حیات روی زمین ممکن است دو بار ظهور کرده باشد

گمان می‌رود حیات روی زمین حدود چهار میلیارد سال پیش از «سوپ نخستین» پدید آمده باشد؛ یعنی محیط شیمیایی زمین اولیه که در آن ترکیبات ساده می‌توانستند با واکنش‌های شیمیایی، به مولکول‌های پیچیده‌تر و در نهایت ساختارهای سازنده حیات تبدیل شوند. اکنون پژوهشی جدید و بحث‌برانگیز استدلال می‌کند که این گذار شگفت‌انگیز از شیمی به زیست‌شناسی نه یک بار، بلکه دو بار رخ داده است.

براساس مطالعه تازه، باکتری‌ها و آرکی‌ها، دو شاخه نخست در درخت حیات، هر یک به‌طور مستقل پدید آمده‌اند. نیای مشترک نهایی آن‌ها که «لوکا»‌ نام دارد (مخفف «نیای مشترک جهانیِ نهایی» برای تمام موجودات زنده)، در واقع کاملاً زنده نبوده است؛ بلکه برای تأمین انرژی مورد نیاز سوخت‌وساز خود به فلزاتی وابسته بوده که در منافذ گرمابی رسوب می‌کردند.

ویلیام مارتین، زیست‌شناس تکاملی در دانشگاه هاینریش هاینه دوسلدورف در آلمان و نویسنده ارشد مطالعه، به ساینتیفیک آمریکن می‌گوید با گذشت زمان و در نتیجه شکل‌گیری بی‌شمار ترکیب شیمیایی، باکتری‌ها و آرکی‌هایی که از لوکا تکامل یافتند، راه‌هایی برای ساخت آنزیم‌های درونی خود پیدا کردند تا واکنش‌های شیمیایی مورد نیاز برای حیات را کاتالیز کنند.

مارتین می‌گوید: «ما داریم به دوره‌ای از تکامل نگاه می‌کنیم که در آن، پیش‌سازهای بسیار ابتدایی حیات، در حال ابداع آنزیم‌هایی بودند که به آن‌ها امکان داد از پوسته زمین جدا و به سلول‌هایی مستقل و آزادزی تبدیل شوند.»

داده‌های ژنتیکی نشان می‌دهند که لوکا حدود ۴٫۲ میلیارد سال پیش، در عصر هادئن وجود داشته است؛ زمانی که سطح زمین هنوز بسیار داغ بود. شواهد زمین‌شناختی مربوط به این دوره بسیار اندک است؛ به‌طوری که تنها یک مجموعه از سنگ‌های کانادایی ممکن است به این دوران از تاریخ زمین بازگردد، اما درباره منشأ و قدمت آن‌ها اختلاف نظر شدیدی وجود دارد. قدیمی‌ترین نمونه‌های بی‌چون‌وچرای فسیل‌های حیات که تاکنون کشف شده‌اند، لایه‌های میکروبی ۳٫۵ میلیارد ساله به نام استروماتولیت هستند که خود باید از اجداد ساده‌تر تکامل یافته باشند.

برخی پژوهشگران استدلال کرده‌اند که لوکا یک سلول پیچیده بوده که سیستم ایمنی ابتدایی برای محافظت در برابر ویروس‌ها داشته است. اما مارتین می‌گوید وقتی بیش از چهار میلیارد سال تکامل را به عقب برمی‌گردانیم، روش‌های ژنتیکی مورد استفاده در آن پژوهش‌ها می‌توانند گمراه‌کننده باشند.

درعوض، مارتین و همکارانش، از یک رویکرد متابولیکی استفاده کردند و تمرکز خود را بر این گذاشتند که برای تبدیل مواد موجود در زمین اولیه، مانند هیدروژن، آمونیاک، دی‌اکسید کربن، آب، سولفید هیدروژن و فسفات به ۲۰ اسید آمینه، پنج باز نوکلئوتیدی طبیعی و ۲۰ کوفاکتور مورد نیاز برای فعالیت سلول‌ها، چه ژن‌هایی لازم بوده است. مارتین می‌گوید: «در مجموع فقط ۴۲۰ واکنش شیمیایی است.»

به بیان دیگر، باکتری‌ها و آرکی‌ها از لوکا جدا نشدند تا هر کدام مسیر تکاملی مستقلی را در پیش بگیرند. در عوض، لوکا احتمالاً توده‌ای از RNA، DNA و آنزیم‌ها بوده که درون سنگ‌های موجود در منافذ گرمابی گرفتار شده بود و برای ساخت اسیدهای آمینه به فلزات موجود در این منافذ وابستگی داشت. ژن‌های متعلق به توده‌های مختلف می‌توانستند در میان سنگ‌ها جابه‌جا شوند و نوعی آزمایش تکاملی را شکل دهند که در نهایت ممکن بود به پیدایش حیات منجر شود؛ بدین ترتیب که این توده‌ها به‌تدریج فرایندهای مبتنی بر کاتالیز فلزی را با فرایندهای آنزیمی خود جایگزین می‌کردند.

آزمایشگاه مارتین پیش‌تر نشان داده بود که فلزات می‌توانند در بسیاری از فرایندهای پایه متابولیکی جایگزین آنزیم‌های زیستی شوند؛ یافته‌ای که از فرضیه مورد بحث پشتیبانی می‌کند. پژوهشگران در مطالعه جدید دریافتند که پالادیم می‌تواند واکنشی حیاتی را که در آن فسفیت (ماده فراوان در منافذ گرمابی) به فسفات تبدیل می‌شود، کاتالیز کند. این واکنش انرژی آزاد می‌کند و می‌توانسته انرژی مورد نیاز لوکا را تأمین کند.

بتول کاچار، مدیر مرکز اخترزیست‌شناسی ناسا و استادیار دانشگاه ویسکانسین-مدیسن که در مطالعه مشارکت نداشته است، می‌گوید: «این ایده که محیط و ژئوشیمی می‌توانند چیزی را فراهم کنند که زیست‌شناسی هنوز آن را ابداع نکرده است، کاملاً منطقی به نظر می‌رسد.»

بااین‌حال، کاچار هشدار می‌دهد که آخرین جد مشترک حیات امروزی با منشأ حیات یکی نیست. اینکه شیمی و زمین‌شناسی چگونه جای خود را به زیست‌شناسی دادند، همچنان ناشناخته است. برای آزمودن ایده‌های مطرح‌شده در مطالعه، به آزمایش‌های بیشتری نیاز خواهد بود. او می‌گوید: «زیست‌شناسان کار دشواری پیش رو دارند. برای درک ماهیت آخرین نیای مشترک و نقش باکتری‌ها و آرکی‌ها، هنوز کارهای زیادی باید انجام دهیم.»

مطالعه در نشریه Science Advances منتشر شده است.