یک چرخه شیمیایی عجیب شاید توضیح دهد مواد اولیه حیات چگونه روی زمین دوام آوردند

سنگ‌های فضایی مانند سیارک بنو حاوی مواد اولیه مهم ژنتیکی، از جمله قندها هستند. این اجرام با برخوردهای پرانرژی خود، منابع تازه‌ای از مواد مناسب برای شکل‌گیری حیات را به زمین اولیه رساندند.

ریبوز یکی از قندهای ضروری برای حیات به شمار می‌رود که احتمالاً بخشی از آن پیش از آغاز تولید این ماده از طریق فرایندهای زمینی، از فضا به زمین رسیده است.

ریبوز همان بخش R در مولکول RNA یا اسید ریبونوکلئیک است و ستون اصلی ساختار آن را تشکیل می‌دهد. شکل اصلاح‌شده این قند نیز در ساختار اسکلتی DNA یا اسید دئوکسی‌ریبونوکلئیک نقش دارد.

اگرچه DNA شهرت بیشتری دارد، RNA وظایف مهمی را در سلول‌ها بر عهده می‌گیرد. DNA در هسته سلول‌ها نگهداری می‌شود، اما RNA تک‌رشته‌ای اطلاعات ژنتیکی را به بخش‌های مختلف سلول منتقل می‌کند، در ساخت پروتئین‌ها نقش دارد و فعالیت ژن‌ها را تنظیم می‌کند.

مشکل اینجاست که ریبوز ماده‌ای ناپایدار به شمار می‌رود. این قند مانند شکر معمولی در اثر گرما و عوامل دیگر تجزیه می‌شود و احتمال دارد به ماده‌ای قیرمانند و قهوه‌ای تبدیل شود؛ چیزی شبیه کاراملی که نه خوشمزه است و نه برای فرایندهای زیستی اولیه مناسب به نظر می‌رسد.

این مسئله برای دانشمندان اهمیت زیادی دارد، زیرا بدن انسان نیز از مواد گوناگونی تشکیل شده که ماهیتی ژل‌مانند یا لزج دارند. با این حال، پژوهشگران علوم زیستی اکنون از کشفی احتمالی خبر داده‌اند که می‌تواند بخشی از معمای ژئوشیمیایی تبدیل مواد شیمیایی به سامانه‌های زیستی و پیدایش حیات از محیط‌های اولیه زمین را روشن کند.

بر اساس مطالعه‌ای جدید که در مجله Scientific Reports منتشر شده، اخترزیست‌شناسان و شیمی‌دانان دانشگاه نیو ساوت ولز در استرالیا دریافتند که عنصر بور، در صورت وجود شرایط مناسب، ممکن است از ریبوز باستانی در برابر تبدیل شدن به ماده‌ای قیرمانند محافظت کرده باشد. نکته جالب اینجاست که خود ریبوز نیز می‌تواند به حفظ بور محلول در محیط کمک کند.

نقش بور در حفظ ریبوز و شکل‌گیری حیات

بور یک شبه‌فلز است که ترکیبات آن می‌توانند با ریبوز پیوند برقرار کنند و ساختارهای کمپلکسی تشکیل دهند. این برهم‌کنش احتمالاً به حفظ پایداری ریبوز در محیط‌های اولیه زمین کمک کرده. ترکیبات بور همچنین نشانه‌هایی از وجود آب در مریخ باستانی را در اختیار دانشمندان قرار داده‌اند؛ آبی که احتمالاً مدت‌ها پیش تبخیر شده است.

با این حال، دسترسی به بور محلول نیز محدودیت‌هایی دارد. عناصری مانند کلسیم می‌توانند بور را از آب خارج کنند و در ساختار سنگ‌های نامحلول به دام بیندازند. در چنین شرایطی، بور دیگر به‌آسانی در دسترس فرایندهای شیمیایی مرتبط با پیدایش حیات قرار نمی‌گیرد.

در دو دهه گذشته، پژوهش‌های متعددی به بررسی شیوه‌های مختلف تعامل میان ریبوز و بور پرداخته‌اند. با این حال، پژوهشگران این مطالعه تأکید کردند که برخی آزمایش‌های قبلی ممکن است شرایط واقعی زمین اولیه را به‌درستی بازنمایی نکرده باشند.

به همین دلیل، گروه تحقیقاتی علاوه بر بوراکس آزمایشگاهی استاندارد، از چند کانی طبیعی حاوی بور نیز استفاده کرد. این کانی‌ها شامل کرنیت، کولمانیت و اولکسیت بودند که در ترکیب خود سدیم، کلسیم یا هر دو را دارند. هدف از این آزمایش‌ها بررسی میزان حل شدن بور در آب بر اساس نوع کانی اولیه بود.

آزمایش‌ها در دو وضعیت انجام شدند: در حالت نخست، ریبوز به نمونه‌ها اضافه نشد تا نقش شرایط پایه مشخص شود؛ در حالت دوم، ریبوز نیز به ترکیب آزمایشی افزوده شد تا تأثیر آن بر رفتار بور بررسی شود.

نتایج نشان داد که حضور ریبوز، تعامل میان بور و کلسیم را به شکل مهمی تغییر می‌دهد. کلسیم می‌تواند بور را در سنگ‌های مقاوم و نامحلول محبوس کند، اما اضافه شدن ریبوز این وضعیت را تغییر می‌دهد و به حل شدن بور در آب کمک می‌کند.

در هر چهار کانی مورد استفاده، ریبوز توانست بخشی از بور را از ساختار سنگی خارج کرده و وارد آب کند. این اثر در کانی‌های حاوی کلسیم چشمگیرتر بود. بنابراین، ریبوز نه‌تنها از بور بهره می‌برد، بلکه می‌تواند دسترسی به این عنصر را نیز افزایش دهد.

آزمایش با نمونه طبیعی از زمین

پژوهشگران برای بررسی شرایطی نزدیک‌تر به محیط‌های طبیعی زمین اولیه، آزمایش دیگری نیز انجام دادند. آن‌ها قطعه‌ای از پوسته متخلخل و حاصل از تبخیر را از سامانه گرمابی پوگا در منطقه لاداخ هند جمع‌آوری کردند. این نمونه به‌عنوان الگویی طبیعی برای بررسی واکنش‌های شیمیایی احتمالی در زمین باستانی به کار رفت.

هنگامی که نمونه را بدون افزودن ریبوز در آب قرار دادند، مقدار مشخصی بور آزاد شد. اما پس از اضافه کردن ریبوز، میزان بور واردشده به آب حدود ۶۰ درصد افزایش یافت. این نتیجه نشان داد که ریبوز حتی در نمونه‌های طبیعی و پیچیده نیز می‌تواند به آزاد شدن بور کمک کند.

در مرحله بعد، گروه پژوهشی بررسی کرد که آیا ریبوز تجزیه‌شده نیز می‌تواند حلالیت بور را افزایش دهد یا خیر. آن‌ها ریبوز را با استفاده از گرما و شرایط قلیایی به ماده‌ای شبیه کارامل تبدیل کردند و سپس تأثیر آن را بر حل شدن بور سنجیدند.

نتایج نشان داد که ریبوز تجزیه‌شده فقط افزایش اندکی در مقدار مطلق بور محلول ایجاد می‌کند. اگرچه افزودن ریبوز کاراملی‌شده میزان بور محلول حاصل از کانی کولمانیت را حدود ۵۰ درصد افزایش داد، این اثر در مقایسه با ریبوز تازه بسیار کمتر بود. ریبوز تازه در آزمایش مربوط به همین کانی، حدود ۳٫۵ برابر بور بیشتری را وارد محلول کرد.

پژوهشگران در ادامه، دو قند دیگر یعنی ساکارز و گلوکز را نیز آزمایش کردند. هر دو ماده توانستند حلالیت بور را افزایش دهند، اما تأثیر آن‌ها به اندازه ریبوز نبود. احتمال می‌رود دلیل این تفاوت، ساختار هندسی مولکول ریبوز باشد که برای تشکیل کمپلکس‌های پایدار با بور تناسب بیشتری دارد.

حلقه شیمیایی احتمالی در آغاز حیات

یافته‌های این مطالعه از شکل‌گیری یک چرخه شیمیایی جالب حکایت دارند: ریبوز به آزاد شدن بور از سنگ‌ها کمک می‌کند و از آن محافظت می‌شود؛ در مقابل، بور نیز به حفظ ریبوز کمک می‌کند. در نتیجه، افزایش ریبوز می‌تواند مقدار بور محلول را بالا ببرد و بور بیشتر نیز ممکن است به بقای ریبوز بیشتری منجر شود.

چنین چرخه‌ای می‌توانسته شرایط لازم برای شکل‌گیری مراحل اولیه حیات را فراهم کند و زمینه را برای فرضیه جهان RNA مهیا سازد. بر اساس این فرضیه، RNA ممکن است پیش از شکل‌گیری سامانه‌های زیستی امروزی، نقش محوری در ذخیره اطلاعات و انجام واکنش‌های شیمیایی داشته باشد. در نهایت، همین فرایندهای اولیه می‌توانسته‌اند در مسیر پیدایش حیات و موجوداتی مانند انسان نقش داشته باشند.

با این حال، پژوهشگران به نکته مهم دیگری نیز اشاره کردند: ترکیبات بور همیشه برای ریبوز مفید نیستند. این ترکیبات می‌توانند ریبوز موجود را پایدار نگه دارند، اما اگر مقدار بور بیش از حد افزایش یابد، ممکن است از تشکیل ریبوز در وهله نخست جلوگیری کند.

در این شرایط، کلسیم که در نگاه اول مانعی برای دسترسی به بور به نظر می‌رسد، ممکن است نقشی مفید نیز داشته باشد. احتمال دارد کلسیم با محدود کردن میزان بور محلول، شرایط مناسب‌تری برای تشکیل ریبوز فراهم کرده باشد. پس از تولید ریبوز کافی، چرخه شیمیایی یادشده نیز می‌توانسته به حفظ این قند و افزایش دسترسی به بور کمک کند.

تغییرات اسیدیته یا pH نیز ممکن است در این فرایند نقش داشته باشند. در سامانه‌های چشمه‌های آب گرم، تغییرات pH نسبتاً رایج است و چنین تغییراتی می‌توانسته‌اند باعث جدا شدن ریبوز از بور و آزاد شدن آن برای شرکت در واکنش‌های شیمیایی دیگر شوند؛ واکنش‌هایی که شاید در مسیر شکل‌گیری حیات اهمیت داشته‌اند.

این پژوهش همچنین بر اهمیت استفاده از نمونه‌های معدنی طبیعی در تحقیقات مربوط به منشأ حیات تأکید می‌کند. اگرچه مواد مصنوعی و خالص امکان کنترل بهتر آزمایش‌ها و کاهش پیچیدگی‌های تجربی را فراهم می‌کنند، نمونه‌های طبیعی می‌توانند تصویری واقع‌بینانه‌تر از شرایط پیچیده زمین اولیه ارائه دهند.

در نهایت، این یافته‌ها یادآور دیدگاه مشهور کارل سیگن هستند که انسان‌ها را از جنس مواد تشکیل‌دهنده ستارگان می‌دانست. در این مورد، قندهای فضایی نیز ممکن است بخشی از داستان پیدایش حیات روی زمین باشند.

البته مصرف بیش از اندازه قند در دنیای امروز می‌تواند پیامدهای منفی متعددی برای سلامتی داشته باشد، اما شاید برخی از همین مولکول‌های قندی در گذشته نقشی اساسی در فراهم کردن شرایط لازم برای پیدایش حیات ایفا کرده باشند. پژوهش حاضر در مجله Scientific Reports منتشر شده است.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.