تشير أدلة جديدة إلى أن الحياة على الأرض نشأت في الينابيع البركانية الساخنة، وليس في البحر

أثناء تسلقه ضفة المضيق، يتعثر ديوكيتز فجأة عائداً إلى الأسفل. هل فقدت توازنها؟ لمنعها من السقوط، يمد فان كيرنيندونك يدها ويدفعها للأعلى. رداً على ذلك، تصرخ وتقول شيئاً غير واضح، وأخيراً تتلعثم: "إيه.. كذا... كذا.. بيش!" لم يسقط ديوكيتز على الإطلاق. حاولت على نفسها، بينما كانت تحاول إزالة خيوط العنكبوت السميكة التي كانت تلتف حولها. العناكب لها سمعة سيئة في أستراليا، وهي محقة في ذلك. في الظلام، ليس من الجيد أن تفترض أنك واجهت عن طريق الخطأ عنكبوتًا غير ضار.

السبب الذي جعلنا نتلمس طريقنا عبر نهر بيلبارا ليلاً هو أننا أمضينا اليوم مفتونًا بالاكتشاف الجديد الذي توصل إليه ديوكيتز في صخور رسوبية عمرها 3.48 مليار عام تسمى تكوين تسريحة. وتتكون بعض الحجارة من طبقات برتقالية وبيضاء مجعدة تسمى الجيريريت، وقد تشكلت نتيجة نشاط نبع ماء حار بركاني. احتوت الحجارة على فقاعات تشكلت عندما تم احتجاز الغاز في طبقة لزجة من الطين، ومن المفترض أنه غاز ناتج عن طبقة رقيقة من الكائنات الحية الشبيهة بالبكتيريا. دعمت الحجارة التي تحمل علامات الطبقة البكتيرية فكرة جديدة لحل أحد أقدم الألغاز في عالمنا: كيف وأين بدأت الحياة. وأشارت الأدلة إلى وجود برك وينابيع بركانية ساخنة على الأرض منذ نحو 3.5 مليار سنة.

هذه صورة مختلفة تمامًا لبداية الحياة عن تلك التي رسمها العلماء منذ عام 1977. كان ذلك العام غواصة البحث ألفين واكتشفت الفتحات الحرارية المائية في قاع المحيط الهادئ، والتي تنبعث منها معادن تحتوي على الحديد والكبريت وغازات مثل الميثان وكبريتيد الهيدروجين، وتحيط بها بكتيريا بدائية وديدان كبيرة. لقد كان نظامًا بيئيًا مزدهرًا. وافترض علماء الأحياء أن مثل هذه النتوءات، التي كانت محمية من الكوارث التي دمرت تربة الأرض قبل أربعة مليارات سنة، كان من الممكن أن توفر الطاقة والمواد المغذية والحماية اللازمة لتكوين الحياة. لكن هذا الرأي إشكالي. المشكلة الأكبر هي أن المحيط يحتوي على الكثير من الماء، وقد تتشتت الجزيئات الضرورية بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا تتفاعل وتشكل أغشية الخلايا وعملية التمثيل الغذائي البدائية.

الآن، أعتقد أنا وآخرون أن البرك الأرضية التي تجف وتمتلئ بالمياه بشكل دوري قد تكون أماكن أكثر نجاحًا لتكوين الحياة. توجد في حمامات السباحة حرارة تحفز التفاعلات الكيميائية، وفترات من الجفاف يمكن أن تتشكل فيها جزيئات معقدة، تسمى البوليمرات، من وحدات أبسط، وفترات من المياه الوفيرة التي تغمر هذه البوليمرات، ومرة ​​أخرى فترات من الجفاف التي ترسبها في مساحات صغيرة حيث يمكن أن تتفاعل مع بعضها البعض وحتى تركز في أجزاء من الأحماض الدهنية - النماذج الأولية لأغشية الخلايا. اكتشف ديوكيتز دليلاً جيولوجيًا قويًا على أن دريسر، التي أصبحت الآن أرضًا قاحلة، كانت تشبه ذات يوم برك البخار وينابيع المياه الحارة المتفجرة في حديقة يلوستون في الولايات المتحدة الأمريكية، مجال الطاقة الحرارية الأرضية النشط. وفي كل مكان في تكوين دريسر توجد علامات أحفورية للحياة ترتبط ارتباطًا وثيقًا بنظام قديم من الينابيع الساخنة. على الرغم من أن تكوين دريسر ليس الموقع الذي بدأت فيه معظم الحياة البدائية قبل نصف مليار سنة، إلا أنه أظهر لنا أن الفتحات الحرارية المائية القارية كانت موجودة في وقت مبكر جدًا من تاريخ الأرض. افترض تشارلز داروين، في عام 1871، أن الحياة البكتيرية قد نشأت "في بعض القصب الدافئ". يعتقد الآن العديد من العلماء من مختلف المجالات أن مؤلف كتاب "أصل الأنواع" قد توصل إلى اكتشاف مهم بشكل حدسي. وتمتد مضامين هذه الأفكار إلى ما هو أبعد من كوكبنا: ففي البحث عن المزيد من الحياة في النظام الشمسي، يمكن للنظرية التي تدعو إلى تطور الحياة على الأرض أن توجهنا إلى أماكن وكواكب مختلفة عن تلك التي كنا نبحث عنها بناءً على نظرية تطور الحياة في المحيطات.

من روسيا مع الحب

قبل عشر سنوات من مواجهة ديوكيتز لشبكة العنكبوت، أظهر أحدنا (ديمر) أن الينابيع البركانية يمكن أن تشجع على تكوين حجيرات مصنوعة من الأغشية، والتي تعتبر ضرورية لترسيم حدود الخلايا الحية من أي نوع. قاد ديمر مجموعة من العلماء إلى البركانموتنوفسكيوهو بركان نشط في شبه الجزيرة كامتشاتكا في الشرق الأقصى الروسي. واستكشف الفريق موقعًا يحاكي الظروف التي كانت على الأرض قبل أربعة مليارات سنة، قبل تشكل الحياة. كانت فرضية ديمر هي أنه عندما تتعرض وحدات البناء الجزيئية البسيطة للدورات الجافة والرطبة التي تميز الينابيع الساخنة الأرضية، فإنها قد تندمج في بوليمرات أطول تحمل معلومات، مثل الأحماض النووية، الضرورية لنمو وتكاثر الحياة البدائية. الببتيداتيمكن تكوين بوليمرات أساسية أخرى من الأحماض الأمينية تحت نفس الظروف. وهناك خطوة أساسية أخرى، تسمى لبنات البناء الأخرى الدهون، قد تتصل بحجرات مجهرية يمكنها إيواء البوليمرات الحاملة للمعلومات وحمايتها. تحتاج الحياة إلى كل هذه المركبات لتبدأ، ولدى موتنوفسكي الكثير من الينابيع الساخنة وينابيع المياه الساخنة لاختبار هذه الفرضية.

1.

2.  

3.

أحضر ديمر معه زجاجة من المسحوق الأبيض تحتوي على مواد خام كانت على ما يبدو متوفرة على الأرض قبل تكوين الحياة، بما في ذلك أربعة أحماض أمينية والقواعد الكيميائية الأربعة التي تشكل الأحماض النووية الموجودة في الطبيعة، بالإضافة إلى الفوسفات والجلسرين. والدهون. ثم سكب الخليط في وسط نبع صغير يغلي. وفي غضون دقائق، ظهرت رغوة بيضاء حول حافة الزنبرك. تتكون الرغوة من عدد لا يحصى من الحويصلات الصغيرة، تحتوي كل منها على مركبات كانت موجودة في المرق الأصلي. إذا جفت المقاطع حول حواف البركة، فهل ستتحد محتوياتها، التي كانت كثيفة بالفعل، لتشكل البوليمرات؟ هل يمكن أن تكون هذه نقطة انطلاق إلى الحياة الأولى؟ بالعودة إلى المختبر، اختبر ديمر وزملاؤه الفكرة عن طريق خلط أحماض نووية بسيطة تسمى النيوكليوتيدات مع الدهون. خضع الخليط لدورات ترطيب وتجفيف تحت ظروف حمضية ودرجات حرارة عالية مثل تلك السائدة في حوض كامتشاتكا. النتيجة: بوليمرات يتراوح طولها من 10 إلى أكثر من 100 نيوكليوتيدات. وأظهرت دراسات المتابعة باستخدام حيود الأشعة السينية أن البوليمرات تشبه حمض الريبونوكلييك، أي الحمض النووي الريبي (RNA). علاوة على ذلك، تم تغليف هذه البوليمرات بالدهون بحيث تم تشكيل عدد لا يحصى من الأجزاء المجهرية تسمى الخلايا السليفة (الخلايا الأولية). وعلى الرغم من أنها ليست حياة، فمن الواضح أنها خطوة مهمة نحو تكوين الحياة.

أجرى ديمر عددًا قليلًا من الدورات الرطبة والجافة فقط، وفي تجاربه تم الحصول على جزيئات بسيطة نسبيًا. ويعتقد زميله في علوم الكمبيوتر في جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز، بروس ديمر، أن المزيد من الدورات ستضيف ميزة أخرى مهمة: البقاء للأصلح. يعتقد ديمر أن كل دورة تجفيف ستؤدي إلى فتح الأغشية الدهنية للحويصلات الصغيرة، مما يسمح للبوليمرات وغيرها من وحدات البناء بالاختلاط. خلال دورة الترطيب التالية، سيتم إعادة طلاء الأغشية الدهنية بمزيج بوليمر مختلف، يمثل كل منها نوعًا تجريبيًا طبيعيًا. تكون فرصة بقاء الخلايا السلفية الأكثر تعقيدًا على قيد الحياة أعلى بسبب المزيج الجزيئي الأكثر تنوعًا الذي يعمل على استقرار الخلايا السلفية في ظروف بيئية مختلفة. وبالتالي، فإن مجموعة واحدة من الجزيئات سوف تساعد في ظل ظروف بيئية معينة، في حين أن المجموعة الثانية في ظل ظروف أخرى. وبالتالي فإن هذه الخلايا السلفية سوف تبقى على قيد الحياة وتنقل سلسلة البوليمرات هذه إلى الجيل التالي، وبالتالي تتحرك إلى أعلى السلم التطوري. أدرك ديمر أن هذا النموذج يشبه نوعًا من الكمبيوتر الكيميائي الذي "يبدأ" وظائف الحياة، بدءًا من "برامج" عشوائية مكتوبة على شكل بوليمرات.

في عام 2015، أضاف ديمر مرحلة ثالثة إلى الدورة المكونة من جزأين: مرحلة وسيطة بين الرطب والجاف. جاءت الفكرة خلال رحلة ميدانية مع مؤلفي تكوين دريسر بحثًا عن تكوين آخر ستروماتوليتوهي عبارة عن طبقات متحجرة من الأسطح البكتيرية وبعض من أقدم الأدلة على الحياة على الأرض. سار ديمر في الصحراء بجوار صخور الجرانيت المعروفة باسم جاليري هيل، وهي مغطاة بنقوش صخرية من قبل السكان الأصليين تسمى النقوش الصخرية. وعلى طول الطريق، لاحظ وجود أسطح ميكروبية بنية وجافة في المنخفضات الصغيرة في الصخور. ومن باب الفضول، قام ديمر بسكب الماء على الأسطح، فعادت على الفور إلى الحياة، وتحولت إلى اللون الأخضر وتشبه الهلام. لقد أدرك أنه إذا كانت الدورات الجافة والرطبة في الينابيع الأصلية قد تضمنت أيضًا مرحلة رطبة، حيث كانت الأسلاف الباقية على قيد الحياة تتجمع معًا في هلام مماثل، فمن الممكن أن تختلط البوليمرات وكتل البناء وتتبادل مع بعضها البعض من خلال حواجز الجسم. الأغشية الدهنية. كان من الممكن أن يوفر هذا المجتمع من الخلايا السلفية المتعاونة المزيد من الفرص لتحديد الجزيئات الأكثر نجاحًا في البقاء. بل في الحقيقة قبل العلماء بأربعين سنة جورج فوكس וكارل فوساقترح الراحل مصطلح "Prognot" لمثل هذه المرحلة التعاونية المبكرة. أخبر فوكس ديمر أن هذا المصطلح يطابق هلام ما قبل الخلوي.

ينابيع الابتكار

تشير الفقاعات والتركيبة المعدنية التي وجدها ديوكيتز في تكوين دريسر إلى احتمال كبير لحدوث دورة ثلاثية الأطوار، وقد نشرنا الأدلة في مايو 2016 في مجلة Nature Communications. بمجرد أن أدركنا أن تكوين دريسر كان مليئًا بالينابيع الساخنة في نظام الطاقة الحرارية الأرضية، أصبح واضحًا لنا أنه يحتوي أيضًا على العديد من العناصر الأساسية والهياكل التنظيمية اللازمة لتكوين الحياة. كان هناك مصدر للطاقة على شكل تيار من السوائل الحرارية المائية، الغنية بالهيدروجين، والتي يتم تسخينها بواسطة الصهارة الموجودة بالأسفل. تحتوي الحجارة على وفرة من عنصر البورون (B)، الضروري في تركيب الريبوز، وهو السكر الذي يشكل الأحماض النووية مثل الحمض النووي الريبي (RNA). يحتوي The Dresser أيضًا على الفوسفات الذي يذوب من الصخور ويذوب في مجرى السوائل الحرارية الأرضية الحمضية. فوسفات وهو مكون مهم للأحماض النووية، ولكنه يستخدم أيضًا من قبل جميع أشكال الحياة أينما كانتالأدينوسين ثلاثيُّ الفوسفات (ATP)  (الأدينوسين ثلاثي الفوسفات، الجزيء الذي يوفر الطاقة داخل الخلايا). بالإضافة إلى ذلك، يمكن العثور في الفتحات الحرارية المائية ورواسب البحيرات البركانية التي تبخرت، على تركيزات عالية من الزنك والمنغنيز، وهي عناصر موجودة في العديد من الإنزيمات في سيتوبلازم الخلايا من جميع فروع شجرة الحياة. وأخيرًا، يحتوي تكوين دريسر أيضًا على الطين، والذي يمكن أن يحفز تكوين الجزيئات العضوية المعقدة لأنه يحتوي على طبقات معدنية مشحونة كهربائيًا.

ولعل أكثر ما يثير الاهتمام في موقع دريسر كموقع يحاكي تكوين الحياة هو تنوعه المذهل، ففي هذا المجال من العلوم يعد التنوع بالتأكيد نكهة الحياة. يعتبر تكوين دريسر جافًا وصخريًا اليوم، ولكن في العصور القديمة، كانت حقول الينابيع الحرارية الأرضية الساخنة مثل هذه المنطقة تحتوي على عدة مئات من البرك، ولكل منها مستويات مختلفة قليلاً من الحموضة ودرجة الحرارة والأيونات الذائبة ومتغيرات كيميائية أخرى. ويكون التعقيد الكيميائي مرتفعًا في مثل هذه المجالات لأنها تحتوي على ثلاث واجهات نشطة للغاية - بين الماء والصخور، والماء والهواء، والصخر والهواء. الحقول أيضًا لها درجات حرارة مختلفة في نقاط مختلفة. اضرب كل هذه العناصر معًا: الدورات الرطبة والجافة التي تحدث عدة مرات في اليوم (كما هو الحال في الينابيع الساخنة في يلوستون)، والكيمياء المتنوعة للبرك، وخاصة الواجهات النشطة كيميائيًا، وقدرة البرك على نقل المركبات فيما بينها بينما تنفث السخانات محتوياتها ذهاباً وإياباً، وشبكة من القنوات تحت الأرض نتيجة الشقوق، مملوءة بالسوائل التي تربط المسابح ببعضها البعض. عندما تأخذ كل هذه الأمور في الاعتبار، يبدو أن حقل الطاقة الحرارية الأرضية المكون من 100 ينبوع يمكن أن ينتج مليون مجموعة من الظروف أو حتى أكثر كل عام!

تصبح كل بحيرة دافئة "مجمعًا للابتكار"، وهو نوع من السرير التجريبي حيث تظهر مجموعات أكثر تكيفًا من الجزيئات بسرعة وتجد طرقًا للنمو والتكاثر أو بدلاً من ذلك يتم التخلي عن مجموعات غير ناجحة وغير قادرة على تلبية المتطلبات. ومن المحتمل أنه كان مطلوبًا معدل هائل من إعادة التركيب لإنتاج النسخة البدائية الأولية للحياة، وأن العملية استغرقت مئات الملايين من السنين. لكن عدد التوليفات في حقول الطاقة الحرارية الأرضية القارية يشير إلى أن الحياة كان من الممكن أن تكون قد تشكلت وبدأت في التطور حتى في غضون 10 ملايين سنة، وأن المراحل الأولى كان من الممكن أن تبدأ بمجرد ظهور قشرة قارية مستقرة تتخللها أراضٍ بركانية تشكلت بين المحيطات، فقط منذ أكثر من أربعة مليارات سنة.

بحر من الخلافات

لا يتفق الجميع على أن الينابيع الساخنة الأرضية هي الموقع الأكثر احتمالا لتكوين الحياة. لا تزال فرضية مدخنة أعماق البحار حية ومفعمة بالحيوية. في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا، قام عالم الكيمياء الحيوية مايك راسل بتطوير اكتشاف الفين الحراري المائي الأصلي إلى نموذج بديل أنيق، وإن لم يكن مثبتًا بعد. ووفقاً لهذه الفكرة، فإن الأغشية المعدنية التي تشكل ثقوباً صغيرة في صخور المدخنة تفصل أولاً المياه القلوية للمداخن عن مياه المحيط الأكثر حمضية. وينتج عن ذلك اختلاف في الحموضة بعدة وحدات من الأس الهيدروجيني، مشابه للفرق بين محلول الأمونيا المنزلي وكوب من عصير البرتقال. الفرق في الحموضة هو شكل من أشكال الطاقة التي يمكن استخدامها: الخلايا البكتيرية الحديثة تفعل ذلك بالضبط لإنتاج الـ ATP الذي تحتاجه. ويوجد مصدر آخر للطاقة في المداخن، في خليط من الغازات الذائبة مثل الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون. اقترح راسل وزملاؤه أنه عندما يمتزج ثاني أكسيد الكربون الموجود في مياه المحيطات القديمة مع الهيدروجين من المداخن، فإن نقل الإلكترونات من الهيدروجين إلى ثاني أكسيد الكربون يمكن أن يؤدي إلى تصنيع جزيئات عضوية أكثر تعقيدًا. ومن وجهة نظرهم، فإن الأجزاء المعدنية تشبه الخلايا، ويمكن أن تكون طاقة اختلافات الأس الهيدروجيني والهيدروجين قد تطورت في النهاية إلى عملية استقلاب بدائية استخدمتها أشكال الحياة المبكرة. إن الفرضيتين، فرضية الينابيع الساخنة وفرضية المداخن في أعماق المحيط، لهما آثار بعيدة المدى. وبعيدًا عن تحديد اتجاه الأبحاث المستقبلية حول كيفية بدء الحياة على الأرض، فإنهم يهدفون إلى اتباع طرق مختلفة للبحث عن الحياة في النجوم والأقمار الأخرى. إذا كانت فرضية المدخنة صحيحة، فمن المفيد البحث عن الحياة في المحيطات المتجمدة إنسيلادوس ואירופה. ومن ناحية أخرى، إذا كان نموذجنا للينابيع الساخنة صحيحًا، فمن غير المرجح أن تدعم هذه العوالم تكوين الحياة.

ماذا عن المريخ؟ على الرغم من وجود أدلة جيدة على وجود البحار الضحلة في الماضي البعيد للمريخ، إلا أنه لا توجد دلائل تذكر على وجود محيط عالمي أو مناطق حركة تكتونية مثل تلك التي خلقت فتحات حرارية مائية على الأرض. وإذا كان تكوين الحياة يعتمد على المداخن، فمن غير المرجح أن تكون هناك حياة على الكوكب الأحمر. لكن إذا كانت الحياة على الأرض قد نشأت في ينابيع حارة أرضية، فمن الممكن أن تكون الحياة قد نشأت على المريخ أيضًا، إذ كان يحتوي على عناصر الينابيع الساخنة، أي نشاط بركاني واسع النطاق وماء. في الواقع، في عام 2008، إيتار روح سيارات الدفع الرباعي رواسب الينابيع الساخنة عمرها 3.65 مليار سنة في تلال كولومبيا على المريخ، وهو نفس عمر ينابيع دريسر الساخنة، والتي حافظت بشكل رائع على الأدلة المبكرة للحياة على الأرض.

لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه قبل أن يكون من الممكن إثبات أي من النموذجين، نموذج مداخن المحيط أو نموذج الينابيع الساخنة الأرضية. أصول الحياة مثل مجموعة متعددة الأجزاء، وليس لدينا المعرفة الكافية لوضع كل قطعة في مكانها الصحيح. في تكوين دريسر، على سبيل المثال، نحن لا نفهم ما الذي يجعل بعض العناصر تتركز في برك مختلفة، أو كيف تتطور حقول الطاقة الحرارية الأرضية مع مرور الوقت، أو كيف تتفاعل بيئاتها الكيميائية المختلفة لبناء أو تحطيم الجزيئات العضوية. نحتاج إلى تصميم تجارب أكثر تعقيدًا لدراسة كيمياء ما قبل الحياة في سلسلة من برك صغيرة ساخنة، لاختبار كيفية تشكل الجزيئات العضوية المعقدة وكيفية تفاعلها وتجمعها عندما تكون مغلفة بالأغشية الدهنية.

سواء على الأرض أو في البحر، قدمت القوانين الكيميائية والفيزيائية إطارًا مفيدًا لدراسة هذه الأسئلة المحددة، والاكتشافات الجيولوجية والكيميائية الموصوفة هنا تملأ أجزاء من المجموع. الأمر المثير هو أنه يمكنك الآن رؤية الطريق نحو الحل.