نگاه تازه به فرضیهای قدیمی؛ آیا ممکن است حیات اصلا از اعماق اقیانوس آغاز نشده باشد؟
بنیامین توتولو، پژوهشگر دانشگاه کلگری، یکی از مشهورترین فرضیهها درباره آغاز حیات در چشمههای گرمابی اعماق اقیانوس را به چالش کشیده است.
بنیامین توتولو، پژوهشگر دانشگاه کلگری، یکی از مشهورترین فرضیهها درباره آغاز حیات در چشمههای گرمابی اعماق اقیانوس را به چالش کشیده است.
دانشمندان هنوز پاسخ قطعی برای یکی از بنیادیترین پرسشهای زیستشناسی ندارند؛ اینکه نخستین موجودات زنده چگونه و در چه محیطی روی زمین شکل گرفتند؟
در میان سناریوهای مختلف، دو محیط بیش از بقیه مورد توجه قرار گرفتهاند؛ استخرها و دریاچههای کمعمق روی سطح زمین اولیه و چشمههای گرمابی در اعماق اقیانوس. بنیامین توتولو، ژئوشیمیدان دانشگاه کلگری، در مقالهای استدلال میکند که شرایط واقعی چشمههای گرمابی قلیایی، بهویژه در زمینِ حدود چهار میلیارد سال پیش، احتمالاً با آنچه بسیاری از مدلهای منشأ حیات فرض میکنند تفاوت زیادی داشته است. به اعتقاد او، تفاوتها آنقدر مهم هستند که فرضیه منشأ حیات در این چشمهها باید دوباره از پایه بررسی شود.
چشمههای گرمابی زمانی شکل میگیرند که آب دریا وارد شکافهای پوسته زمین میشود، با سنگهای داغ واکنش میدهد و سپس همراه با مواد معدنی و ترکیبات شیمیایی دوباره به اقیانوس بازمیگردد.
کشف اکوسیستمهای پرجمعیت اطراف چنین چشمههایی در دهه ۱۹۷۰ توجه دانشمندان را بهشدت جلب کرد. در اعماقی که تقریباً هیچ نور خورشیدی وجود ندارد، میکروبها میتوانند بهجای فتوسنتز از انرژی واکنشهای شیمیایی استفاده کنند و پایه یک اکوسیستم کامل را تشکیل دهند. همین مشاهده این پرسش را به وجود آورد که آیا نخستین شکلهای حیات نیز میتوانستهاند در محیطی مشابه پدید آمده باشند؟
شهر گمشده بهدلیل شرایط قلیایی و تولید هیدروژن، به یکی از مهمترین نمونهها برای توضیح فرضیه آغاز حیات در چشمههای گرمابی تبدیل شد
به نوشته ساینس آلرت ، فرضیه آغاز حیات در چشمههای گرمابی قلیایی اعماق اقیانوس پس از کشف «میدان گرمابی شهر گمشده» در اقیانوس اطلس در سال ۲۰۰۰ جدیتر شد. چشمههای این منطقه برخلاف «دودکشهای سیاه» بسیار داغ، دمای پایینتری دارند و در اثر واکنش آب با سنگهای غنی از کانیهای گوشته زمین شکل میگیرند؛ فرایندی که «سرپانتینیشدن» نام دارد.
این واکنشها میتوانند هیدروژن تولید کنند و در نتیجه انرژی شیمیایی لازم برای بعضی واکنشهای زیستی را فراهم آورند. به همین دلیل، شهر گمشده به یکی از نمونههای مهم در مدلهای منشأ حیات در چشمههای گرمابی قلیایی تبدیل شد.
یکی از مهمترین بخشهای فرضیه یادشده به تفاوت اسیدیته میان آب اقیانوس و مایع خروجی از چشمهها مربوط میشود. براساس این مدل، مایع قلیایی داخل منافذ دودکشها در کنار آب نسبتاً اسیدیتر اقیانوس قرار میگرفت و اختلاف غلظت یونهای هیدروژن در دو طرف دیوارههای معدنی، نوعی «باتری طبیعی» ایجاد میکرد.
سلولهای زنده امروزی نیز از سازوکاری مشابه استفاده میکنند. آنها با ایجاد اختلاف غلظت پروتون در دو سوی غشای سلولی، انرژی لازم برای ساخت ATP را فراهم میکنند؛ مولکولی که یکی از مهمترین حاملهای انرژی در سلول است.
طرفداران فرضیه چشمههای قلیایی پیشنهاد کردهاند که پیش از شکلگیری سلولهای واقعی، چنین اختلافی در محیط طبیعی میتوانسته انرژی لازم برای واکنشهای اولیه را فراهم کند. این ایده سالها یکی از نقاط قوت اصلی سناریوی چشمههای گرمابی محسوب میشد. اما توتولو میگوید ممکن است این «باتری طبیعی» در عمل آنقدر که تصور میشد قدرتمند نبوده باشد.
یکی از استدلالهای اصلی توتولو به نحوه اندازهگیری pH در چشمههایی مانند شهر گمشده مربوط میشود. بخش مهمی از دادههایی که نشان میدهند مایع خروجی این چشمهها بسیار قلیایی است، پس از انتقال نمونهها به سطح دریا و سردشدن آنها به دست آمده است.
توتولو میگوید چشمههای گرمابی در شرایط واقعی اعماق اقیانوس احتمالاً بسیار کمتر از آنچه تصور میشد قلیایی هستند
به گفته توتولو، وقتی شرایط واقعی دما و فشار در اعماق اقیانوس در نظر گرفته شود، pH مایع گرمابی به pH آب اطراف نزدیکتر میشود. بنابراین، اختلاف اسیدیتهای که برای ایجاد شیب پروتونی قدرتمند لازم است ممکن است در محیط واقعی بسیار ضعیفتر از چیزی بوده باشد که در بسیاری از مدلها فرض میشود.
این نقد کاملاً تازه نیست. پژوهشگران دیگری نیز پیشتر درباره توانایی چشمههای قلیایی در ایجاد و حفظ چنین شیبهای پروتونی تردید کرده بودند، اما مقاله تازه این بحث را با اطلاعات جدیدتر درباره زمینشناسی و شیمی اقیانوسهای باستانی ترکیب میکند.
مشکل دیگری که توتولو مطرح میکند به کانیهای سولفیدی مربوط است. در بسیاری از مدلهای منشأ حیات در چشمههای گرمابی، کانیهای حاوی آهن و گوگرد نقش کاتالیزور را بازی میکنند؛ یعنی به واکنشهای شیمیایی کمک میکنند، بدون اینکه خودشان در پایان واکنش مصرف شوند. برخی مدلها حتی فرض میکنند دیوارههای نازک ساختهشده از سولفیدهای آهن و نیکل میتوانستهاند محفظههایی شبیه پیشسلول تشکیل دهند.
اما توتولو استدلال میکند که چشمههای قلیایی حاصل از سرپانتینیشدن، سنگهای میزبان آنها و اقیانوسهای بسیار قدیمی زمین احتمالاً آنقدر که چنین مدلهایی نیاز دارند، غنی از سولفید نبودهاند. درنتیجه، یکی دیگر از مواد اصلی موردنیاز این سناریو ممکن است در محیط موردنظر به اندازه کافی در دسترس نبوده باشد.
مشکل دیگری نیز وجود دارد: حتی اگر شهر گمشده محیط مناسبی برای بررسی این فرضیه باشد، نمیتوان آن را مستقیماً معادل چشمههای موجود در زمین اولیه دانست.
توتولو میگوید ساختار زمینشناسی کف اقیانوس در آن زمان متفاوت بوده است. چشمههای حاصل از سرپانتینیشدن احتمالاً گردش آب کمعمقتری در زیر کف دریا داشتند، عمر آنها کوتاهتر بود و جریان مایع گرمابی در آنها به اندازه سامانههای امروزی متمرکز نمیشد. این تفاوتها میتوانسته مدت و شدت واکنشهای شیمیایی را محدود کند؛ عاملی که برای تولید تدریجی مولکولهای پیچیده اهمیت زیادی دارد.
توتولو میگوید شهر گمشده امروزی را نمیتوان نمونه دقیقی از چشمههای گرمابی زمین اولیه دانست
به گفته توتولو، مشکل از آنجا شکل گرفته است که بخشی از فرضیههای موجود در دورهای ساخته شدند که اطلاعات ما درباره شهر گمشده و شیمی اقیانوسهای باستانی بسیار محدودتر بود.
سالها طول کشید تا دانشمندان با سفرهای متعدد دریایی، ترکیب شیمیایی واقعی این سامانهها را با جزئیات بیشتری اندازهگیری کنند. در این مدت، مدلهای نظری نیز گسترش یافتند و به گفته توتولو، بخشی از آنها از ویژگیهای واقعی این محیطها فاصله گرفتند.
توتولو محیطهای کمعمق مانند دریاچهها و حوضچههای در حال تبخیر را گزینه محتملتری برای آغاز حیات میداند. در چنین محیطهایی، تبخیر آب میتواند مواد شیمیایی رقیق را بهتدریج غلیظ کند. سطح زمین نیز امکان دسترسی به نور فرابنفش خورشید، چرخههای خشک و مرطوب و تغییرات دما را فراهم میکند؛ عواملی که در بسیاری از آزمایشهای شیمی پیشزیستی به شکلگیری مولکولهای پیچیدهتر کمک میکنند.
مطالعات آزمایشگاهی نشان دادهاند که بعضی واکنشهای مرتبط با تشکیل اجزای RNA، اسیدهای آمینه، لیپیدها و دیگر مواد اولیه حیات میتوانند در محیطهای سطحی یا حوضچههای تبخیری رخ دهند.
خود توتولو نیز پیشتر در پژوهشی درباره دریاچههای قلیایی نشان داده بود که فرایندهایی مانند تبخیر، ورود آب زیرزمینی و اختلاط آب میتوانند شرایط شیمیایی بسیار متفاوتی را در فاصلهای کوتاه ایجاد کنند. چنین تغییراتی ممکن است به انجام واکنشهایی کمک کند که هرکدام به محیط شیمیایی متفاوتی نیاز دارند.
البته این سناریو نیز بدون مشکل نیست. هنوز مشخص نیست چگونه مجموعهای از واکنشهای پیشزیستی در نهایت به سامانهای تبدیل شده است که بتوان آن را «زنده» نامید؛ سامانهای که هم اطلاعات را ذخیره و هم انرژی مصرف کند، هم مرز مشخصی داشته باشد و هم بتواند تکثیر شود.
مقاله توتولو به معنای رد قطعی فرضیه چشمههای گرمابی نیست. در سال جاری، پژوهشگران دانشگاه راتگرز در مطالعهای مروری نتیجه گرفتند که چشمههای گرمابی اعماق دریا همچنان یکی از سناریوهای مهم در پژوهش درباره منشأ حیات هستند و شواهد زیستی، شیمیایی و زمینشناسی مختلفی میتوانند از برخی نسخههای این فرضیه حمایت کنند.
مطالعات آزمایشگاهی نیز همچنان نشان میدهند که شرایط شبیه محیطهای گرمابی میتواند برخی مولکولهای آلی یا ساختارهای مرتبط با نخستین سلولها را تولید کند.
بنابراین، اختلاف اصلی بر سر این نیست که آیا چشمههای گرمابی میتوانند واکنشهای شیمیایی جالبی ایجاد کنند یا خیر؛ پرسش مهمتر این است که آیا شرایط واقعی چشمههای موجود در زمین اولیه میتوانسته تمام مراحل لازم برای پیدایش نخستین سامانههای زنده را کنار هم فراهم کند یا خیر.
مقاله توتولو دقیقاً همین فرض را زیر سؤال میبرد.
این پرسش که آیا چشمههای گرمابی میتوانند محل پیدایش حیات باشند، برای جستوجوی حیات در جهانهای دیگر هم اهمیت دارد. اقیانوسهای زیرسطحی قمرهایی مانند اروپا در مشتری و انسلادوس در زحل، احتمالاً با کف سنگی خود در تماس هستند و ممکن است چشمههای گرمابی داشته باشند. به همین دلیل، چنین محیطهایی مدتها از اهداف مهم پژوهشهای اخترزیستشناسی بودهاند.
اگر چشمههای گرمابی برای آغاز حیات مناسب نباشند، احتمال پیدایش حیات در محیطهای مشابه روی قمرهای دیگر نیز کمتر میشود
اگر چشمههای گرمابی قلیایی برای آغاز حیات روی زمین محیط چندان مناسبی نبوده باشند، وجود نمونههای مشابه آنها در جهانهای دیگر نیز لزوماً به معنای احتمال بالای پیدایش مستقل حیات نیست.
توتولو میگوید این نتیجه او را نسبت به احتمال شکلگیری حیات در نقاط دیگر جهان محتاطتر کرده است. بااینحال، سناریوی محیطهای سطحی همچنان این امکان را باز میگذارد که دریاچهها، حوضچههای تبخیری یا محیطهای مشابه بتوانند روی سیارات یا قمرهای دیگر نیز شکل بگیرند.
درحالحاضر، هیچیک از این سناریوها پاسخ نهایی مسئله منشأ حیات نیستند. مقاله تازه بیشتر از آنکه پاسخ جدیدی ارائه کند، یادآوری میکند که حتی فرضیههای قدیمی و محبوب نیز باید با دادههای تازه زمینشناسی و شیمیایی دوباره آزموده شوند.
مقاله «بازاندیشی درباره منشأ حیات در چشمههای گرمابی کف دریا» نوشته بنیامین توتولو، در ژورنال PNAS منتشر شده است.