بدنبال پست قبلی درخصوص ظهور و تولید اکسیژن در اتمسفر کره زمین، اکنون به چگونگی تکامل موجودات زنده با رویکرد شروع تولید اکسیژن بر روی کره زمین خواهم پرداخت. در اینجا قصد آن ندارم که به نظریه (و نه اصل یا قانون) داروین درخصوص تکامل انسان بپردازم چرا که خود، مثنوی صد من کاغذ خواهد بود و موافقان و مخالفان خود را دارد (البته از نظر بنده فقط در حد همان یک نظریه است).
دانشمندان مراحل تکاملی موجودات زنده را به 2 مرحله تقسیم می کنند: 1) تکامل شیمیایی (chemical evolution) و 2) تکامل بیولوژیک (Biologic evolution)
در دوران پیش زیستی (Prebiotic times) یعنی حدود 4/6 میلیارد سال پیش، پیش از پیدایش حیات بر روی کره زمین، اتمسفر کره زمین فاقد اکسیژن مولکولی بوده است و مانند اتمسفر کنونی سیاراتی مانند مشتری (Jupiter) و زحل (Saturn) بمقدار زیادی حاوی هیدروژن، نیتروژن، آمونیاک، متان، مونوکسید کربن و دی اکسید کربن بوده است. آب بصورت بخار و مایع، بخشهایی از سطح کره زمین را پوشانده بوده است. گرچه این مولکولها بطور طبیعی با هم واکنش نمی دهند اما می توانسته اند بدلیل انرژی فراهم شده توسط اشعه ماوراءبنفش، گرما و تخلیه الکتریکی (رعد و برق) با هم واکنش داده باشند. در آن زمان اتمسفر کره زمین فاقد لایه محافظ ازون که بعنوان یک فیلتر عمل می کند نیز بوده است. بنابراین اشعه ماوراء بنفش می توانسته به سطح کره زمین با شدتی که برای حیات کنونی حیوانات کشنده است بتابد. این باعث ایجاد مولکولهای حد واسط بسیار واکنش دهنده مانند استالدهاید، سیانید هیدروژن، فرمالدهاید و غیره شده است که از آنها محصولات نهایی مانند اسید استیک بعنوان یک اسید چرب ساده یا آلانین بعنوان یک اسید آمینه می توانسته اند ساخته شوند.
تا سال 1920 پروفسور اپارین (Oparin) در روسیه و پروفسور هالدین (Haldane) در انگلستان فرض کردند که این مولکولها با پلیمریزاسیون می توانسته اند منشاء پروتئینها، اسیدهای نوکلئیک و کربوهیدراتها که در موجودات زنده یافت می شوند، بوده باشند. در سال 1953 پروفسور استنلی میلر (Stanley Miller) با شبیه سازی شرایط اتمسفر دوران پیش زیستی، یک آزمایش بنیادین انجام داد. او در فلاسکی که به آن بخار آب، هیدروژن، متان و آمونیاک تزریق شده بود، تخلیه الکتریکی ایجاد کرد. او دریافت که در آب متراکم شده، چندین اسید آمینه مانند گلایسین، آلانین، گلوتامیک اسید و آسپارتیک اسید تشکیل شده اند. تا کنون 17 اسید آمینه (از 20 اسید آمینه موجود در پروتئینها) در آزمایشاتی که شرایط پیش زیستی را شبیه سازی کرده اند بدست آمده اند. ترکیبات دیگری که تشکیل شده اند عبارتند از: قندها، اسیدهای چرب و بازهای نیتروژن دار آلی که بخشی از اسیدهای نوکلئیک را تشکیل می دهند. برای مثال آدنین که در DNA، RNA، و ATP وجود دارد بمقدار زیاد تولید شده است.
می توانیم حدس بزنیم که مرحله بعدی تکاملی، یعنی تکامل زیستی (Biological evolution) احتمالا" پلیمریزاسیون اسیدهای آمینه جهت تشکیل پروتئینها بوده است. این فرآیند می توانسته با عمل کاتالیتیک خاکهای رس (Clays) شروع شده باشد. همه فرآیندهای تکاملی پیش زیستی بعدی احتمالا" در یک محیط آبی (یعنی حوضچه ها) که در آنها مولکولهای آلی تغلیظ می شدند و تشکیل نوعی سوپ بدوی بنیادین (Primordial soup) می دهند که در آن برهم کنش مولکولی تسهیل می شده است صورت می گرفته است. وقتی که اولین پروتئین تشکیل شد، مکانیسم های خود آرایی (Self-assembly) می توانسته اند به اجراء در بیایند. ترتیب اولیه اسیدهای آمینه، منجر به ساختمان دوم، سوم و با تشکیل الیگومرها حتی ساختمان چهارم می شد. در این مسیر، فعالیت آنزیمی می توانسته ایجاد بشود. در سوپ بدوی، ماکرومولکولها احتمالا" کمپلکسهای بزرگتری بنام کوآسرواتها (Coacervates) یا قطرات پروتئینوئیدی (Proteinoid droplets) را تشکیل دادند که سطح خارجی شبه غشایی (membrane-like outer surface) و درون سیال (Interior fluid) داشته اند.
پروتئینوئیدهای اولیه (Primitive proteinoids) می توانسته اند فعالیتها آنزیماتیک و انتقال دهنده (Enzymatic and transport activities) مانند غشاهای مصنوعی داشته باشند. این پروتئینوئیدها بدون اسیدهای نوکلئیک بعنوان مولکولهای اطلاعاتی (Informational molecules) نمی توانسته اند تداوم (Continuity) ژنتیکی داشته باشند. بنابراین ممکن است آزمون و خطای بسیاری اتفاق افتاده باشد که منجر به ساختارهایی با عمر کوتاه (Short-lived structures) شده باشد.
فقط بعد از شروع کد ژنتیکی که توسط ترتیب بازهای آلی نیتروژن دار در اسیدهای نوکلئیک تعیین می شود، یک موجود خودزا (Self-perpetuating organism) می توانسته ایجاد شود که قوانین انتخاب طبیعی (Natural selection) بر روی آن شروع به اجراء شده باشد. در این نقطه، اولین پروکاریوت (Prokaryote) با حداقل جرم حیاتی (minimum living mass) ایجاد شده و حیات بر روی کره زمین آغاز شده است.
بنظر می رسد که RNA و نه DNA ماده ژنتیکی بدوی بوده است بطوری که از نقطه نظر ترتیب زمانی (Chronological viewpoint)، ماکرومولکولها به شکل زیر ایجاد شده اند:
RNA→Protein
RNA→DNA
شروع با RNA آسانتر است چرا که می تواند بصورت mRNA کد هر دو ماده (پروتئین و DNA) باشد. همانند سازی RNA از DNA آسانتر است چون در همانند سازی DNA آنزیمهای بسیاری دخالت دارند. نوترکیبی (Recombination) نیز در RNA ساده تر است و شاید مکانیسهای برش-اتصال (Splicing) کنونی RNA بازتاب آنچیزی که بعنوان مد ابتدائی نوترکیبی ژنتیکی شروع شد باشد. بسیاری از کوفاکتورهای مهم در واکنشهای بیوشیمیائی مثل NAD (nicotinamide-adenine dinucleotide) و UDPG (Uridine diphosphate glucose) که یک دهنده مولکول قند می باشد) متصل به نوکلئوتایدها هستند و ممکن است اکنون فسیلهای بیوشیمیائی (Biochemical fossils) زمانی باشند که واکنشهای شیمیائی توسط مولکولهایی به هم جفت شده بودند که ساختمان آنها مانند مدل واتسون-کریک، مکمل یکدیگر بوده است. این واقعیت که برخی از مولکولهای RNA دارای فعالیت آنزیماتیک هستند پیشنهاد می کند که شاید پروتئینها در ابتدا اصلا" لازم نبودند. اگر در خلال تکامل اولیه، آنزیمهای RNA ای که ریبوزیم (Ribozymes) نیز نامیده می شوند، قادر به همانند سازی RNA بودند، در آن صورت نیازی به وجود مولکولهای پروتئینی در شروع حیات نبوده است. امروزه اینترونها (Introns) می توانند خودشان را جدا کنند (Self-splicing). اگر این مرحله، برگشت پذیر می بود، آنگاه ساختار intron/exon ممکن است راهی برای نوترکیبی قطعات RNA در نسخه پیش زیستی جنس (Sex) بوده باشد. اگر RNA می توانست همانند سازی خود را کاتالیز بکند، آنگاه برش-اتصال برخی از مولکولهای دختری می توانستند باعث فعالیتهای ریبوزیمی جدید بشوند. با استفاده از کوفاکتورهای RNA مانند NAD، آنگاه طیف کاملی از فعالیتهای آنزیمی ایجاد می شده است. فقط با ظهور یک کد ژنتیکی ابتدائی، اولین آنزیمهای پروتئینی ساخته می شدند که از مشابهین RNA ای خود بسیار بهتر ظاهر می شدند و نهایتا" بر آنها غالب می شدند. و در نهایت، DNA بعنوان یک مولکول ذخیره اطلاعاتی پایدار در صحنه ظاهر می شود که بدلیل داشتن ساختمان دو رشته ای، یک مولکول تصحیح کننده خطا (Error-correcting) می باشد اما هنوز قادر به نوترکیبی و جهش (Mutation) می باشد. در این نقطه، RNA به جایگاه حد واسط خود که امروزه دارد برگشت. والتر گیلبرت (Walter Gilber) در سال 1986 پیشنهاد کرد که ساختمان اینترون/اگزون ژنها که امروزه شاهد آن هستیم، یادگاری از مکانیسم اولیه نوترکیبی RNA است که بعد از اینکه RNA مرکزیت خود را در تکامل اولیه از دست داد، در DNA بصورت حک شده باقی ماند.
یک مرحله بنیادین و اساسی زمانی اتفاق افتاد که aminoacyl-tRNA های اختصاصی ظاهر شدند و اجازه دادند تا ترتیب منظمی از اسیدهای آمینه در سنتز پروتئین ایجاد شود. این اتفاق منجر به طراحی و ساخت دقیق یک کد ژنتیکی (هر 3 نوکلئوتاید که یک اسید آمینه بخصوص را مشخص می کند) شد. همینکه کد بوجود آمد و تشکیل شد، تثبیت شد چرا که هر تغییری در آن بطور همزمان منجر به جهش در پروتئین های بسیاری می شد که اثرات کشنده ای داشت. همه موجودات زنده کد ژنتیکی یکسانی دارند یعنی از ترتیب قرارگیری هر 3 نوکلئوتاید (یک تریپلت: Triplet) اسید آمینه بخصوصی ایجاد می شود (البته برخی تریپلت ها بیش از یک اسید آمینه را کد می کنند). البته این گفته که یک کد ژنتیکی واحد وجود دارد کاملا" صحیح نیست چرا که DNA میتوکندریایی انسان کد کمی متفاوت دارد. مثلا" تریپلت UGA که در اکثر پروکاریوتها و یوکاریوتها بمعنی پایان رونویسی است، در میتوکندری انسان اسید آمینه تریپتوفان را کد می کند. یا تریپلت AUA که در اکثر پروکاریوتها و یوکاریوتها بمعنی اسید آمینه ایزولوسین است، در میتوکندری انسان اسید آمینه متیونین را کد می کند. یا تریپلت های AGA و AGG که در پروکاریوتها و یوکاریوتها بمعنی اسید آمینه آرژینین است، در میتوکندری انسان بمعنی پایان رونویسی است. همین تفاوت کد ژنتیکی بین اکثر پروکاریوتها و یوکاریوتها و کد ژنتیکی میتوکندری های مخمر، کپک نوروسپورا و گیاهان نیز دیده می شود.
نیروهای تکاملی انتخاب کننده جهشهای سازنده (favorable mutations) (البته از نظر بنده، نیروی اراده خداوندی) در این سلولهای ابتدایی، متعاقبا" منجر به تنوع تقریبا" نامحدودی از اشکال حیات بر روی کره زمین شدند.
امکان دارد که اولین پروکاریوت ها (سلولهای فاقد هسته و دارای ماده ژنتیکی شناور در سیتوپلاسم)، هتروتروف و بی هوازی بوده باشند (پیدایش حدود 3-3/5 میلیارد سال پیش). یعنی از مولکولهای آلی تغذیه می کرده اند و نیاز به اکسیژن نداشته اند چرا که اکسیژن در اتمسفر هوای آن زمان وجود نداشته است. بعدا"، پروکاریوتهای اتوتروف مثل جلبکهای سبز-آبی که دارای رنگدانه های فوتوسنتتیک بوده اند ظاهر شدند. بدلیل فوتوسنتز، اکسیژن در اتمسفر زمین پدیدار گشت و در آن انباشته شد و اجازه تشکیل سلولهای پروکاریوتیک هوازی را داد.
فقط بعد از ظهور پروکاریوتهای اتوتروف بود که سلول یوکاریوتیک (سلولی دارای هسته مشخص که ماده ژنتیکی را احاطه کرده است) منشاء گرفت. از آثار فسیلی بجا مانده، تخمین زده می شود که موجودات یوکاریوتیک حدود 1/4 تا 1/5 میلیارد سال پیش بر روی کره زمین ظاهر شده اند. یک اتمسفر اکسیژن پایدار بمدت طولانی برقرار شد و بعد از آن، موجودات توانستند هوازی بشوند. تا آن زمان، حیات همیشه در آب وجود داشت و فقط بعد از آن بود که گیاهان و جانوران بر روی زمین، جمعیت تشکیل دادند. پیدایش جنس (Sex)- یعنی تبادل اطلاعات ژنتیکی بین افراد- حدود 2 میلیارد سال پیش، تکامل اشکال حیات را که تا آن زمان کند بود، تسریع کرد. جنس، توسط جهش و انتخاب، تعداد زیادی اشکال حیاتی مختلف کنونی بر روی زمین را امکان پذیر کرد.
تقدیم با عشق به همه سالکان راه علم و دانش و حق و حقیقت
و السلام علی من اتبع الهدی