چگونه کشف دو منشأ مستقل حیات، قوانین زیست‌شناسی و اخترزیست‌شناسی را بازنویسی می‌کند

برای بیش از یک قرن، زیست‌شناسی بر یک فرض واحد و بنیادی استوار بوده است: هر موجود زنده‌ای روی زمین از یک سلول اولیه واحد نشأت گرفته است. ما همیشه نیاکان مشترک جهانی نهایی، یا LUCA، را به عنوان یک موجود میکروسکوپی کاملاً شکل‌گرفته و آزادزی تصور می‌کردیم که در نهایت به تنوع گسترده‌ای از حیات که امروز می‌بینیم، منشعب شد. اما یک مطالعه جدید که در مجله «ساینس ادونسز» منتشر شده، این روایت را به چالش می‌کشد و پیشنهاد می‌کند که سخت‌ترین بخش زنده شدن در واقع دو بار اتفاق افتاده است.[1][2]

تیترها ادعا می‌کنند که حیات دو بار آغاز شده است، که به نظر می‌رسد بازنویسی کاملی از تاریخ تکامل باشد. واقعیت ظریف‌تر، اما مسلماً عمیق‌تر است. یک تیم بین‌المللی به رهبری محققانی از دانشگاه هاینریش هاینه دوسلدورف دریافتند که در حالی که کد ژنتیکی و شیمی متابولیک اولیه دارای یک منشأ واحد هستند، جهش واقعی به سمت سلول‌های خودمختار و آزادزی به طور مستقل در دو قلمرو باستانی حیات: باکتری‌ها و آرکی‌ها رخ داده است.[1][3][6]

برای درک چگونگی این امر، باید به این بپردازیم که LUCA واقعاً چه بوده است. محققان به جای یک سلول آزاد که دارای غشای خاص خود و نیروگاه داخلی باشد، پیشنهاد می‌کنند که LUCA یک شبکه واکنش‌های شیمیایی بسیار پیچیده اما وابسته بوده است. این شبکه به طور فیزیکی به دودکش‌های غنی از مواد معدنی منافذ گرمابی اعماق دریا متصل بود و برای پیشبرد متابولیسم خود به گرادیان‌های طبیعی پوسته زمین وابسته بود.[1][2]

تیم دوسلدورف ۴۲۰ واکنش شیمیایی را که هسته متابولیسم اولیه را تشکیل می‌دهند—فرآیندهایی که اسیدهای آمینه، بازهای RNA و ویتامین‌ها را از هیدروژن، آمونیاک و دی‌اکسید کربن می‌سازند—نقشه‌برداری کردند. آنها کشف کردند که در حالی که خود واکنش‌ها جهانی هستند، آنزیم‌هایی که آنها را کاتالیز می‌کنند در شکاف تکاملی بین باکتری‌ها و آرکی‌ها حفظ نشده‌اند.[1][3]

این ناهماهنگی، مدرک اصلی است. این نشان می‌دهد که LUCA تنها برای حدود نیمی از واکنش‌های متابولیک خود، آنزیم‌هایی در اختیار داشته است. نیمه دیگر مستقیماً توسط فلزات غیرآلی موجود در محیط منفذ گرمابی، مانند پالادیوم و سولفیدهای آهن-نیکل، کاتالیز می‌شدند. LUCA نیمه زیست‌شناسی و نیمه زمین‌شناسی بود.[1][3]

با تکامل نیاکان باکتری‌ها و آرکی‌ها، آنها با یک چالش وجودی مشابه روبرو شدند: چگونه منفذ گرمابی را ترک کنند و در اقیانوس آزاد زنده بمانند. برای انجام این کار، آنها نیاز داشتند کاتالیزورهای فلزی غیرآلی منفذ را با آنزیم‌های پروتئینی کدگذاری شده داخلی خود جایگزین کنند و همچنین نیاز داشتند یک غشای لیپیدی برای محصور کردن خود بسازند.[1][2]

از آنجایی که آنها این مشکل را پس از شروع واگرایی دودمان‌هایشان حل کردند، به راه‌حل‌های بیوشیمیایی کاملاً متفاوتی رسیدند. باکتری‌ها غشاهای خود را با استفاده از اسیدهای چرب بدون شاخه که توسط پیوندهای استری به هم متصل شده‌اند، ساختند، در حالی که آرکی‌ها غشاهای خود را با استفاده از زنجیره‌های ایزوپرنوئیدی شاخه‌دار که توسط پیوندهای اتری قوی‌تر به هم متصل شده‌اند، ساختند. آنها به طور مستقل ماشین‌آلات سلولی مورد نیاز برای خودمختاری را اختراع کردند.[3][6]

این مدل سلول‌سازی دوگانه پیامدهای عظیمی برای اخترزیست‌شناسی و جستجوی حیات فرازمینی دارد. برای دهه‌ها، اخترزیست‌شناسان در مورد اینکه آیا ظهور یک سلول کاملاً شکل‌گرفته یک تصادف آماری عجیب بوده است—یک «معجزه یک‌باره» که ممکن است زمین را در کیهان منحصر به فرد سازد—بحث کرده‌اند.[4][6]

اگر گذار از یک شبکه شیمیایی وابسته به زمین‌شیمی به یک سلول آزادزی دو بار در یک سیاره رخ داده باشد، این نشان می‌دهد که سلول‌سازی اصلاً یک معجزه نیست. در عوض، این یک فرآیند ترمودینامیکی الگوریتمی و قابل تکرار است. هنگامی که گرادیان‌های شیمیایی مناسب وجود داشته باشند، حیات راهی برای بسته‌بندی خود پیدا می‌کند.[4][6]

این امر، قمرهای یخی منظومه شمسی بیرونی، مانند اروپا (قمر مشتری) و انسلادوس (قمر زحل)، را به اهداف بسیار جذاب‌تری تبدیل می‌کند. تصور می‌شود که هر دو قمر دارای اقیانوس‌های زیرسطحی با منافذ گرمابی فعال در بستر خود هستند. اگر جهش به خودمختاری سلولی یک پیامد طبیعی شیمی منافذ باشد، احتمال اینکه این اقیانوس‌های بیگانه میزبان حیات سلولی مستقل خود باشند، به شدت افزایش می‌یابد.[4][6]

البته، این مدل بدون شک و تردید نیست. برخی از زیست‌شناسان تکاملی معتقدند که LUCA در واقع یک سلول کاملاً شکل‌گرفته بوده است و استدلال می‌کنند که تفاوت‌های فاحش بین غشاهای باکتریایی و آرکیایی نتیجه واگرایی تکاملی بعدی است که توسط فشارهای محیطی شدید هدایت شده، نه رویدادهای سلول‌سازی مستقل.[6]

علاوه بر این، این کشف نباید با مفهوم «زیست‌کره سایه» اشتباه گرفته شود—یک درخت حیات فرضی و کاملاً جداگانه که از مواد ژنتیکی متفاوت یا کایرالیته مولکولی مخالف استفاده می‌کند. باکتری‌ها و آرکی‌ها همچنان از چارچوب DNA و RNA یکسانی استفاده می‌کنند، که ثابت می‌کند آنها در آن نیاکان واحد پیشاسلولی مشترک هستند.[5][6]

در نهایت، مطالعه دوسلدورف یک راز به ظاهر غیرقابل نفوذ را با یک مدل علمی قابل آزمایش جایگزین می‌کند. این مطالعه تکامل اولیه را به عنوان یک انتقال تدریجی بین زمین‌شناسی و زیست‌شناسی ترسیم می‌کند. ما دیگر به جهانی نگاه نمی‌کنیم که در آن حیات نیازمند یک جرقه واحد و غیرممکن است، بلکه به جهانی می‌نگریم که در آن شیمی سیارات به طور طبیعی منجر به معماری سلول‌ها می‌شود.[1][2][6]