن الاعتماد على "الحالة الناجحة"، أي الحدث الذي احتماليته ضئيلة للغاية، لم يسمح لاتجاه هذا البحث ببناء مجموعة تجريبية واقتراح نماذج قابلة للاختبار مماثلة لنموذج أوبرين.

وقد تغير هذا الوضع بعد فك شفرة بنية الحمض النووي على يد جيمس واتسون وفرانسيس كريك عام 1953 وبعد اكتشاف الشفرة الوراثية في الستينيات. وبعد هذه الإنجازات المثيرة للإعجاب في مجال البيولوجيا الجزيئية، اتخذت الفرضيات الجينية حول أصل الحياة شكلاً أكثر تفصيلاً. الآن أصبح من الممكن تخطيط وتنفيذ العديد من التجارب لفحص إمكانية ظهور الجين الأول وإمكانية تكراره.

سؤال الدجاجة والبيضة

ومع تطور علم الأحياء الجزيئي، صيغ الخلاف بين المنهج البيوكيميائي والمنهج الجيني في شكل سؤال: ما الذي سبق ماذا في أصل الحياة؟ فهل كان الرواد هم البروتينات، المسؤولة باعتبارها إنزيمات عن جميع العمليات الأيضية، أم سبقتهم الأحماض النووية، المسؤولة عن التكاثر الذاتي ونقل المعلومات الوراثية؟ تتميز جميع الأنظمة الحية المعروفة لنا باللغتين الكيميائيتين - لغة نشاط الإنزيم ولغة المعلومات الوراثية. ومع ذلك، نظرًا للتعقيد الهائل لكل من البروتينات والأحماض النووية، لا يمكن تصور أنه مع نشأة الحياة، كان الخلق الأولي للبروتينات والأحماض النووية ممكنًا في نفس الوقت. هذه الحقيقة تجعلنا نتورط في مشكلة "الدجاجة والبيضة". في الخلايا التي نعرفها، يعتمد تكوين البروتينات على وجود الأحماض النووية: يتم إنتاج البروتينات وفقًا للمعلومات الموجودة في الحمض النووي (مع مشاركة عدة أنواع من الحمض النووي الريبوزي). ومع ذلك، فإن تكوين الأحماض النووية ونشاطها، كلاهما يعتمد على نشاط البروتينات. يتم إنشاء جميع الأحماض النووية بمساعدة الإنزيمات، وتتم جميع عمليات ترجمة المادة الوراثية إلى بروتينات بمساعدة أنظمة إنزيمية شديدة التعقيد. كيف يمكن أن تتكون البروتينات لأول مرة بدون أحماض نووية؟ وكيف يمكن أن تكون الأحماض النووية قد خلقت أولا قبل ظهور البروتينات؟ في الخمسينيات، جرت محاولات لنسب البروتينات إلى القدرة على حمل المعلومات، والإشارة إليها باعتبارها أصل العملية الجينية الحيوية. على مر السنين، أصبح الميزان يميل أكثر فأكثر نحو الأحماض النووية. ومن الواضح، على أية حال، أن حل مسألة كيفية نشوء الحياة هو، إلى حد كبير، حل لمشكلة على غرار مشكلة الدجاجة والبيضة.

ابتداءً من أوائل الخمسينيات ولمدة عقدين تقريبًا، بدا أن دراسة أصل الحياة حققت العديد من النجاحات. وقد نجحت المجموعات البحثية، في كثير من المختبرات، في تخليق الأحماض الأمينية بسهولة بالغة، كما تحققت إنجازات في تخليق بعض الوحدات البنائية للأحماض النووية DNA وRNA. حتى أن العديد من الباحثين تمكنوا من ربط وحدات البناء هذه في سلاسل طويلة - البوليمرات، في ظل الظروف المناسبة. (البروتينات والأحماض النووية عبارة عن بوليمرات). وفي تجربة رئيسية أجراها الكيميائي الأمريكي سيدني فوكس، تم الحصول على نوع من البروتينات من الأحماض الأمينية التي أثبتت حتى القدرة على العمل كأنزيمات ضعيفة. وفي العديد من المختبرات، تم الحصول أيضًا على سلاسل قصيرة تشبه الحمض النووي (قليلة النيوكليوتيدات). بعد فك تشفير بنية الحمض النووي واكتشاف المبادئ الكيميائية التي تمكن من تكرار المادة الوراثية، تم إجراء العديد من التجارب لإثبات قدرة التكاثر الذاتي لقطاعات الحمض النووي. أفاد عدد من المختبرات في ذلك الوقت أنه كان هناك بعض النجاح في تكرار أجزاء الحمض النووي حتى بدون وجود الإنزيمات.

كانت الأهمية الأساسية الكبرى لتجارب التكاثر الذاتي هي محاولة إثبات أن مجموعة من البوليمرات ذاتية التكاثر يمكنها، في ظل ظروف معينة، إظهار عمليات الانتقاء الطبيعي، على غرار سلوك الكائنات الحية أثناء التطور.

في التكاثر الذاتي للأحماض النووية، يتم عمل نسخة طبق الأصل من ترتيب الوحدات البنائية في DNA أو RNA. النسخة دقيقة، ولكن ليس تماما. من وقت لآخر تحدث أخطاء في عملية النسخ - هذه هي الطفرات. تتمتع البوليمرات التي تحمل الطفرات التي تم الحصول عليها في عمليات النسخ في بعض الأحيان بمزايا مقارنة بالنسخ العادية، حيث أنها أكثر استقرارًا، ومعدل تكرارها أسرع، وما إلى ذلك. وبما أن جميع البوليمرات الموجودة في المجتمع تتنافس على نفس وحدات البناء، فهناك إمكانية الانتخاب الطبيعي فيما بينها. وبحسب العديد من الباحثين، فإن مبدأ الانتقاء الطبيعي، القادر على العمل بالفعل في الأنظمة الجزيئية، حتى قبل وجود الحياة، هو المبدأ المسؤول عن التطور الجزيئي وظهور الحياة. ومن المناسب أن نذكر هنا المساهمة الحاسمة للكيميائي الألماني، صهر جائزة نوبل، مانفريد إيغن، في تطوير وتطبيق مفاهيم التطور الجزيئي في دراسة أصل الحياة.

العودة إلى المربع الأول؟

خلال العقدين الماضيين، وفي أعقاب تراكم البيانات الجديدة في مختلف فروع العلوم، أصبحت فرضية أوبرين هولدن موضع شك. يدعي العديد من الباحثين اليوم أن الغلاف الجوي القديم لم يكن على ما يبدو يعاد تدويره إلى الحد الذي سمح بتكوين كمية كافية من المركبات العضوية، وبالتالي فقدت تجارب ستانلي ميلر وخلفائه العديدين صلاحيتها. يرفض الكيميائي الإنجليزي كيرنز سميث تمامًا النص المقبول لأصل الحياة؛ وهو يدعي أن الحياة لم تبدأ على الإطلاق بالكيمياء العضوية - كيمياء مركبات الكربون، وهي أكثر تعقيدًا، ولكن بالكيمياء غير العضوية، وهي أبسط بكثير. اعتقد كيرن سميث أن "الكائنات الحية" الأولى كانت مصنوعة من بلورات طينية تحتوي على الزنك ومعادن أخرى. يمكن للمعدن، عندما يتكاثر، أن "يورث" لأحفاده "معلومات" إضافية فوق الطبقة السابقة.

أمامنا نوع من عملية التكرار الذاتي التي تقع فيها الأخطاء أيضًا وبالتالي يتم إنشاء مواد لها ميزة نسبية على محيطها. يفترض كيرن سميث أنه في عمليات التكاثر والانتقاء الطبيعي للمعادن، تم أيضًا إنشاء "الكائنات الحية" التي تعلمت إنشاء مركبات عضوية على سطحها، لأن هذا أعطاها ميزة. وتدريجيًا، لم تعد هناك حاجة إلى سقالة عضوية خلوية، وكان هناك استيلاء على البوليمرات العضوية مثل البروتينات والأحماض النووية.

ووفقا لنظرية أخرى، وهي أكثر قبولا اليوم، فإن معظم المواد ذات الأصل العضوي "تم استيرادها" إلى الأرض القديمة على النيازك والمذنبات التي قصفت الأرض بعد تشكلها (انظر: "أصل الحياة على الأرض"، غاليليو ، 2 ص 10). تشير المزيد والمزيد من النتائج إلى وجود العديد من المركبات العضوية في الفضاء الخارجي، سواء في السحب بين النجوم من الغبار والغاز - السحب التي تتشكل منها النجوم الجديدة، أو في النيازك والمذنبات. ومن النتائج المثيرة للاهتمام هو المحتوى العضوي للنيزك الذي سقط في مورشيسون بأستراليا عام 1969، والذي يتضمن، من بين أشياء أخرى، أحماض أمينية في تركيبة ونسب تذكرنا جدًا بنتائج تجارب ستانلي ميلر. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن باحثين آخرين تمكنوا من إثبات تخليق المواد العضوية حتى في ظل ظروف غير مختزلة.
خاصة.

الحياة - منذ متى؟

هناك مشكلة أخرى تتعلق بـ "الجدول الزمني" لعملية تكوين الحياة. حتى وقت قريب كانوا يفكرون في فترات زمنية طويلة جدًا متاحة لعملية تكوين الأنظمة الحية الأولى. ساعد هذا ، كما ذكرنا ، على الادعاء بأن الجزيء الرئيسي الأولي يمكن أن يكون قد تشكل بالصدفة. اتضح الآن أن النافذة الزمنية التي تشكلت خلالها الحياة على ما يبدو كانت قصيرة جدًا بالنسبة إلى عمر الأرض ، الذي تم إنشاؤه قبل حوالي أربعة مليارات ونصف المليار سنة. خلال النصف الأول من مليار سنة ، تُظهر البيانات ، بسبب درجات الحرارة المرتفعة للغاية والقصف النيزكي الشديد ، أن تكوين الحياة أو البقاء على قيد الحياة لم يؤخذ في الاعتبار (لذلك يجادل البعض بأن الحياة تطورت في قاع المحيطات). ومع ذلك ، وفقًا للأدلة الأحفورية ، فإن الكائنات الحية التي بنيت أجسامها كخلايا كانت موجودة منذ حوالي 3.6 مليار سنة. في العديد من الصخور القديمة ، تم العثور على هياكل طبقية تسمى ستروماتوليت ، على غرار الهياكل التي تنتج اليوم مستعمرات بكتيرية كبيرة. تم العثور على حفريات البكتيريا في الصخور القديمة في أستراليا وجرينلاند. يدعي بعض الباحثين ، استنادًا إلى قياس نسب نظائر الكربون المختلفة ، أن الحياة المثبتة للكربون في عملية التمثيل الضوئي كانت موجودة منذ 3.8 مليار سنة. الاستنتاج هو أن النافذة الزمنية لم تدم أكثر من نصف مليار سنة ، والبعض يقول أقل من ذلك بكثير - "طرفة عين" جيولوجية حقيقية. لذلك من الواضح أننا إذا كنا لا نريد أن نفترض أن أصل الحياة ينطوي على بعض "المعجزة" ، فإن أي سيناريو معقول يجب أن يعتمد على آليات سريعة ذات احتمالية عالية نسبيًا.

عالم الحمض النووي الريبوزي

في محاولة للتعامل مع مسألة الدجاجة والبيضة، توصل عدد من علماء الكيمياء الحيوية في أوائل الستينيات من القرن العشرين إلى فكرة مبنية على المنطق الكيميائي الثقيل، والذي بموجبه يعمل الحمض النووي من نوع الحمض النووي الريبوزي (RNA) في الجسم. العالم القديم على أنه "بيضة" و"دجاجة". وفي هذا السياق، نذكر مساهمة الكيميائي ليزلي أورجيل، ولكن فقط في أوائل الثمانينيات أصبح من الواضح أن هناك حقيقة في هذه الفكرة - وبعد ذلك أصبح من الممكن تحقيق تقدم كبير في البحث. حدد باحثان أمريكيان في بعض الكائنات الحية جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) القادرة على أداء ما كان يعتبر في السابق الوظيفة الحصرية للبروتينات - النشاط الأنزيمي. في البداية، تم اكتشاف نشاط إنزيمي محدود فقط، ولكن تم إجراء اكتشافات جديدة مؤخرًا فيما يتعلق بالقدرة الأنزيمية المتنوعة لجزيئات الحمض النووي الريبي (RNA)، من بين أمور أخرى - وربما أيضًا، في بناء البروتينات. ولاكتشاف الريبوزيمات - هكذا تسمى جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) - حصل ماجليهان وسيك وألتمان على جائزة نوبل عام 1989، ومن ثم تمت صياغة مصطلح "عالم الحمض النووي الريبوزي" أيضًا، والذي أصبح الفرضية الرائدة في البحث عن أصل الحياة

يعتقد العديد من الباحثين اليوم أن أصل الحياة شمل في مرحلة مبكرة ما "عالمًا" خاليًا من البروتينات، وهو ما سبق "العالم" الذي نعرفه، حيث يكون إنشاء البروتينات ممكنًا بناءً على معلومات الشمال في الحمض النووي. ومع ذلك، وعلى عكس الحماس الذي نشأ بعد اكتشاف الريبوزيمات، فقد أصبح من الواضح أن المشكلة لا تزال بعيدة عن الحل. ما زلنا لا نعرف كيف تم إنشاء جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) الأولى نفسها. إن الفرضية القائلة بأن اجتماعًا ناجحًا بالصدفة لوحدات البناء "الصحيحة" أدى إلى ظهور جزيء RNA قادر على العمل هو أمر مرفوض باعتباره غير محتمل. إن الحلول المختلفة المطروحة اليوم، والتي من المرجح أن يتركز البحث حولها في السنوات القادمة، تتضمن اقتراحًا لـ "عوالم" مختلفة سبقت "عالم الحمض النووي الريبوزي"، عوالم تم فيها إنشاء مواد بسيطة نسبيًا مكنت لاحقًا من إنشاء كائن حي. نوع من الأحماض النووية قادر على التكاثر ويعمل أيضًا كأنزيم يساعد في التكاثر (انظر الصورة). يصف عالم الكيمياء الحيوية البلجيكي كريستيان دي دوف الحائز على جائزة نوبل العمليات الكيميائية التي مكنت من تكوين بوليمرات قصيرة من أحماض أمينية مفردة، وهي بوليمرات تعمل كأنزيمات وأدت في النهاية إلى عالم الحمض النووي الريبي (RNA). تحدد العديد من السيناريوهات دورًا مهمًا لمختلف المعادن، والتي يمكن أن تعمل كأنزيمات غير عضوية، وتحفز تكوين البوليمرات.

يجب التمييز بين الريبوزيمات - جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) التي لها قدرة إنزيمية، والريبوسومات - العضيات التي يتم فيها بناء البروتينات في الخلية.

استمرار - في البحث

فكيف نشأت الحياة على الأرض؟ وتبين أن هذا السؤال لا يزال ينتظر الإجابة عليه. ما زلنا لا نعرف كيف يمكن أن تؤدي العمليات المادية إلى إنشاء كل عضوي، تعتمد مكوناته على بعضها البعض في وجودها ونشاطها. فإذا قارنا الخلية الحية، ولو أبسطها، بقوس تدعم حجارته بعضها البعض - وهي مقارنة أجراها كيرنز سميث، يمكننا القول إننا نبحث عن السقالة التي بني عليها القوس. على مر التاريخ، أثارت مسألة تكوين الحياة اهتماما كبيرا، لكنها لم تكن تعتبر لغزا؛ عندما تطورت المعرفة العلمية، خاصة خلال القرن التاسع عشر، كانت مسألة أصل الحياة ترتدي حجابًا من الغموض. فقط في العقود القليلة الماضية أصبح اللغز سؤالا علميا يمكن اختباره تجريبيا، وهو بالفعل قيد الدراسة بقوة.

لقد بدأنا ثورة نظرية التطور لداروين؛ إن مسألة أصل الحياة هي حاليا أحد المحاور المركزية في النضال من أجل تأسيس هذه الثورة. أولئك الذين يسمون أنفسهم "الخلقيين" - أعضاء الديانات المختلفة - يريدون إحياء قصة سفر التكوين من أجل حل مشكلة أصل الحياة على ما يبدو. وفي مواجهة هذه المحاولات يجب أن نتذكر أن الطريقة الوحيدة المفتوحة أمام العلم، على الرغم من كل الصعوبات، هي مواصلة البحث.

لمزيد من القراءة:

جون هورغان، "في البداية"، مجلة ساينتفيك أمريكان، فبراير 1991
. ص. 117-125

ليزلي أورجيل، أصل الحياة على الأرض. العلمية الأمريكية
. أكتوبر 1994، ص. 53-61