تقریبا ۴.۶ میلیارد سال پیش، منظومه‌ی شمسی ما به شکل یک ابر متشکل از گاز و غبار، به‌نام سحابی خورشیدیبود. با چرخش این سحابی و ریزش گرانشی مواد داخل آن، خورشید در مرکز ابر گازی شکل گرفت. با تشکیل خورشید، مواد باقی‌مانده در سحابی، رفته رفته روی هم انباشته شدند. ذرات کوچک تحت تاثیر نیروی گرانشی خورشید به یکدیگر چسبیدند و ذرات بزرگتری را ایجاد کردند. بادهای خورشیدی ذرات سبک‌تر را، مانند هیدروژن و هلیوم از مرکز سحابی دور کرد و ذرات سنگین و سنگی در نزدیک خورشید باقی مانند که بعدا سیارات سنگی و خاکی از آن‌ها تشکیل شد.

اما از آنجایی که قدرت بادهای خورشیدی در فواصل دور کمتر می‌شود، ذرات فرصت این را پیدا کردند که با درآمیختن با یکدیگر غول‌های گازی را به وجود آورند. درنتیجه، سیارک‌ها، ستاره‌های دنباله‌دار، سیارات و قمر‌های آن‌ها تشکیل شد. در ابتدا، هسته‌ی سنگی زمین در اثر برخورد و در‌هم‌آمیختگی عناصر سنگین تشکیل شد. مواد چگال‌تر به سمت مرکز زمین فرو رفتند و مواد سبک‌تر پوسته‌ی زمین را تشکیل دادند. احتمالا در همین دوره‌ی زمانی، میدان مغناطیسی زمین شکل گرفته است. بر اثر گرانش، مولکول‌های گازی در اطراف زمین به دام افتادند و اتمسفر زمین را به وجود آوردند. در اوایل دوره‌ی تکامل زمین، یک جرم آسمانی بزرگ با آن برخورد کرد که باعث شد تکه‌های بزرگی از زمین کنده و وارد فضای اطراف شوند.

بر اثر گرانش زمین، قسمت اعظمی از این مواد به یکدیگر جوش خوردند و قمری را تشکیل دادند که به دور زمین در مدار خود شروع به گردش کرد. وقتی خرده‌‌سیاره‌ها و ستاره‌های دنباله‌دار به زمین داغ برخورد ‌‌می‌‌کردند، آب و هیدروژن موجود در آن‌‌ها به‌‌سرعت بخار می‌‌شد. هنگامی که زمین به‌مرور زمان سرد شد، بخار آب ناشی از برخورد دنباله‌دارها و سیارک‌ها متراکم شد و در فضای اتمسفر زمین باقی ماند. شواهد مربوط‌به این موضوع در نسبت‌های ایزوتوپی نهفته است. نسبت ایزوتوپ هیدروژن سنگین به هیدروژن معمولی یک امضای شیمیایی اختصاصی است. با در اختیار داشتن دو مقدار آب با نسبت ایزوتوپی یکسان، به این نتیجه می‌رسیم که این آب‌ها باید از یک منشأ باشند.

آب‌‌ اقیانوس‌‌های زمین نیز نسبت ایزوتوپی یکسانی با آب موجود روی خرده‌‌سیاره‌ها دارند. ممکن است اقیانوس‌ها بین سطح زمین و ذخایر عمیق‌‌‌تری از آب در اعماق زمین در چرخه باشند. این قضیه می‌تواند منجر به تغییر نسبت ایزوتوپی آب به‌مرور زمان شده باشد. چنین فرضی این ایده را تقویت می‌کند که ممکن است آب‌‌های عمیق‌تر، دست‌کم منشا بخشی از نخستین آب‌‌های موجود در زمین باشند. احتمال دارد که این آب مستقیما از سحابی خورشید نشأت گرفته باشد و نه دنباله‌دارها و خرده‌‌سیاره‌‌ها.

قبلاً ما تصور می‌کردیم که حیات تنها می‌‌تواند در سیاره‌ای شکل گیرد که در یک منظومه‌‌ی شمسی با تعداد کافی ازخرده‌‌سیاره‌ها و ستاره‌های دنباله‌دار قرار گرفته باشد اما ممکن است این‌‌طور نباشد. در منظومه‌‌های خورشیدی دیگر، سیارات مشابه با زمین، به سیارک‌‌هایی با ذخایر آبی فراوان دسترسی ندارند. یک سیاره‌‌ی قابل سکونت ممکن است آب را از سحابی خورشیدی منظومه‌‌ی خودش گرفته باشد همان‌طور که زمین نیز بیشتر حجم آب را در داخل خود پنهان کرده است. زمین تقریباً دو اقیانوس در گوشته‌ و احتمالاً ۴ یا ۵ اقیانوس در هسته‌‌ی خود دارد. دیگر سیارات فراخورشیدی نیز ممکن است چنین شرایطی داشته باشند.

از زمان یونان باستان تا قرن نوزدهم این ایده وجود داشت که حیات همیشه از ماده‌ی غیرزنده منشا می‌گیرد و خیلی از مردم بر این باور بودند که مثلا مگس از گوشت فاسد، ماهی‌ها از گل و لای اقیانوس، و جانداران میکروسکوپی از آبگوشت به وجود آمدند؛ اما همچنان بحث درباره‌ی اینکه موجودات میکروسکوپی چگونه به وجود می‌آیند تا دهه‌ی ۱۸۶۰ ادامه داشت. در سال ۱۸۶۲ پژوهشگر بزرگ فرانسوی لویی پاستور، آن چیزی را که خیلی از افراد به آن شک داشتند، تأیید کرد. پاستور به بحث و گفت‌وگو درباره‌ی تولید خودبه‌خودی جانداران خاتمه داد اما پاسخی برای این پرسش که چگونه حیات در مکان اولیه شکل گرفت، ارائه نداد.

مولکول‌های آلی کوچک (مونومرها)

بیشتر زیست‌شناسان با این فرضیه موافقند که ابتدای شکل حیات بسیار ساده‌تر از موارد زنده‌ی امروزی است و پیدایش این نوع حیات ساده برای نخستین بار از مواد غیرزنده صورت گرفته است. چون موجودات زنده شاملپلیمرهایی هستند که از مولکول‌های آلی کوچک تشکیل شده‌اند. پس پیدایش و جمع شدن مولکول‌های آلی کوچک باید از ابتدایی‌ترین مراحل شیمیایی و مقدم بر پیدایش حیات باشد. بعضی از پژوهشگران گفته‌اند که شهاب‌سنگ‌ها و ستاره‌های دنباله‌دار منشا این مولکول‌های آلی کوچک در کره‌ی زمین بوده‌اند اما نظر اصلی آن است که بیشتر مولکول‌های آلی اولیه، از مواد غیرآلی در زمین اولیه منشا گرفته است. دومین مرحله‌ی مقدم بر پیدایش حیات را تشکیل پلیمرهایی مانند پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک از مونومرهای آلی می‌دانند.

این موضوع این امکان را به‌ وجود می‌آورد که پلیمرها و مونومرها، مجموعه‌هایی را تشکیل داده‌اند که در مقایسه با اطراف، خصوصیات شیمیایی متفاوتی داشته باشند؛ وراثت نیز ممکن است طی این مرحله شکل بگیرد. دانشمندان از آزمایش‌های یک دانشمند به نام استنلی میلر متوجه شدند که پیدایش مولکول‌های آلی می‌توانست روی یک زمین فاقد حیات صورت بگیرد. اما فرآیندی که به‌وسیله‌ی آن پیدایش مولکول‌های حیاتی در زمین ابتدایی انجام شده است دقیقا چیست؟ زندگی روی زمین براساس مدلی که امروزه می‌شناسیم، بدون افزوده‌شدن شکر از فضا نمی‌توانست تشکیل شود. مطالعه‌های جدید گروهی از دانشمندان فرانسوی نشان می‌دهد که امکان ایجاد حیات اولیه توسط مولکول ساده‌ی ریبوز که از برخورد دنباله‌داری به زمین منتقل شده باشد، امکان‌پذیر است.

همان‌طور که می‌دانید قند ریبوز یک عنصر بسیار مهم در مولکول RNA است و خود RNA یکی از ۳ مولکول بزرگ حیاتی است. دانشمندان برای کسب اطمینان از این نظریه به سراغ ایجاد محیط آزمایشگاهی برای شبیه‌سازی آن رفتند. برای این کار از یخ‌هایی استفاده شد که به‌واسطه‌ی ترکیب متانول، آب و آمونیاک به دست آمده از شهاب سنگ ۶۷P ایجاد شده بود. پس از قرار دادن این یخ دربرابر تششعاتی مشابه با دوران یادشده در زمین، دانشمندان شاهد این بودند که فرایند تبخیر در دمای عادی اتاق موجب ایجاد ریبوز و سایر انواع مولکول‌های شکر می‌شود و علاوه‌بر آن نیز اسیدآمینه، الکل و سایر مولکول‌های ارگانیک را از خود به‌جای گذاشت. درنهایت می‌توان گفت که حیات از نقطه‌ای دیگر در کهکشان‌های جهان به زمین راه یافته است و همین امر نیز می‌تواند منجر به امید بیشتر به یافتن محیط‌هایی مشابه برای زندگی انسان‌ها در خارج از کره‌ی زمین شود.

برای رسیدن به سپیده‌دم حیات باید تقریبا ۴ میلیارد سال عقب برویم. دورانی که اتمسفر زمین غلیظ و پر از کربن‌دی‌اکسید بود و خورشید هم درخشندگی کنونی‌اش را نداشت. منظومه‌ی شمسی تازه در حال شکل‌گیری بود و هنوز سنگ‌های آسمانی سرگردان زیادی در آن وجود داشت. این سنگ‌های سرگردان، مرتب سطح زمین را بمباران می‌کردند. دانشمندان از این دوران با نام دوره‌ی بمباران سنگین یاد می‌کنند. برخورد سنگ‌های بزرگ و کوچکی که قطر بعضی از آن‌ها حتی تا ۴۵۰ کیلومتر هم می‌رسید، پوسته‌ی زمین را به‌طور کامل مذاب کرده بود. به نظر می‌رسد که در این دمای فوق‌العاده زیاد و محیط سمی، هیچ موجود زنده‌ای نمی‌توانست دوام بیاورد.

اکنون دانشمندان فکر می‌کنند که عناصر اولیه‌ی سازنده‌ی حیات در همین محیط‌ جهنمی به‌وجود آمد. امروزه هم می‌توان در بعضی از نقاط زمین، مکان‌هایی پیدا کرد که شبیه به زمین اولیه هستند. در جنوب مکزیک و در دل جنگل‌های استوایی، غاری به نام کوئوا دو ویلا لوز (Cueva de Vilaa Luz) وجود دارد که محیط آن مملو از هیدروژن سولفیداست؛ ۴ میلیارد سال پیش، زمین پر از هیدروژن سولفید بود. محیط درونی این غار برای موجودات زنده از جمله انسان به‌شدت کشنده است ولی به‌طرز شگفت‌آوری در اعماق همین غار می‌توان انواعی از موجودات زنده پیدا کرد؛ موجوداتی که با محیط سمی غار سازگار شده‌اند. گاز هیدروژن سولفید از منافذی در زیر غار سرچشمه می‌گیرد، با اکسیژن موجود در آب واکنش می‌دهد و دیواره‌ی درونی غار را با اسید سولفوریک می‌پوشاند.

در این غار میلیاردها میلیارد باکتری‌ که حیات آن‌ها وابسته به هیدروژن سولفید است، در کولونی‌های عجیبی گردهم آمده‌اند. باکتری‌ها که جزو باستانی‌ترین و معمول‌ترین موجودات زنده‌ی روی زمین محسوب می‌شوند، انرژی شیمیایی هیدروژن سولفید را استخراج می‌کنند. مانند دیگر موجودات زنده، آن‌ها هم رشد می‌کنند، با محیط خود سازگار می‌شوند و تولیدمثل می‌کنند. در هرکدام از این موجودات تک‌سلولی، مولکول DNA وجود دارد. DNA به باکتری‌ها اجازه می‌دهد که تکثیر شوند. شرایط اولیه‌ی زمین از شرایط این غار خیلی بدتر بوده است و این نشان می‌دهد که بعضی از انواع حیات می‌توانند در محیط‌های فوق‌العاده سخت حضور داشته باشند.

سوپ بنیادین و آزمایش میلر

در دهه‌ی ۱۹۲۰، شیمی‌دان روسی آپارین و دانشمند انگلیسی هالدین به‌طور مستقل چنین فرض کردند که اتمسفر اولیه‌ی زمین دارای یک محیط کاهنده (الکترون‌دهنده یا احیایی) بوده است که در آن ترکیبات آلی می‌توانستند ازمولکول‌های ساده تشکیل یابند. انرژی مورد نیاز برای این سنتز آلی می‌توانست از آذرخش و تابش شدید اشعه‌ی فرابنفش (UV) فراهم شود. به گمان هالدین، اقیانوس‌های اولیه محلولی از مولکول‌های آلی یا یک سوپ بنیادین بودند که حیات از آن‌ها سرچشمه گرفت.

در سال ۱۹۵۳ استنلی میلر و هارولد یوری، از دانشگاه شیکاگو، فرضیه‌ی آپارین-هالدین را ازطریق ایجاد شرایط آزمایشگاهی مشابه با آنچه که به تصور دانشمندان آن دوره، در زمین اولیه وجود داشت، آزمودند. محصول دستگاه آن‌ها، آمینواسید‌های متنوعی بود که امروزه در موجودات زنده یافت می‌شود و درکنار آن‌ها نیز ترکیبات آلی دیگری به دست آمد. تاکنون پژوهشگران در آزمایشگاه‌های زیادی، با استفاده از اتمسفرهای متفاوتی، این تجربه را تکرار کرده‌اند. در برخی از مدل‌های تعدیل‌شده‌ی آن‌ها نیز ترکیبات آلی تولید شده‌اند.

اینکه اتمسفر زمین جوان، متان و آمونیاک کافی برای کاهنده بودن را دارا بوده است یا خیر، روشن نیست. براساس شواهد، گمان می‌رود که اتمسفر اولیه اساسا از نیتروژن و کربن‌دی‌اکسید تشکیل شده بود و حالت کاهنده یا اکساینده (الکترون گیرنده) نداشته است. آزمایش‌هایی از نوع تجربه‌‌ی میلر-یوری که با به‌کارگیری چنین اتمسفرهایی «خنثی» انجام گرفته‌اند نیز، منجر به تولید مولکول‌های آلی شده‌اند. احتمالا بسته‌های کوچکی از اتمسفر اولیه، شاید نزدیک به دهانه‌های آتشفانی، حالت کاهندگی داشته‌اند.

ترکیبات آلی اولیه در زمین، شاید به‌جای تشکیل در اتمسفر، نزدیک آتشفشان‌هایی زیر آب و محافظ موجود در اعماق دریا، یعنی جایی که آب گرم و مواد معدنی می‌جوشیدند و به اقیانوس فوران می‌کردند، ساخته شده‌اند. ساختن مولکول‌های پیچیده از مولکول‌های ساده به انرژی نیز نیاز دارد. میلر و یوری استدلال کردند که در محیط اولیه زمین، منابع فراوانی از انرژی، موجود بوده است. علاوه‌بر رعدوبرق، پرتو فرابنفش در مقایسه با شرایط کنونی، احتمالا با شدت بیشتری به سطح زمین می‌رسیده است. میلر و یوری پیش‌بینی کردند در شرایطی مشابه زمین اولیه مولکول‌های آلی از مولکول‌های غیرآلی به‌وجود می‌آید.

دکتر میلر آزمایشی انجام داده است که این دستگاه چگونه شرایط موجود در زمین اولیه را شبیه‌سازی می‌کند. جو، مخلوطی از بخار آب، NH3 ،H2 ،CH2 شامل می‌شد. پژوهشگران باور دارند، که این گازها در دنیای قدیمی، غالب بوده‌اند. برای شبیه‌سازی رعدوبرق، الکترودها جرقه‌هایی در این مخلوط گاز تخلیه می‌کردند. در زیر محفظه‌ی جرقه، یک پوشش شیشه‌ای به‌نام متراکم‌کننده‌، بخار آب موجود در مخلوط گازی را سرد و متراکم می‌کرد و موجب می‌شد باران همراه‌با ترکیبات محلول در آن به دریای کوچک برگردانده شود.

وقتی که مواد در دستگاه به گردش درآمدند، محلول موجود در بالن به آرامی تغییر رنگ داد. دکتر میلر چنین توضیح داد که اولین باری که این آزمایش را انجام دادم محلول به رنگ قرمز درآمد، همین‌طور که جرقه زدن ادامه یافت بیشتر به رنگ زرد و سپس به رنگ قهوه‌ای در آمد. بعد از یک هفته میلر انواع ترکیبات آلی مانند برخی آمینواسیدهای سازنده‌ی پروتئین‌های جانداران را در این محلول پیدا کرد. در کمال تعجب، ترکیبات آلی را که از نظر زیست‌شناسی بسیار اهمیت داشت به دست آوردیم و آمینواسیدها نه در مقدار کم بلکه خیلی زیاد ساخته شده بود. این آزمایش بیشتر از انتظار ما نتیجه داشت.

دکتر میلر با ایجاد تغییراتی در دستگاه میلر بیش از ۲۰ آمینواسیدی را که به‌طور معمول در جانداران پیدا می‌شود، مانند قندها، لیپیدها، بازهای نیتروژنی موجود در نوکلئوتیدهای DNA ،RNA و حتی ATP، ایجاد کرده است. این بررسی‌های آزمایشگاهی این موضوع را تأیید می‌کند که پیش از پیدایش خود حیات در زمین اولیه بسیاری از مولکول‌های آلی که موجودات زنده را به‌وجود می‌آورند، ایجاد شده بودند. حالا پژوهشگران عقیده دارند که ترکیب جوی زمین اولیه تا اندازه‌ای با آنچه که میلر در اولین آزمایش تاریخی خود فرض کرد، تفاوت دارد.

آتشفشان‌های جدید Co2 ،Co و بخار آب منتشر می‌کنند و احتمالا دارد که این گازها هنگام پیدایش اولیه حیات در جو فراوان بوده باشند. NH3 ،H2 ،CH2 احتمالا ترکیبات اصلی نبودند. در آزمایشی که در سال ۲۰۰۸ برای آزمودن این فرضیه‌ی آتش‌فشانی اتمسفر انجام شد، پژوهشگران با استفاده از تجهیزات مدرن مولکول‌هایی که میلر در یکی از آزمایش‌ها خود به‌دست آورده بود را دوباره بررسی کردند. این آزمایش نشان داد که آمینواسید‌های متعدد تحت شرایطی ساخته شده بود که مشابه با یک فوران انفجاری بود.

آزمایش‌هایی از نوع آزمایش‌های میلر-یوری ثابت می‌کنند که ساخت غیرزیستی مولکول‌های آلی نیز امکان‌پذیر است. آنالیز ترکیب شیمیایی شهاب‌سنگ‌ها نیز این تئوری را تأیید می‌کنند. در بین شهاب‌سنگ‌هایی که بر زمین فرود آمده‌اند، کندریت‌هایی کربنی هم وجود دارند. آن‌ها سنگ‌هایی هستند که ۱ تا ۲ درصد جرم آن‌ها را ترکیبات کربنی تشکیل می‌دهند. در سال ۱۹۶۹، در استرالیای جنوبی قطعاتی از یک کندریت ۴.۵ میلیاردساله جمع‌آوری شد که شامل بیش از ۸۰ آمینواسید بود. نسبت‌های این آمینواسید‌ها به‌طور قابل توجهی مشابه نسبت‌هایی بود که در آزمایش میلر-یوری حاصل شده بود. آمینواسید‌های کندریت نمی‌توانند آلودگی‌های زمینی باشند زیرا دارای نسبت برابری از ایزومر‌های D و L هستند. موجودات زنده به‌جز چند مورد استثنا، همگی ایزومر‌های L را می‌سازند و مورد استفاده قرار می‌دهند.

وجود مولکول‌های آلی کوچک، مانند آمینواسید‌ها، برای ظهور زندگی‌ای که ما می‌شناسیم کافی نیست. هر سلول دارای یک مجموعه‌ی گسترده و منظم از درشت‌مولکول‌ها، شامل آنزیم‌ها و دیگر پروتئین‌ها و نوکلئیک‌اسیدهایی است که برای خودهمانندسازی ضروری هستند. آیا چنین درشت‌مولکول‌هایی می‌توانستند در زمین اولیه شکل گرفته باشند؟ پژوهشگران ازطریق چکاندن محلول‌های حاوی آمینواسید‌ها روی شن، خاک رس یا سنگ داغ، پلیمر‌های آمینواسیدی ساخته‌اند. پلیمر‌ها بدون کمک آنزیم‌ها یا ریبوزوم‌ها به‌طور خودبخودی تشکیل شدند. اما برخلاف پروتئین‌ها، این پلیمر‌ها مخلوط پیچیده‌ای از آمینواسیدها با اتصال عرضی هستند و هر پلیمر با سایرین متفاوت است. در نتیجه، ممکن است چنین مولکول‌هایی برای انواع گوناگونی از واکنش‌ها در سطح زمین اولیه، به‌عنوان کاتالیست ضعیف عمل کرده باشند.

پیدایش نخستین سلول‌ها؛ پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها

اینکه طبیعت چقدر سعی و خطا و چقدر زمان صرف تولید اولین سلول زنده کرده است، هنوز در هاله‌ای از ابهام قرار دارد. به نظر می‌رسد که در ابتدا چندین نوع موجود زنده‌ی تک‌سلولی شبیه باکتری‌ها در دریاها می‌زیسته‌اند. این باکتری‌ها از ترکیبات کربنی موجود در دریاها استفاده می‌کردند اما با گسترش آن‌ها مواد غذایی آماده کمیاب شد و تنها باکتری‌هایی موفق به ادامه‌ی زندگی شدند که انرژی خود را از خورشید می‌گرفتند و سرانجام فتوسنتز آغاز شد. فتوسنتز نیاز به هیدروژن داشت که از سولفید هیدروژن آتشفشان‌ها به‌دست می‌آمد، اما محدودیت این منبع هیدروژن، راه را برای موجودات زنده پیچیده‌تری از باکتری‌ها هموار کرد؛ سیانوباکتری‌ها یا همان جلبک‌های آبی.

این جلبک‌ها با دارا بودن کلروفیل توانایی آن را داشتند که هیدروژن لازم را برای فتوسنتز از تجزیه‌‌ی آب بگیرند. کلروفیل، ماده‌ای شیمیایی است که تمامی گیاهان امروزی با آن عمل فتوسنتز را انجام می‌دهند. به‌طور خلاصه، در فتوسنتز آب و دی‌اکسید‌کربن به قند و اکسیژن تبدیل می‌شود. البته قند در ادامه واکنش‌ها در گیاهان می‌تواند به سلولز، نشاسته، پروتئین و چربی تبدیل شود. بنابراین گیاهان، منبع غذایی تمامی جانوران محسوب می‌شوند. آثار جلبک‌های آبی هنوز نیز روی زمین قابل مشاهده است؛ استروماتولیت‌ها. این‌ها همان سنگ‌های رسوبی حاصل از عملکرد سیانوباکتری‌ها هستند که همراه‌با برخی فسیل‌های میکروسکوپی نشان می‌دهند که آثار حیات ابتدایی در گونه‌های تک‌سلولی بدون هسته، حتی در دوره‌ی پرکامبرین و بیش از ۳.۵ میلیارد سال پیش وجود داشته است. به این جانداران، پروکاریوت می‌گویند که شامل آرکی‌ها و باکتری‌ها می‌شود. این دو به لحاظ ساختاری و ژنتیکی از یکدیگر متمایز می‌شوند. 

ظاهرا آرکی‌ها که حدود ۱۰۰ گونه را تشکیل می‌دهند، حتی قدیمی‌تر از باکتری‌ها با حدود ۴۰۰۰ گونه، هستند. سلول‌های پروکاریوت، فاقد هسته و میتوکندری بوده‌اند و اجزای آن‌ها مثل آنزیم‌ها، ریبوزوم‌ها، DNA و غیره در تماس مستقیم با مایع سیتوپلاسم قرار دارند. این سلول‌های ابتدایی توانایی خلق گونه‌های پیچیده حیات را نداشتند. آن‌ها میلیاردها و میلیاردها بار برای بیش از ۱.۵ میلیارد سال تشکیل شدند و از بین رفتند. در طول این زمان بسیار طولانی، هیچ جاندار پیچیده‌تری ظاهر نشد تا اینکه سرانجام با یک جهش بزرگ در درخت حیات روبه‌رو می‌شویم؛ایجاد سلول دارای هسته. از این زمان به بعد علاوه‌‌ بر یوکاریوت‌ها یا آغازیان (تک‌سلولی‌های هسته‌دار)، شاهد پیدایش گیاهان، قارچ‌ها و جانوران هستیم، به‌طوری‌که تولید یوکاریوت را می‌توان مبدا حیات پیشرفته و گونه‌های چند سلولی دانست.

بهترین شاهد در مورد ترکیب شدن باکتری با آرکی چیست؟ توالی ژنومی که امروزه مثلا در سلول یک انسان وجود دارد. ۲۰۰ ژن در اطراف کروموزوم‌های ما وجود دارد که مشابهت بالایی با ژنوم آرکی‌ها دارد. در عوض DNA موجود در میتوکندری شباهت زیادی به انواع موجود در باکتری‌ها دارد. با افزایش تولیدمثل، برخی از انواع تک‌سلولی ها گردهم جمع شدند و کلونی سلولی را به‌وجود آوردند. به تدریج پس از گذشت ۱۵۰ میلیون سال، میان این جمعیت تک‌سلولی تقسیم کار انجام گرفت و سرانجام آن تشکیل چندسلولی‌ها است. این جریان تا تشکیل گیاهان و قارچ‌‌های چندسلولی و نیز جانوران چندسلولی پیش می‌رود. احتمالا با بلعیده شدن یک باکتری توسط یک آرکی و ترکیب این دو با همدیگر، در حدود ۲ میلیارد سال قبل، سلول پیچیده و پیشرفته‌تری که دارای هسته بود، ایجاد می‌شود؛ یوکاریوت. البته این زمان براساس شواهد فسیلی اعلام شده است، درحالی‌که مدارک ژنتیکی، ایجاد یوکاریوت را تا ۳ میلیارد سال عقب می‌برد. این نوع سلول‌ها می‌توانستند انرژی بیشتری ازطریق باکتری بلعیده‌شده ذخیره کنند. در نتیجه اندازه‌ی سلول و تعداد ژنوم آن بزرگتر شدند، سازگاری آن‌ها با محیط افزایش پیدا کرد و قادر بودند مدت زمان بیشتری زنده بمانند و تولید مثل کنند.

دنیای RNA یا دنیای DNA؛ مرغ یا تخم‌مرغ؟

اینکه اسیدهای آمینه از فضا آمده‌اند یا روی زمین تولید شده‌اند یا هر دو، پاسخ پرسش اصلی ما نیست. پرسش اصلی چگونگی پیدایش سلول زنده است. برای رفتن به سوی حل این معما درنظرگرفتن یک موضوع مشترک در تمامی گونه‌های زنده خیلی مهم است. آنچه که یک موجود زنده را به یک سیستم با مرزبندی مشخص نسبت به محیط تبدیل می‌کند، پوسته است. یعنی سلول نیز دارای پوسته‌ای است که ورودی‌ها و خروجی‌ها را کنترل می‌کند. جک شاستک (Jack Shostak)، زیست‌شناس آمریکایی با الهام از حباب‌های صابون که از اسیدهای چرب و در اثر کاهش نیروی کشش سطحی آب ساخته می‌شوند، معتقد است که پوسته‌های نخستین سلول‌ها نیز از اسیدهای چرب حاصل‌شده در همان مرداب‌های گرم به‌وجود آمده‌اند.

وی شرایط شیمیایی یک چشمه‌ی آب گرم را در آزمایشگاه بازسازی کرد. او این اسیدها را با آب، نمک و اسیدهای آمینه مخلوط کرد و در زیر میکروسکوپ به مشاهده این سوپ پرداخت. او حباب‌های ریزی که شبیه پوسته‌ی سلول بودند را مشاهده کرد. نکته‌ی عجیب اینکه با تکان دادن این حباب‌ها، پوسته آن‌ها رشد می‌کند و همانند یک حباب صابون تقسیم می‌شوند. اما یک سلول واقعی چگونه تقسیم و تکثیر می‌شود؟ درخت زندگی از DNA شکل گرفته است؛ هر سلولی برای تکثیر خود به DNA نیاز دارد. هر گاه که سلولی تقسیم می‌شود یک کپی از DNA یا همان اطلاعات خود را در هر دو سلول جدید باقی می‌گذارد؛ اما DNA چگونه ایجاد شد؟ این مولکول شامل میلیاردها اتم و بسیار پیچیده است، اما نسخه ساده‌تری از آن نیز وجود دارد؛ RNA یاریبونوکلئیک اسید که بیشتر دانشمندان زیستی معتقدند پیش‌ماده‌ی DNA است.

پژوهشگران زیادی تلاش کردند تا با ترکیب قندهای ریبوز به پایه‌های اتمی، RNA را در آزمایشگاه بسازند، اما موفق نشدند. بیشتر آن‌ها از حرارتی مشابه چشمه‌های گرم زمین اولیه برای رسیدن برای این منظور استفاده می‌کردند، اماجان ساترلند (John Sotherland) شرایط دیگر آن دوره مانند سرما، نور خورشید و غیره را نیز اعمال کرد. در کمال شگفتی وی موفق شد به نیمی از ساختار RNA دست یابد. او باور دارد که در آینده خواهد توانست RNA را در آزمایشگاه سنتز کند. با محصور کردن RNA در یک غشای فسفولیپیدی که آن هم در آزمایشگاه قابل سنتز است، یک شبه‌سلول به دست می‌آید. 

آیا اصولا حیات یک منشا و یک درخت دارد، یا آنطور که برخی دانشمندان باور دارند دو درخت یا حتی بیشتر؟ اینها پرسش‌ها و معماهایی است برای آینده. اگرچه ما هنوز منشا حیات را نیافته‌ایم، اما به خوبی می‌دانیم که DNA ترکیبی از مولکول‌های شیمیایی است که به سلول زندگی می‌دهد. به احتمال بیشتر DNA روی سیاره زمین تولید شد و درخت زندگی، تحت بنیان نظریه‌ی داروین رشد کرده است. DNA حامل کد ژنتیکی یا رمز منحصربه‌فرد هر موجود زنده برای تکثیر خود است. با محصور شدن DNA در پوسته یا غشا، ما شاهد پیدایش سلول هستیم که به‌عنوان واحد حیات شناخته می‌شود. یک سلول اگرچه خیلی کوچک است، اما تمام رفتارهای یک موجود زنده را دارد. 

غذا می‌خورد، هضم می‌کند، انرژی غذا را جذب و پسمانده را دفع می‌کند و از همه مهم‌تر اینکه همانندسازی می‌کند. معمای حیات را باید درون یک سلول جست‌وجو کرد. نخستین ماده ژنتیکی احتمالا RNA بود، نه DNA. توماس چیس از دانشگاه کلرادو و سیدنی آلتمن از دانشگاه ییل، متوجه شدند RNA که دارای نقش اساسی در سنتز پروتئین است، می‌تواند چندین فعالیت کاتالیتیک شبه-آنزیمی نیز انجام دهد. چیس، این RNA‌های کاتالیست را ریبوزیم (با ریبوزوم اشتباه گرفته نشود) نامید. برخی ریبوزیم‌ها می‌توانند به شرطی که بلوک‌های ساختمانی نوکلئوتیدی برایشان فراهم باشد، نسخه‌های مکمل برای قطعه‌های کوتاه RNA بسازند. در آزمایشگاه، وقوع انتخاب طبیعی در سطح مولکولی، منجر به تولید ریبوزوم‌های خودهمانندساز گردیده است. چگونه چنین چیزی روی می‌دهد؟ برخلاف DNA دورشته‌ای که همیشه به شکل یک مارپیچ در می‌آید، مولکول RNA، اشکال سه‌بعدی متنوعی را که توسط نوکلئوتیدهای آن‌ تعیین می‌شود، به خود می‌گیرند.

در یک محیط معین، مولکول‌های RNAیی که توالی بازی خاصی دارند، در مقایسه با سایر توالی‌ها سریع‌تر و با اشتباهات کمتری همانندسازی می‌کنند. باتوجه‌به تنوع مولکول‌های RNA، مولکولی که توالی آن بهترین تناسب را با محیط اطراف دارد و دارای فعالیت خود-کاتالیتیکی بیشتری است، اغلب همانندسازی بیشتری نیز خواهد داشت. زاده‌های حاصل از این مولکول RNA، همگی به یک گونه‌ی منفرد RNA تعلق نخواهند داشت بلکه شامل یک خانواده از مولکول‌های RNA با خویشاوندی نزدیک به هم خواهند بود. علت این امر خطاهایی است که در طی کپی‌برداری رخ می‌دهند. یک اشتباه در کپی‌برداری می‌تواند منجر به ایجاد مولکولی شود که به علت شکل تاخوردگی خاص خود، پایداری بیشتر یا انطباق بهتری برای خودهمانندسازی، نسبت به توالی نیایی، دارد.

شاید در زمین اولیه، رویداد‌های انتخابی مشابهی اتفاق افتاده باشد. بر این اساس ممکن است یک دنیای RNA متفاوت با زیست‌شناسی مولکولی شناخته‌شده‌ی امروزی به وجود آمده باشد، که در آن مولکول‌های RNA کوچکی که اطلاعات ژنتیکی را حمل می‌کردند، قادر به همانندسازی و ذخیره‌ی اطلاعات در پروتوسل‌های حامل خود بودند. یک پروتوسل دارای RNAی کاتالیتیک خودهمانندساز، با بسیاری از پروتوسل‌های دیگر که حامل RNA نبود یا دارای RNAهای فاقد این قابلیت‌ها بودند، متفاوت بود.

در صورتی که این پروتوسل می‌توانست رشد کند، تقسیم شود و مولکول‌های RNA را به دختر‌های خود انتقال دهد، دختر‌ها دارای برخی ویژگی‌های والد خود می‌شدند. اگرچه به احتمال زیاد اولین مورد از چنین پروتوسل‌هایی فقط مقدار کمی از اطلاعات ژنتیکی را که تعیین‌کننده‌ی تنها تعداد کمی خصوصیت بودند، حمل می‌کردند، اما همین مقدار کم هم به‌معنی شکل‌گیری وراثت در آن‌ها بود و بنابراین می‌توانستند تحت تاثیر انتخاب طبیعی قرار بگیرند. تعداد پروتوسل‌های موفق افزایش می‌یافت زیرا می‌توانستند مواد مورد نیاز خود را با کارایی بالاتری به دست آورند و توانایی‌های خود را به نسل بعد انتقال دهند. شاید ظهور چنین پروتوسل‌هایی غیرممکن به نظر برسد، اما به‌خاطر داشته باشید که در حجم عظیم آب سطح زمین اولیه، هزاران میلیارد پروتوسل می‌توانست وجود داشته باشد. حتی آنهایی که ظرفیت محدودی برای وراثت داشتند، نسبت به سایر از امتیاز بسیار بزرگتری برخوردار بودند.

زمانی‌که توالی‌های RNAی حامل اطلاعات ژنتیکی در پروتوسل‌ها ظاهر شدند بسیاری از تغییرات دیگر فراهم گردید. برای مثال RNA می‌توانست الگویی باشد که نوکلئوتیدهای DNA از روی آن به‌هم متصل شوند. DNA دورشته‌ای ذخیره‌‌‌ی بسیار پایدارتری برای اطلاعات ژنتیکی است و با دقت بیشتری همانندسازی می‌کند. درکنار بزرگ شدن ژنوم ازطریق مضاعف شدن ژنی و فرایند‌های دیگر و نیز با به رمز در آوردن بیشتر خصوصیات در پروتوسل‌ها به‌صورت اطلاعات ژنتیکی، همانندسازی دقیق یک ضرورت می‌شد. شاید پس از ظهور DNA، مولکول‌های RNA نقش امروزی خود را، به‌عنوان واسطه‌های ترجمه ژنتیکی بر عهده گرفتند و دنیای RNA جای خود را به دنیای DNA داد.

پروتسل‌ها (protocells)

پروتوسل پیش‌ساز سلول‌های زند‌ی امروزی به حساب می‌آید. آن‌ها از گردهم‌آیی اجزای غیرزیستی ساخته می‌شوند. پروتوسل با اینکه خود یک موجود زنده به حساب نمی‌آید، اما خصوصیات مشابهی با سلول‌های زنده دارد. پیدایش حیات بر سطح زمین، بدون وجود واحدهای ساختاری غیرزیستی، مانند پروتوسل‌ها، محقق نمی‌شد. هر چند هنوز هم در مورد این واحدهای ساختاری یا به عبارت دقیق‌تر، ریشه‌های حیات، اطلاعات جامعی در دست نیست، اما به نظر می‌رسد چندین ترکیب شیمیایی ساده دست در دست یک‌دیگر داده‌اند و طی سال‌های متمادی، حیات فعلی را پدیدار ساختند. برای فهم این مسئله که ترکیبات غیرزنده چگونه می‌توانند به پیدایش سلول‌های زیستا کمک کنند، ابتدا باید با ویژگی‌های اساسی یک سیستم زنده آشنا شویم. موجودات زنده اغلب ۳ خصوصیت عملکردی مشترک دارند:

• غشای پایدار و نیمه‌تراوایی که اجزای داخل سلول را احاطه می‌کند.
• ماده‌ی ژنتیکی که عملکرد و رفتار سلول را تعیین می‌کند می‌تواند به نسل‌های بعد منتقل شود.
• تولید انرژی از مسیرهای متابولیک که رشد، محافظت از خود و تولید مثل را امکان‌پذیر می‌سازد.

تمامی موجودات باید قادر به انجام تولیدمثل و متابولیسم باشند. ادامه حیات بدون این دو عملکرد ممکن نیست. مولکول‌های DNA حامل اطلاعات ژنتیکی هستند، که شامل دستورالعمل‌های لازم برای همانندسازی دقیق خودشان، در طی همانندسازی، است. اما همانندسازی DNA به یک ماشین آنزیمی ماهر و درکنار آن به یک منبع غنی از واحدهای ساختمانی نوکلئوتیدی نیاز دارد که ازطریق متابولیسم سلول فراهم می‌شود. احتمالاَ در پروتوسل‌های ابتدایی، مولکول‌های خودهمانندساز و یک منبع متابولیسمی از واحدهای ساختمانی، با یکدیگر ظهور پیدا کرده‌اند.

چگونه چنین اتفاقی افتاد؟ احتمالا این شرایط مورد نیاز در وزیکول‌ها فراهم شده است. وزیکول‌ها اجزای پر از مایعی هستند که توسط ساختاری شبه‌غشایی احاطه شده بودند. آزمایش‌های اخیر نشان می‌دهند که وزیکول‌های تولیدشده به روش غیرزیستی می‌توانند بعضی از ویژگی‌های مرتبط با حیات را نشان دهند، که شامل متابولیسم، تولید مثل ساده و نیز حفظ تفاوت محیط شیمیایی داخلی با محیط شیمیایی اطراف است. به‌عنوان مثال، هنگامی که لیپید‌ها یا دیگر مولکول‌های آلی به آب افزوده می‌شوند، وزیکول‌ها می‌توانند به‌طور خودبه‌خودی تشکیل شوند.

در این زمان، مولکول‌های آب‌گریز در این مخلوط به‌صورت دولایه سازمان می‌یابند که شبیه به دولایه‌ی لیپیدی غشای پلاسمایی سلول‌های امروزی است. افزودن موادی مانند مونتموریلونیت، سرعت خودگردایش‌گر وزیکول‌ها را بسیار افزایش می‌دهد. این خاک رس که تصور می‌شود روی زمین اولیه وجود داشته است، سطحی را فراهم می‌آورد که مولکول‌های آلی روی آن تجمع یابند و احتمال واکنش مولکول‌ها با یکدیگر و تشکیل وزیکول‌ها را افزایش دهند. وزیکول‌های تولیدشده به روش غیرزیستی می‌توانند به خودی خود تولیدمثل کنند و می‌توانند بدون رقیق شدن محتوایشان، بزرگ شوند. وزیکول‌ها همچنین قادر به جذب ذرات مونتموریلونیت، از جمله ذرات پوشیده‌شده با RNA و دیگر مولکول‌های آلی، هستند. در ‌‌نهایت، آزمایش‌ها نشان داده‌اند که برخی وزیکول‌های دولایه، نفوذپذیری انتخابی دارند و قادر هستند با استفاده از مواد خارجی، واکنش‌های متابولیکی را انجام دهند که پیش‌نیاز مهم دیگری برای شکل‌گیری حیات است.

تکثیر سیانوباکتری‌ها و پیدایش اکسیژن

مطالعات علمی نشان می‌دهد که جو زمین در نیمه‌ی اول تاریخچه‌ی حیات خود، اکسیژن نداشته است. اکسیژن جو زمین، از حدود  ۲.۴ میلیارد سال پیش به‌وجود آمد. از این دوران اغلب با عنوان رویداد بزرگ اکسیداسیون یاد می‌شود. این اتفاق بدون‌تردید یکی از مهم‌ترین رویدادهایی بوده که زمین تاکنون به خود دیده است. اگر زمین شاهد این اتفاق بزرگ نبود، امروز هیچ جانوری نمی‌توانست تنفس هوا را تجربه کند و بنابراین حشره، ماهی یا هیچ انسانی به‌وجود نمی‌آمد. مطالعات نشان می‌دهد که زمین چیزی در حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش شکل گرفته است.

در زمان وقوع رویداد اکسیداسیون بزرگ، زمین تقریباً ۲ میلیارد سال عمر داشته است. آن زمان، تنها ساکنان زمینموجودات تک‌سلولی بودند. این موجودات تک‌سلولی به روشی تکامل پیدا کردند که بتوانند انرژی را از نور خورشید دریافت و با آن، انرژی لازم برای بقای خود را تأمین کنند. درست در همین‌جا بود که ورق برگشت. دانشمندان می‌گویند که این اشکال ابتدایی و ساده‌ی زندگی، نخستین مظنونان پرونده‌ی اکسیداسیون بزرگ هستند. اما از میان آن‌ها یک گروه بیشتر در معرض توجه قرار گرفته است؛ سیانوباکتری‌ها. امروزه هم می‌توان این ارگانیسم‌های میکروسکوپی را گاهی در اقیانوس‌ها و حتی برکه‌ها، در حالی‌که همچون لایه‌ای شفاف به رنگ سبز آبی روی آب را پوشانده‌اند، مشاهده کرد. جالب این‌جا است که اجداد همین سیانوباکتری‌ها در گذشته، نیرنگی بزرگ اما جالب را برای بقا به طبیعت زدند؛ به دست آوردن انرژی از نور خورشید برای ادامه‌ی حیات.

این روش منحصربه‌فرد که امروز چندان عجیب جلوه نمی‌کند، در زمان خود نیرنگی بی‌نظیر به‌حساب می‌آمد چرا که سیانوباکتری‌ها از این روش توانستند از آب ساده قند بسازند و اکسیژن تولید کنند. فتوسنتز مهم‌ترین نیرنگی است که اجداد سیانوباکترهای امروزی به‌کار بستند تا بتوانند از انرژی نور خورشید برای بقای خودشان به بهترین نحو ممکن استفاده کنند. این تکنیک ایده‌آل همان روشی است که تمام گیاهان سبز امروزی برای بقا به آن وابسته هستند. اما نباید فراموش کرد که این فرایند شیمیایی امروزه کاربردی بسیار موثرتر از آن‌چیزی دارد که سیانوباکترهای اولیه میلیاردها سال پیش از آن استفاده می‌کردند. 

سیانوباکتری‌ها یا سیانوفیت‌ها که از آن‌ها با عنوان‌هایی چون جلبک‌های سبزآبی و باکتری‌های سبزآبی نیز یاد می‌شود، در گذشته یک گروه از باکتری‌های خودکفا قلمداد می‌شدند زیرا می‌توانند انرژی خود را ازطریق فتوسنتز تأمین کنند. نام‌گذاری آن‌ها بارها و بارها در تاریخ زیست‌شناسی تغییر کرد، چنان‌که امروز عده‌ای از زیست‌شناسان باور دارند، به‌کارگیری نام جلبک برای آن‌ها یکی از اشتباهات تاریخ علم زیست‌شناسی بوده است.

این پژوهشگران به پروکاریوتی بودن، سیانوباکتری‌ها استناد می‌کنند و می‌گویند که موجودات پروکاریوت، هسته‌ی واقعی و غشای هسته ندارند در حالی‌که جلبک‌ها در اصل یوکاریوت هستند، یعنی هم هسته‌ی سلولی حقیقی و هم غشای سلولی دارند. درهرصورت موضوع جای‌گیری سیانوباکتری‌ها در درخت حیات (Tree of Life) هنوز یک چالش‌ در ظاهر حل‌نشدنی است. اما در یک نکته جای شک نیست، آن‌هم اینکه سیانوباکتری‌ها فتوسنتز می‌کنند و اکسیژن تولیدی آن‌ها یکی از محصولات ثانویه حاصل از این فرایند شیمیایی است.

قدیمی‌ترین شواهد حیات اولیه

معمای بزرگ و پیچیده ای در مورد منشا حیات وجود دارد و ذهن تمامی کنجکاوان خستگی‌ناپذیر را به سمت خود می‌کشد؛ چگونه مولکول‌های شیمیایی بی‌جان به موجود جاندار تبدیل می‌شوند؟ دانشی که به‌دنبال یافتن فرایند طبیعی شکل‌گیری حیات از مواد بی‌جان است را بی‌جان‌زایی (Abiogenesis) گویند. این شاخه از دانش اصولا ارتباطی با فرگشت یا نظریه‌ی داروین ندارد. دانش فرگشت به فرایند تغییرات طبیعی موجودات زنده در طول زمان می‌پردازد. دو ویژگی بسیار مهم که در تئوری‌های بی‌جان‌زایی مورد توجه است، عبارت‌اند از: همانندسازی و متابولیسم (سوخت‌و‌ساز). تاکنون یک نظریه‌ی قابل قبول برای پاسخ به پرسش بی‌جان‌زایی ارائه نشده است.

انسان هنوز نتوانسته است در آزمایشگاه از مولکول‌ها به سلول برسد. البته عدم توانایی انسان درساخت کارخانه‌ای که علف را به شیر تبدیل کند، دلیلی بر این نیست که شیر گاوها توسط معجزه ساخته می‌شود. وجود پرسش و معماهای علمی یکی از جذابیت‌های علم است. اگر همه پرسش‌ها پاسخ داده شوند، با یک بن‌بست علمی روبه‌رو خواهیم شد و دیگر کنجکاوی معنایی نخواهد داشت. اولین موجود زنده چه زمانی و چگونه در زمین پیدا شد؟ آیا اصولا روی زمین تولید شد یا از فضا آمد؟ پاسخ علمی به این پرسش‌ها بسیار دشوار است.

هرچه در تاریخ زمین عقب‌تر می‌رویم، یافتن مدارک و شواهدی که مثل فسیل‌ها با قاطعیت همه را راضی کند، دشوارتر می‌شود. درضمن، شرایط اولیه زمین یا دوره‌ی هادین (Hadean) که مانند گویی داغ و مذاب بوده است، تقریبا مدرکی از خود باقی نگذاشته است. بااین‌حال زمین‌شناسی به نام استیون مویزش (Stephen Mojzsis) باور دارد که حیات حتی در اواخر این دوره نیز وجود داشته است. وی صخره‌هایی را با قدمت ۳.۸ میلیارد سال یافته است که نشانه‌هایی از حیات را درون خود حفظ کرده‌اند. در این صخره‌ها توده‌هایی از کربن وجود دارد که نسبت ایزوتوپ آن ویژه‌ی موجودات زنده است. تشخیص اینکه این موجودات زنده چه شکلی بوده ‌اند، امکان‌پذیر نیست. اما آن‌ها باید در شرایط بسیار خشن آن دوره دوام می‌آوردند.

مویزش بر طبق یک شبیه‌سازی کامپیوتری، معتقد است که در اواخر دوره‌ی هادین، آب مایع می‌توانست در برخی نقاط زمین وجود داشته باشد و این مکان‌ها شانسی برای زندگی گونه‌های زنده در اختیار می‌گذاشتند.  بیش از ۱۰۰ سال است که دانشمندان می‌دانند حیات احتمالا در نتیجه‌ی فعل و انفعالاتی شیمیایی به‌وجود آمده است. یعنی یک سری مواد شیمیایی به مقدار و شکل مناسب باید با هم ترکیب شوند تا موجود زنده به‌وجود بیاید. همه‌ی موجودات زنده، از باکتری گرفته تا موش، کبوتر و زرافه از تعدادی عنصر شیمیایی محدود درست شده‌اند. هیدروژن، اکسیژن،کربن و نیتروژن چهار عنصر فراوان در جهان هستند. اگر این چهار عنصر را (همراه تعدادی دیگر از عناصر جدول تناوبی) به شکل و مقدار مناسب کنار هم قرار دهید، مواد اولیه‌ی ضروری برای حیات به‌وجود می‌آید. کربن ماده‌ی سازنده‌ی اصلی موجودات زنده است.

چیزی که کربن را خیلی خاص می‌کند این است که می‌تواند با خودش و دیگر عناصر پیوندهای خیلی زیاد و متنوع بسازد. هیچ اتم دیگری مثل کربن نمی‌تواند چنین ترکیبات متنوعی بسازد. نشانه‌های حیات باستانی را می‌توان در غرب گرینلد مشاهده کرد. بعضی از صخره‌های موجود در غرب گرینلد از نظر زمین‌شناسی فوق‌العاده با ارزش هستند و قدمت آن‌ها به ۳.۷ تا ۳.۹ میلیارد سال پیش می‌رسد. قطعا این صخره‌ها آن‌قدر قدیمی هستند که هیچ فسیلی از موجودات زنده در آن‌ها باقی نمانده است. بااین‌حال دانشمندان آنجا چیزی عجیب‌تر، یعنی ردپای شیمیاییمیکروب‌های باستانی پیدا کردند.

آن‌ها در این صخره‌ها ایزوتوپ‌هایی از کربن پیدا کردند که توسط موجودات زنده به‌وجود می‌آیند. بنابراین نتیجه گرفتند که زمان به‌وجود آمدن این صخره‌ها یعنی ۳.۸ میلیارد سال پیش، در این منطقه حیات وجود داشته است. البته پژوهش‌های دقیق‌تر در صخره‌های پر از کربن، پیشینه‌ی حیات را حتی تا ۴ میلیارد سال هم عقب می‌برد. ولی شرایط خیلی سخت و برخوردهای عظیم سیارکی در زمین اولیه این فکر را به ذهن دانشمندان ‌آورد که شاید حیات اصلا روی زمین شکل نگرفت؛ بلکه توسط همان سنگ‌های آسمانی از فضا به زمین آمد.

اکنون می‌دانیم که در دوردست‌های منظومه‌ی شمسی منطقه‌ای پر از سنگ‌ها و صخره‌های کوچک و بزرگ به نامکمربند کویپر وجود دارد که از ۴.۵ میلیارد سال پیش و زمان تشکیل منظومه‌ی شمسی باقی مانده است. گاهی اوقات راه بعضی از این سنگ‌ها به داخل منظومه‌ی شمسی کج می‌شود و خیلی اتفاقی، بعضی از آن‌ها به سطح زمین برخورد می‌کنند. در سال ۱۹۶۹ یکی از این سنگ‌ها در استرالیا فرود آمد. دانشمندان بعد از بررسی دقیق این سنگ متوجه شدند که در آن مولکول‌های آمینواسید وجود دارد. این اولین‌بار بود که در یک سنگ فضایی می‌توانستیم چنین مولکولی پیدا کنیم.

اگر چنین سنگ‌هایی در فضا معمول هستند، در ابتدای پیدایش زمین که بمباران خیلی شدید بوده می‌توانستند حجم بسیار زیادی از مولکول‌های زندگی را روی زمین بیاورند. تا به حال بیش از ۸۰ نوع آمینواسید در شهاب‌سنگ‌ها پیدا شده است. بسیاری از آن‌ها اجزای اصلی سازنده‌ی پروتئین‌ها هستند که در موجودات زنده یافت می‌شوند. به‌خصوص بعضی از دنباله‌دارهایی که در ابتدا به زمین برخورد می‌کردند به اندازه‌ی کوه‌های بزرگ اندازه داشتند و می‌توانستند پر از ترکیبات زیستی باشند. بااین‌حال شدت برخورد این اجرام خیلی زیاد بود و این ابهام وجود دارد که به هنگام برخورد ممکن است این ترکیبات نابود شده باشند. 

مثلا در آریزونای آمریکا دهانه‌ی برخوردی بزرگی به قطر ۱.۲ کیلومتر و عمقی به اندازه‌‌ی یک برج ۶۰ طبقه وجود دارد که بر اثر برخورد یک شهاب‌سنگ در ۵۰ هزار سال پیش به‌وجود آمده است. آن‌قدر انرژی این برخورد زیاد بود که همان لحظه تقریبا همه‌ی شهاب‌سنگ بخار شده است. وقتی سنگی بزرگ با این انرژی به زمین برخورد می‌کند چه بر سر آمینواسیدها می‌آید؟ دانشمندی به نام جنیفر بلنک، دستگاهی برای شبیه‌سازی شدت برخورد سنگ‌های آسمانی به زمین ساخت و خواست امتحان کند و ببیند که آیا آمینواسیدها از این برخورد عظیم جان سالم به در می‌برند یا خیر. آن‌ها تفنگ بزرگی ساختند که گلوله‌ای را با سرعت ۸۰۰۰ کیلومتر بر ساعت به سوی کپسولی فولادی که در آن پنج نوع آمینواسید وجود داشت شلیک می‌کرد. 

دوتای آن‌ها در همه‌ی سلول‌های زنده وجود دارند. بدین ترتیب فشار شدید ناشی از برخورد دنباله‌دار شبیه‌سازی می‌شد. این آزمایش نشان داد که نه‌تنها آمینواسیدها از این برخورد جان سالم به در ‌بردند، بلکه اتفاق خیلی عجیب‌تری هم ‌افتاد. محلول آمینواسید به رنگ قهوه‌ای درآمد و مولکول‌های آن به هم پیوسته بودند تا موکول‌های پیچیده‌تر و بزرگتری به نام پپتیدها به‌وجود آیند. در حقیقت آمینواسیدها از انرژی ناشی از برخورد، برای ترکیب شدن با یکدیگر و ساختن پپتیدها استفاده کردند. پپتیدها با اتصال به یکدیگر پروتیین‌ها را می‌سازند. پروتیین‌ها مواد سازنده‌ی سلول‌های بدن ما هستند.

نخستین جاندار روی زمین

دانشمندان نقشه‌ی ژنتیکی دقیقی از جد مشترک همه‌‌ی موجودات زنده تهیه کرده‌اند و آن را لوکا (LUCA) می‌نامند. پژوهشگران می‌گویند این موجود می‌تواند اسرار پیدایش حیات روی زمین را فاش کند. دانشمندان حدس می‌زنند که جد مشترک ما چهار میلیارد سال پیش، در نزدیکی یک چشمه‌‌ی گرمابی در اعماق اقیانوس می‌زیست. برای اولین‌بار، دانشمندان تصویری از ظاهر احتمالی قدیمی‌ترین جد ما تهیه کرده‌اند. این پژوهشگران ۶ میلیون ژن را دسته‌بندی کردند و درنهایت به ۳۵۵ ژن رسیدند که احتمال می‌دادند در لوکا وجود داشته باشد.

ژن‌ها به مرور زمان به شکل قابل پیش‌بینی تغییر می‌کنند، این بدین معنی است که دانشمندان با مقایسه توالی DNA جانداران زنده می‌توانند به فرضیه‌هایی درباره جاندارانی برسند که ما هیچ راهی برای مطالعه آن‌ها نداریم. بنابراین، این دانشمندان به سرپرستی ویلیام مارتین از دانشگاه هاینریش هاین، ژن‌های دو گروه بزرگ از حیات تک‌سلولی یعنی باکتری‌ها و آرکی‌ها را به دقت بررسی کردند. پژوهشگران احتمال می‌دادند ژن‌هایی که حداقل در دو گروه از باکتری‌ها و دو گروه از آرکی‌ها پیدا می‌شدند به لوکا تعلق داشته باشند.

این ۳۵۵ ژنی که پژوهشگران انتخاب کردند نشان می‌دهند که لوکا بدون اکسیژن می‌توانست زنده بماند و به‌جای آن از کربن دی‌اکسید و هیدروژن انرژی استخراج می‌کرد، می‌توانست در دماهای بالا دوام بیاورد و اینکه وجود فلزها برای حیاتش ضروری بود. دانشمندان حدس می‌زنند که شاید حیات در نزدیکی یک چشمه گرمابی آغاز شده باشد. در این مکان‌ها دمای آب دریا با گدازه‌ی داغ بالا می‌رود و جانداران میکروسکوپی عجیبی به‌وجود می‌آیند. بعضی از دانشمندان در این مورد اختلاف نظر دارند.

آن‌ها درباره‌ی جایگاه دقیق لوکا در گاه‌شمار جانداران اولیه مطمئن نیستند. این جاندار بعضی از ویژگی‌هایی را که برای حیات ضروری است، ندارد. مثلا ابزارهای لازم آن برای ساخت آمینواسید و نوکلئوتید ناکافی است. همان‌طور که می‌دانیم این دو آجرهای سازنده حیات هستند. درهرصورت، دانشمندان می‌خواهد اطلاعات بیشتری از اولین شکل‌های حیات به دست بیاورند. آن‌ها شاید ساده و حتی بیگانه به نظر برسند، اما این اجداد باستانی درنهایت به جانوران بسیار پیچیده و تکامل‌یافته‌ای تبدیل شدند.

انفجار کامبرین و پیدایش مهره‌داران

یکی از پرسش‌های مهم تکامل این است که چگونه نرم‌تنان به مهره‌داران یا جانورانی که ستون فقرات دارند، مانند ماهی‌ها، خزندگان، پرندگان و خود ما تبدیل شدند؟ پاسخ این معما در یک کرم دریایی کوچک به‌نام آمفیوکسوس یا نیزک (amphioxus) است که در مرز جانوران بی‌مهره و مهره‌دار قرار دارد. این جانور اگرچه استخوان ندارد، اما در پشت خود نوعی اسکلت تکامل‌نیافته شبیه شاسی یک مهره‌دار را یدک می‌کشد. از طرفی رمزگشایی ژنتیکی نشان می‌دهد که در ۴۵۰ میلیون سال قبل یک جهش مهم و بنیادی در ژنتیک، باعث چهار برابر شدن زنجیره ژنوم برخی جانوران شده است.

این زمان طبق شواهد فسیلی، تقریبا معادل همان دوره‌ای است که مهره‌داران پدید آمدند و انفجار کامبرین را رقم زدند. اکنون به آخرین قطعه پازل می‌رسیم. با نگاهی به توالی ژنوم آمفیوکسوس متوجه می‌شویم که ژنوم مهره‌داران و حتی خود ما، همان ژنوم آمفیوکسوس است که ۴ برابر شده است. ژن‌ها یک حافظه قوی و غیرقابل انکار در تاریخ فرگشت محسوب می‌شوند. چهار برابر شدن ژنوم یک کرم معادل شد با پیدایش تمامی مهره‌داران زمین. ژن‌های اصلی دستور ساخت یک عضو بدن را می‌دهند و ژن‌های میانی زمان‌بندی رشد اجزای آن عضو را تعیین می‌کنند. مثلا جمجمه‌ی جانورانی همچون نهنگ، اسب آبی، شتر، خفاش، میمون، تمساح، لاک پشت، انسان و… یک مشابهت کلی به یکدیگر دارند که ناشی از ژن‌های کنترل‌کننده یا هومئوباکس برای ساخت آن‌ها است.

اما تفاوت جمجمه‌ها به‌دلیل اختلاف در ژن‌های میان‌رتبه است. این ژن‌ها، طول زمان رشد نواحی مختلف جمجمه را تعیین می‌کنند. ما می‌دانیم که اختلافهای کوچک ژنتیکی حتی در یک گونه جانوری و خود ما نیز تفاوت‌های کمی را در این زمینه ایجاد می‌کند. همین اختلاف‌های کوچک ژنتیکی که توسط جهش‌ها ایجاد می‌‌شوند، یکی از مهم‌ترین راهکارهای فرگشت برای تطبیق جانوران با محیط زیست خویش است. اما جهش‌های ژنتیکی چگونه پدپد می‌آیند؟ توسط کپی‌هایی که شبیه اصل نیستند و اصولا کپی نمی‌تواند کاملا شبیه اصل باشد. کپی‌‌های ژنتیکی پر از اشتباه هستند که انتخاب طبیعت، برخی از آن‌ها را به سمت موفقیت و بقا رهنمون می‌کند.

مهاجرت جانوران از دریا به خشکی

در دوره‌ی کامبرین، حیات وابستگی کامل به دریاها داشت تا اینکه سرانجام در ۴۲۰ میلیون سال پیش برخی از جلبک‌ها با پوشش مومیایی خود توانستند تا حدودی از دریاها مستقل شوند. اما درواقع اولین گیاهان خشکی به ۴۰۰ میلیون سال قبل تعلق دارند. این گیاهان که مانند خزه‌ها فاقد ریشه، اما دارای آوندهای گیاهی بودند، فرشی سبز و انبوه را در کناره‌ی دریاها و رودها تشکیل دادند و به سمت خشکی گسترش یافتند. نخستین جانورانی که خود را تقریبا با خشکی وفق دادند مفصل‌داران (اجداد هزار پایان) بودند که با پوشش زره‌مانند خود قادر به حفظ آب در بدن خود بودند.

این‌ها در میان همان خزه‌های مرطوب گسترش یافتند. اما یکی از مهم‌ترین جهش‌های فرگشت در حدود ۳۸۰ میلیون سال قبل رخ داد که در طی آن برخی از ماهی‌ها به‌عنوان نخستین مهره‌داران به خشکی نفوذ کردند؛دوزیستان یادگار این سفر هستند. این مهاجرت سبب پیدایش تمامی جانوران خشکی و از جمله خود ما شد. فسیلی که نشانگر مهاجرت گونه‌ای ماهی از دریا به خشکی است در سال ۲۰۰۴ توسط نیل شوبین (Neil Shubin) پس از ۵ سال جست‌وجو در یکی از جزایر کانادا کشف شد؛ نام این جانور را تیکتالیک گذاشتند.

تیکتالیک جانوری دارای فلس، شبیه ماهی و دارای باله‌هایی شبیه پا برای راه رفتن است. اما چرا چنین جانورانی به خشکی مهاجرت کردند؟ برای فرار از دست شکارچی‌های بی رحم؛ خشکی های آن زمان بسیار امن بود. جهش مهم بعدی به جانورانی تعلق دارد که با پوست و تخم‌های غیرقابل نفوذ خود توانستند به معنای واقعی کلمه خشکی را جولانگاه خود سازند. این جانوران خزندگان بودند؛ دایناسورها محصول همین گروه از جانوران بودند. حشرات حدود ۳۵۰ میلیون سال قبل، یعنی در دوره‌‌ی کربونیفر پدید آمدند و پژوهش‌ها نشان می‌دهد که گروه‌های اولیه آن‌ها بهسنجاقک‌ها شباهت داشته‌اند اما پس از مدتی در انواع گوناگون پدید آمدند و اغلب نیز از انواع امروزی بزرگتر بودند.

یک سنجاقک می‌توانست بزرگی یک عقاب را داشته باشد. فراوانی اکسیژن سبب اندازه‌ی بزرگ آن‌ها بوده است. غلظت اکسیژن در بالاترین حد تاریخ زمین و تقریبا دو برابر امروز بود و چون حشرات ازطریق روزنه‌های بدن خود تنفس می‌‌کنند، می‌توانستند اکسیژن را به اندام‌های داخلی بدن خود برسانند و تا این حد بزرگ شوند. حشرات بالداراولین جاندارنی بودند که پرواز کردند و ۱۰۰ میلیون سال در پرواز رقیب نداشتند. بزرگ‌ترین خطر برای آن‌ها عنکبوت‌های دام‌گستر بود. پرندگان جهش بعدی خزندگان هستند.

فسیل آرکئوپتریکس که ۱۴۰ میلیون سال قبل می‌زیست حد واسط خزندگان و پرندگان را نشان می‌دهد. تسلط خزندگان و به‌ویژه دایناسورها بر خشکی و حتی دریا حدود ۱۸۵ میلیون سال به درازا کشید تا اینکه حدود ۶۵ میلیون سال پیش به یکباره ناپدید شدند. بیشتر دانشمندان دلیل این موضوع را برخورد یک شهاب‌سنگ بزرگ به زمین می‌دانند. انقراض دایناسورها راه را برای فرگشت پستانداران و از جمله انسان هموار کرد.