التكاثر: النظريات الرئيسية

يشير التكوُّن الذاتي إلى سلسلة العمليات والخطوات التي نشأت الأشكال الأولى للحياة على الأرض ، بدءًا من كتل مونومر خاملة ، والتي تمكنت مع مرور الوقت من زيادة تعقيدها. في ضوء هذه النظرية ، نشأت الحياة من جزيئات غير حية ، في ظل الظروف المناسبة.

من المحتمل أنه بعد أن ينتج التكوُّن النسيجي أنظمة حياة بسيطة ، فإن التطور البيولوجي سيعمل على توليد جميع أشكال الحياة المعقدة الموجودة اليوم.

يعتقد بعض الباحثين أن عمليات التولد الأحيائي كان يجب أن تحدث مرة واحدة على الأقل في تاريخ الأرض لتؤدي إلى كائن افتراضي افتراضي LUCA أو آخر سلف عالمي مشترك (الاسم المختصر باللغة الإنجليزية ، آخر سلف مشترك عالمي ) ، حوالي 4 مليارات سنوات.

يقترح أن تحتوي LUCA على كود وراثي يعتمد على جزيء الحمض النووي DNA DNA ، الذي يتم ترميز قواعده الأربعة في ثلاثة توائم ، لتدوين الأنواع العشرين من الأحماض الأمينية التي تشكل بروتينات. الباحثون الذين يحاولون فهم أصل الحياة يدرسون عمليات التكاثر الذاتي التي أدت إلى LUCA.

لقد تم طرح إجابة على هذا السؤال على نطاق واسع وغالبًا ما يتم تغطيتها بضباب من الغموض وعدم اليقين. لهذا السبب ، اقترح مئات من علماء الأحياء سلسلة من النظريات التي تنطوي على ظهور حساء بدائي إلى تفسيرات تتعلق بعلم الأحياء وعلم الأحياء الفلكي.

ماذا تتكون؟

تعتمد نظرية التكوُّن الذاتي على عملية كيميائية نشأت من خلالها أبسط أشكال الحياة من سلائف لا حياة لها.

من المفترض أن عملية التكاثر حدثت بشكل مستمر ، على عكس وجهة نظر الظهور فجأة في حدث الحظ. وهكذا ، تفترض هذه النظرية وجود سلسلة متصلة بين المادة غير الحية والنظم الحية الأولى.

وبالمثل ، تم اقتراح سلسلة من السيناريوهات المتنوعة حيث يمكن أن تبدأ بداية الحياة من الجزيئات غير العضوية. عموما هذه البيئات متطرفة ومختلفة عن الظروف الحالية للأرض.

عادة ما يتم استنساخ هذه الحالات المفترضة للجراثيم في المختبر لمحاولة توليد جزيئات عضوية ، مثل تجربة ميلر وأوري الشهيرة.

أصل الحياة: النظريات

كان أصل الحياة أحد أكثر الموضوعات إثارة للجدل من قبل العلماء والفلاسفة منذ زمن أرسطو. وفقًا لهذا المفكر المهم ، يمكن أن تتحول المادة المتحللة إلى حيوانات بها حياة بفضل الفعل الطبيعي للطبيعة.

يمكن تلخيص التكوُّن الذاتي في ضوء الفكر الأرسطي في عبارة " omne vivum ex vivo " الشهيرة التي تعني "الحياة كلها تأتي من الحياة".

بعد ذلك ، حاول عدد كبير من النماذج والنظريات والتكهنات توضيح الظروف والعمليات التي أدت إلى أصل الحياة.

فيما يلي وصف لأبرز النظريات ، سواء من الناحية التاريخية أو العلمية ، التي سعت إلى شرح أصل الأنظمة الحية الأولى:

نظرية التوليد التلقائي

في بداية القرن السابع عشر ، افترض أن أشكال الحياة يمكن أن تنشأ من عناصر هامدة. تم قبول نظرية التوليد التلقائي على نطاق واسع من قبل المفكرين في ذلك الوقت حيث حظيت بدعم الكنيسة الكاثوليكية. وهكذا ، يمكن أن الكائنات الحية تنبت كل من والديهم والمواد غير الحية.

من أشهر الأمثلة المستخدمة لدعم هذه النظرية ظهور الديدان والحشرات الأخرى في الجسد المتحلل ، والضفادع التي ظهرت من الوحل والفئران التي انبثقت من الملابس والعرق القذر.

في الواقع ، كانت هناك وصفات وعدت بإنشاء حيوانات حية. على سبيل المثال ، من أجل تكوين فئران من مواد غير حية ، كان من الضروري دمج حبيبات القمح مع الملابس القذرة في بيئة مظلمة ومع مرور الأيام تظهر القوارض الحية.

جادل المدافعون عن هذا المزيج بأن العرق البشري في الملابس وتخمير القمح كانت العوامل التي وجهت تشكيل الحياة.

دحض الجيل العفوي

في القرن السابع عشر بدأ يلاحظ وجود عيوب وثغرات في بيانات نظرية التوليد التلقائي. لم يكن حتى عام 1668 حيث ابتكر الفيزيائي الإيطالي فرانشيسكو ريدي تصميمًا تجريبيًا كافياً لرفضه.

في تجاربه الخاضعة للرقابة ، وضع ريدي شرائح لحم ناعمة ملفوفة في الشاش في حاويات معقمة. تمت تغطية هذه الجرار بالشاش بشكل صحيح ، لذلك لا يمكن لأي شيء أن يتلامس مع اللحم. بالإضافة إلى ذلك ، تم حساب التجربة بسلسلة أخرى من الزجاجات التي لم تتم تغطيتها.

مع مرور الأيام ، شوهدت الديدان فقط في الجرار التي تم اكتشافها ، لأن الذباب يمكن أن يدخل ويودع البيض بحرية. في حالة الجرار المغطاة ، تم وضع البيض مباشرة على الشاش.

بنفس الطريقة ، طور الباحث Lazzaro Spallanzani سلسلة من التجارب لرفض مباني الجيل التلقائي. لهذا ، قام بتطوير سلسلة من المرق التي تعرض لها الغليان لفترات طويلة لتدمير أي الكائنات الحية الدقيقة التي ستعيش هناك.

ومع ذلك ، ادعى أنصار الجيل العفوي أن كمية الحرارة التي تعرضت لها المرق كانت مفرطة ودمرت "القوة الحيوية".

مساهمات من باستور

في وقت لاحق ، في عام 1864 ، انطلق عالم الأحياء والكيميائي الفرنسي لويس باستور لوضع حد لمسلمات التوليد التلقائي.

لتحقيق هذا الهدف ، صنع باستور عبوات زجاجية تُعرف باسم "رقاب البجعة" لأنها كانت طويلة ومنحنية عند الأطراف ، مما يمنع دخول أي الكائنات الحية الدقيقة.

في هذه الحاويات غلى باستور سلسلة من المرق التي بقيت معقمة. عندما تحطمت رقبة أحدهم ، أصبحت ملوثة وانتشرت الكائنات الحية الدقيقة في وقت قصير.

كانت الأدلة التي قدمها باستور غير قابلة للدحض ، حيث نجحت في هدم النظرية التي استمرت لأكثر من 2500 عام.

التبزر الشامل

في أوائل القرن العشرين ، كتب الكيميائي السويدي سفانتي أرينيوس كتابًا بعنوان " خلق العالمين " اقترح فيه أن الحياة جاءت من الفضاء عبر جراثيم مقاومة للظروف القاسية.

من الناحية المنطقية ، كانت نظرية البنسبروم محاطة بالكثير من الجدل ، بالإضافة إلى أنها لم تسهم حقًا في شرح أصل الحياة.

نظرية التركيب الكيميائي

عند دراسة تجارب باستور ، أحد الاستنتاجات غير المباشرة لأدلةه هي أن الكائنات الحية الدقيقة تتطور فقط من تجارب أخرى ، أي أن الحياة لا يمكن أن تأتي إلا من الحياة. هذه الظاهرة كانت تسمى "التولد الحيوي".

باتباع هذا المنظور ، سوف تظهر نظريات التطور الكيميائي ، بقيادة الكسندر أوبارين الروسي والإنجليزي جون دي إس هالدين.

تقترح هذه الرؤية ، التي تسمى أيضًا نظرية التخليق الكيميائي لأوبارين هالدين ، أن الأرض في بيئة ما قبل الجراثيم تمتلك جوًا ينقصه الأكسجين وغني بخار الماء والميثان والأمونيا وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين ، لذا فقد تقلص إلى حد كبير.

في هذه البيئة كانت هناك قوى مختلفة مثل التفريغ الكهربائي والإشعاع الشمسي والنشاط الإشعاعي. عملت هذه القوى على مركبات غير عضوية ، مما أدى إلى ظهور جزيئات أكبر ، مما أدى إلى تكوين جزيئات عضوية تعرف باسم المركبات قبل التكوين الحيوي.

تجربة ميلر وأوري

في منتصف الخمسينيات ، تمكن الباحثان ستانلي إل. ميلر وهارولد سي أوري من إنشاء نظام مبتكر لمحاكاة ظروف الأجداد المفترضة للغلاف الجوي على الأرض وفقًا لنظرية أوبارين هالدين.

أثبت ستانلي وأوري أنه في ظل هذه الظروف "البدائية" ، يمكن للمركبات غير العضوية البسيطة أن تنشأ جزيئات عضوية معقدة لا غنى عنها للحياة ، مثل الأحماض الأمينية والأحماض الدهنية واليوريا وغيرها.

تشكيل البوليمر

على الرغم من أن التجارب المذكورة سابقًا تشير إلى طريقة معقولة من خلالها نشأت الجزيئات الحيوية التي تشكل جزءًا من النظم الحية ، إلا أنها لا تقترح أي تفسير لعملية البلمرة وزيادة التعقيد.

هناك العديد من النماذج التي تحاول توضيح هذا السؤال. الأول ينطوي على الأسطح المعدنية الصلبة ، حيث يمكن أن تعمل مساحة السطح المرتفعة والسيليكات كعوامل حفاز لجزيئات الكربون.

في أعماق المحيط ، تعتبر الفتحات الحرارية المائية مصدرًا مناسبًا للعوامل الحفازة ، مثل الحديد والنيكل. وفقًا للتجارب في المختبرات ، تشارك هذه المعادن في تفاعلات البلمرة.

أخيرًا ، توجد في أحواض المحيطات أحواض ساخنة ، والتي من خلال عمليات التبخر يمكن أن تفضل تركيز المونومرات ، مما يعزز تكوين جزيئات أكثر تعقيدًا. في هذا الافتراض ، تستند فرضية "الحساء البدائي".

التوفيق بين نتائج ميلر وباستير

وفقًا لترتيب الفكرة الذي تمت مناقشته في الأقسام السابقة ، وجدنا أن تجارب باستور أثبتت أن الحياة لا تنشأ عن المواد الخاملة ، في حين يشير دليل ميلر وأوري إلى حدوثها ، ولكن على المستوى الجزيئي.

من أجل التوفيق بين كلتا النتيجتين ، من الضروري أن نأخذ في الاعتبار أن تكوين الغلاف الجوي للأرض اليوم مختلف تمامًا عن الغلاف الجوي قبل التكوين الحيوي.

الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي الحالي سيعمل "كمدمر" للجزيئات في التكوين. يجب أن نفكر أيضًا في أن مصادر الطاقة التي من المفترض أنها شجعت على تكوين جزيئات عضوية لم تعد موجودة مع تواتر وشدة البيئة قبل التكوين الحيوي.

تتألف جميع أشكال الحياة الموجودة على الأرض من مجموعة من الكتل الهيكلية الكبيرة والجزيئات الحيوية ، التي تسمى البروتينات والأحماض النووية والدهون. معهم يمكنك "بناء" أساس الحياة الحالية: الخلايا.

في الزنزانة ، تُديم الحياة ، وبناءً على هذا المبدأ ، يبني باستور نفسه للتأكيد على أن كل كائن حي يجب أن يأتي من كائن آخر موجود مسبقًا.

الحمض النووي الريبي العالم

دور التحفيز الذاتي أثناء التخليق الحيوي أمر بالغ الأهمية ، وهذا هو السبب في أن أحد أكثر الفرضيات شهرة حول أصل الحياة هو افتراض عالم الحمض النووي الريبي ، الذي يفترض بداية من جزيئات السلسلة البسيطة ذات القدرة على التكاثر الذاتي.

تشير فكرة الحمض النووي الريبي (RNA) إلى أن المحفزات الحيوية الأولى لم تكن جزيئات ذات طبيعة بروتينية ، لكن جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) - أو بوليمر مشابه لهذا الجزيء - لديها القدرة على إجراء الحفز الكيميائي.

يعتمد هذا الافتراض على خاصية الحمض النووي الريبي (RNA) في تجميع الأجزاء القصيرة باستخدام هدأ يوجه العملية ، بالإضافة إلى تشجيع تكوين الببتيدات والإسترات والسندات الجليكوسيدية.

وفقا لهذه النظرية ، ارتبط الحمض النووي الريبي السلفي ببعض العوامل المساعدة مثل المعادن والبيريميدين والأحماض الأمينية. مع تقدم وزيادة التعقيد في عملية التمثيل الغذائي ، تنشأ القدرة على تصنيع الببتيدات.

في سياق التطور ، تم استبدال الحمض النووي الريبي بجزيء أكثر استقرارًا كيميائيًا: الحمض النووي.

المفاهيم الحالية لأصل الحياة

يشتبه حاليًا في أن الحياة نشأت في سيناريو متطرف: المناطق المحيطية بالقرب من المداخن البركانية حيث يمكن أن تصل درجات الحرارة إلى 250 درجة مئوية ويتجاوز الضغط الجوي 300 جو.

ينشأ هذا الشك بسبب تنوع أشكال الحياة الموجودة في هذه المناطق المعادية ويعرف هذا المبدأ باسم "نظرية العالم الساخن".

لقد تم استعمار هذه البيئات عن طريق الأركابيات ، والكائنات القادرة على النمو والتكاثر والتكاثر في البيئات القاسية ، وربما تشبه إلى حد كبير ظروف ما قبل التكوين الحيوي (بما في ذلك تركيزات الأكسجين المنخفضة ومستويات عالية من ثاني أكسيد الكربون).

الاستقرار الحراري لهذه البيئات ، والحماية التي توفرها ضد التغيرات المفاجئة والتدفق المستمر للغازات هي بعض من السمات الإيجابية التي تجعل قاع البحر والمداخن البركانية بيئات مناسبة لأصل الحياة.

حيث التكوين الحيوي والتكوين التلقائي

في عام 1974 ، نشر الباحث الشهير كارل ساجان مقالاً يوضح استخدام المصطلحين: التولد الأحيائي وتولد الأجنة. وفقًا لساجان ، فقد تم إساءة استخدام كلا المصطلحين في المقالات المتعلقة بتفسير أصل الأشكال الحية الأولى.

من بين هذه الأخطاء هو استخدام مصطلح التولد الحيوي كأنونيم. بمعنى ، يتم استخدام التولد الحيوي لوصف أصل الحياة من الأشكال الحية الأخرى ، بينما يشير التخليق الحيوي إلى أصل الحياة من المادة غير الحية.

وبهذا المعنى ، يُعتبر المسلك الكيميائي الحيوي المعاصر بيولوجيًا ويكون مسار التمثيل الغذائي قبل البايولوجي غير مولِّد للجراثيم. لذلك من الضروري إيلاء اهتمام خاص لاستخدام كلا المصطلحين.