يحول نمذجة الينابيع الحرارية المائية مصادر الحياة هذه من غير المحتمل إلى شبه المحتوم
وصلت في اليوم الثاني من الخلق. دعتني لوري بارج لقضاء يوم واحد في مختبر النمذجة مصدر حياتها. وهي باحثة في مختبر ناسا جيت في باسادينا ، وتعمل مع زميل ، جيولوجي مايكل راسل ، عضو معهد ناسا لعلم الأحياء الفلكية. كانت المهمة هي إنشاء
ينبوع صغير
حراري مائي في ظروف تحاكي المحيط البدائي منذ 4 مليارات سنة. تقع هذه المصادر في مركز التاريخ العلمي لخلق الحياة ، وهي قصة غير بديهية بحيث يصعب تصديقها ، ومع ذلك فهي منطقية لدرجة أنه يجب تأكيدها ببساطة.
في اليوم الأول ، خلقت المراكب مع الطلاب المحيطات. بدأوا بالماء المقطر ، وضخوا النيتروجين من خلاله ، مستبدلين الأكسجين ، الذي لم يكن موجودًا في بداية الأرض. تم وضع الأرضين الأولين في الأكواب على ركائز فولاذية داخل غطاء المحرك. ثم أضفنا كلوريد الحديد إلى المحيطات ، مما أعطى الماء لون الجعة بدون غاز [بيرة مسطحة]. أدخلت طرف ماصة في قاع كل وعاء وأضفت كبريتيد الصوديوم هناك ، محاكياً سائلاً ساخنًا يتصاعد من خلال فواصل القشرة الأرضية. يتفاعل الصوديوم مع الكلوريد ويخلق الماء المالح ، والكبريت مع الحديد لتكوين كبريتيد الحديد ، والذي يترسب على شكل أنبوب مجوف. ظهرت أنابيب مماثلة في الينابيع الحرارية المائية (GI) في أواخر
Catharchea قبل 4 مليار سنة ، ولا تزال تتشكل في البحار التي لا قاع وفي مختبر Barges.
مدينة تحت الماء: تتكون هذه الرواسب على شكل خلية نحل على جانب هيكل آخر في مدينة لوست ، وهي مجموعة كبيرة من الأنابيب المعدنية تحت الماء ، يصل بعضها إلى حجم المباني التي ينبعث منها السائل القلوي.تحارب فكرة أصل الحياة في الجهاز الهضمي ضد التاريخ العلمي القديم والمعروف لخلق الحياة ، "
المرق الأساسي ". في رسالة إلى جوزيف هوكر في عام 1871 ، نظر تشارلز داروين في فكرة أن الحياة نشأت "في بعض البرك الصغيرة الدافئة ، حيث توجد جميع أنواع أملاح الأمونيا والفوسفور ، حيث يوجد ضوء وحرارة وكهرباء وما إلى ذلك" ، ونتيجة لذلك ، "مركب بروتيني متشكل كيميائيًا جاهزًا للتغييرات الأكثر تعقيدًا." في عام 1924 ، طرح العالم الروسي
ألكسندر أوبارين نظرية ظهور الحياة على الأرض من خلال تحويل الجزيئات المحتوية على الكربون ، في سياق التطور الكيميائي التدريجي ، إلى "مرق أولي". في عام 1925 ، قدم هذه الفكرة إلى محكمة الجمهور الناطق بالإنجليزية. في عام 1929 ، نشر العالم البريطاني
جون بوردون ساندرسون هالدين أعماله عن أصل الحياة بأفكار مماثلة. كتب كيف يمكن أن نشأت الحياة في المحيط القديم ، الذي كان لديه اتساق "الحساء الساخن المخفف". لذا فقد ترسخ هذا الاسم.
في عام 1953 ، قام ستانلي ميللر ، وهو طالب دراسات عليا درس مع الحائز على جائزة نوبل هارولد أوري ، بنجاح في صنع الحساء في المختبر. رتب القوارير مع المحيط والغلاف الجوي البدائي المفترض ، وتطبيق شرارة بمساعدة البرق الاصطناعي وجمع المركبات التي تم الحصول عليها. وجد الكثير من الفضول ، بما في ذلك العديد من الأحماض الأمينية. أصبحت كيمياء ميللر-يوري رمزًا في البحث عن مصدر للحياة ، بينما تضاعف طلاب ميللر أنفسهم وتضاعفوا. في دراسة اليوم لمصدر الحياة ، يشير "الحساء" إلى النماذج التي تبدأ فيها الحياة على سطح المحيط أو بالقرب منه بفضل كيمياء ميللر-يوري ، بينما تجمع البرق أو مصادر الطاقة الأخرى باستمرار الجزيئات في حالات تزداد تعقيدًا ، حتى حتى يبدأ التطور الدارويني. [Plaxco، KW & Gross، M. Astrobiology: A Brief Introduction Johns Hopkins University Press، Baltimore، MD (2006)]
الشوربة جذابة بشكل حدسي: يمكنك إخراج لبنات الحياة منها. ولكن لديه أيضًا عيب قاتل: بغض النظر عما ينتج ، فهو ميت. يمكن أن يؤدي البرق إلى تفاعلات كيميائية حيوية ، لكن الطاقة تتبدد بسرعة ويعود النظام إلى التوازن. يحتاج المرق الأساسي إلى التطور لتسلق الديناميكا الحرارية إلى أعلى ، من أجل زيادة النظام. يشبه هذا
تلال الجاذبية ، التي تكون أوصافها ممتلئة على الإنترنت ، حيث يبدو أن السيارة نفسها تتدحرج إلى أعلى. تفرز الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات من الحرارة والأحجار ومياه البحر. لقد نظموا في جزيئات مرتبة أكثر ، مثل الإنزيمات والبروتينات. من هذه ، بنى التطور الخلايا الأولى ، ونتيجة لذلك ، الماهوجني والورود والنحل وأشجار التفاح والضباع والناس.
لكن تل الجاذبية هو خدعة منظور. سيكشف مستوى البناء عن الخداع ، ولكن نادرًا ما تراه في مقاطع الفيديو هذه مع تلال "سحرية". لم يتم إلغاء قوانين الفيزياء. وينطبق الشيء نفسه على ولادة الحياة ، كما يقول خبراء GI. يبدو فقط أن التطور يتجه نحو الترتيب ؛ بشكل عام ، يتحرك دائمًا إلى أسفل. تقول نماذج GI أنه في الظروف الأولية ، لم يكن مظهر الحياة أقرب إلى المعجزة. كان لا مفر منه. [Martin، W. & Russell، MJ حول أصول الخلايا: فرضية للتحولات التطورية من الكيمياء الجيولوجية اللاأحيائية إلى بدائيات النوى ذاتي التغذية الكيميائية ، ومن بدائيات النوى إلى الخلايا المنواة. المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية في لندن ب: العلوم البيولوجية 358 ، 59-83 (2003) / راسل ، إم جيه ومارتن ، دبليو. الجذور الصخرية لمسار الأسيتيل- CoA. الاتجاهات في علوم الكيمياء الحيوية 29 ، 358-363 (2004) / Martin، W. & Russell، MJ حول أصل الكيمياء الحيوية في فتحة مائية حرارية قلوية. المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية في لندن B: العلوم البيولوجية 362 ، 1887-1925 (2007) / Martin ، W. ، Baross ، J. ، Kelley ، D. ، & Russell ، MJ Hydrothermal vents وأصل الحياة. مراجعات الطبيعة علم الأحياء الدقيقة 6 ، 805-814 (2008)]
يدرس روبوت تحت الماء الهيكل المتنامي في المدينة المفقودةاكتشف علماء المحيطات لأول مرة GI في عام 1977 في Galapagos Cleft في شرق المحيط الهادئ. [Corliss، JB، et al. ينابيع حرارية غواصة على صدع غالاباغوس. Science 203 ، 1073-1083 (1979)] ثم ، في عام 1979 ، تم اكتشاف أنابيب عملاقة على قمة ارتفاع شرق المحيط الهادئ عند خط عرض 21 درجة شمالًا ، وبصق أسود وحمضًا شديد الحرارة في أعماق مظلمة باردة. بدقة شديدة ، وشاعريًا تقريبًا ، سميت هذه الهياكل "المدخنون السود". دهش الباحثون من أن المساحة القريبة من المدخنين السود كانت تعج بالحياة ، بدءًا من الأسماك إلى أنواع جديدة لا حصر لها من الميكروبات. في عام 1981 ، اقترح جاك كورليس ، أحد علماء المحيطات في الرحلة إلى غالاباغوس كليفت ، مع علماء الأحياء الدقيقة جون باروس وسارة هوفمان ، أن GI تحت الماء "يوفر جميع الظروف اللازمة لخلق الحياة على الأرض". لا حاجة للضوء أو البرق. لم يكن هناك حساء.
شن أتباع ميلر هجومًا انتقاميًا. كتب ميلر وطالبه السابق ، جيفري بود ، إن المؤشرات الجغرافية كانت شديدة الحرارة لدعم الحياة. الأحماض الأمينية والأحماض النووية ، حتى لو ظهرت ، سيتم تدميرها على الفور تقريبًا. سيذوب السكر. لا يمكن أن تبدأ الحياة في مثل هذه البيئة المعادية. وكتبوا: "المصادر ستكون أداة مهمة للتدمير ، بدلاً من توليف المكونات العضوية في المحيطات البدائية". [Miller، SL & Bada، JL الينابيع الساخنة الغواصة وأصل الحياة. الطبيعة 334 ، 609-611 (1988)]
وانضم إلى النزاع راسل وزميله آلان هول ، وهو الآن عالم آثار في جامعة غلاسكو. قالوا إن ميلر ، بالطبع ، كان على حق - المدخنون السود ساخنون للغاية ولديهم الكثير من الأحماض لتشكيل الحياة هناك. لكن بجانبهم ، كتبوا ، يمكنك العثور على أنابيب معدنية تنبعث منها سائل قلوي فاتر. هذه أماكن مثالية لولادة الحياة. [Russell، MJ، Hall، AJ، & Turner، D. في النمو المختبري لمداخن كبريتيد الحديد: غرف الثقافة الممكنة لتجارب أصل الحياة. تيرا نوفا 1 ، 238-241 (1989)]
على حجارة الحقل الحراري المائي في المدينة المفقودة تعيش مجموعة واسعة من اللافقاريات في أعماق البحار ، بما في ذلك عدد كبير من الشعاب المرجانية. يعتبر السلطعون أيضًا هذه المدينة وطنهم.وفي 4 ديسمبر 2000 ، كما توقع راسل ، تم العثور على هذه الأنابيب ، وإن كان ذلك عن طريق الصدفة. قام فريق بحثي بقيادة دونا بلاكمان من معهد سكريبس لعلوم المحيطات ، والذي ضم ديبورا كيلي من جامعة واشنطن وجيفري كارسون من جامعة ديوك ، بدراسة كتلة الأطلسي ، ارتفاع 15 كم سميت المدينة الأسطورية ، والتي ، وفقًا لأفلاطون ، غرقت في الشمال الأطلسي بعد خسارته أمام أثينا. في نهاية رحلة الشهر ، انحرف الروبوت تحت الماء عن المسار الذي يقصده ، بعد الأسماك ، كما لو كان يوجه بشكل خاص إلى الكاميرا. فجأة ، رأى الباحثون على الشاشة نظامًا واسعًا من الهياكل البيضاء اللؤلؤية ، بعضها بحجم المبنى: المخاريط ، الأبراج ، النوافذ المجمدة. لم يسعهم إلا أن يسميوا هذا المكان "المدينة المفقودة". [دليل Earth: Mid-Atlantic Ridge ، إدخال دفتر يومية ، ديسمبر 12 ، 2000]
عند دراسته ، تم اكتشاف أن أبراج المدينة المفقودة تطلق سائلًا قلويًا نظيفًا ودافئًا في محيط حمضي قليلاً. فصلت الحدود الماء الدافئ عن الماء البارد ، مركزة من درجة الحموضة المخففة ، منخفضة من عالية. ستظهر المدينة المفقودة على الأرض المبكرة في محيط غني بالكربون ، وبالتالي بحمضية. ستجعل جدرانها المسامية من الكبريتيدات وأكاسيد الحديد المدينة الضائعة الأولى بطارية ضعيفة ولكنها ضخمة. [Russell، MJ، Nitschke، W.، & Branscomb، E. الرحلة الحتمية إلى الوجود. المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية في لندن ب: العلوم البيولوجية 368 (2013). تم الاسترجاع من doi: 10.1098 / rstb.2012.0254] الخلايا الحية محاطة أيضًا بغشاء يفصل الأجزاء القلوية الداخلية عن البيئة الحمضية قليلاً. "آخر سلف عالمي" للحياة ، كما يقول بارج ، "تم تغذيته من
تدرجات الإلكترونات والبروتونات ، مثل حياة اليوم." سواء أكانت حيوانًا أو نباتًا أو فطرًا أو بكتيريا ، فإن جميع الكائنات الحية تكرر كيمياء الأكسدة والاختزال الموجودة في المصادر القلوية الدافئة. تعيش قطعة صغيرة من تلك المدينة المفقودة القديمة داخل كل زنزانة.
بينما كنت أراقب أنا والصنادل التجربة ، بدأت أنابيب كبريتيد الحديد في تشكيل هياكل معقدة. بنى السائل المرتفع ماسورة العادم. قطعة من الكريستال تمنع التدفق ؛ السائل ، المرتفع ، وجد طريقة جديدة ؛ تفرع الهيكل. كانت النتيجة تذكرنا بشكل مدهش بالنبات. ابتكر الكيميائيون القدماء "حدائق كيميائية" مماثلة ، ويعتقد عالم الأحياء المنسي تقريبًا في القرن التاسع عشر ، ستيفان ليدوك ، أن هذه الأشكال العضوية تعكس مبادئ النمو البيولوجي. كتب ليدوك: "سلسلة الحياة تستمر بلا انقطاع ، من المعدن في نهايته إلى أكثر الكائنات تعقيدًا في الطرف الآخر".
تقدم نماذج GI الحديثة شرحًا لإنشاء هذه السلسلة. تدعم البطارية الضخمة للمدينة القديمة المفقودة أداة تولد جزيئات معقدة ، بشكل رئيسي من الكربون والهيدروجين والأكسجين. يعمل كبريتيد الحديد ، مثل الجزيئات الصغيرة الأخرى الموجودة في المصادر ، مثل
الإنزيمات المساعدة - المحركات النانوية الحفازة التي تعزز التفاعلات التي تقع في صميم كل عملية التمثيل الغذائي. الأنابيب ، ببساطة ، لديها نوع من التمثيل الغذائي الذي يتلقى الطاقة من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون وجزيئات أخرى ، ويستخدمها لبناء جزيئات أكثر تعقيدًا ، بشكل رئيسي من الكربون والهيدروجين والأكسجين. تكرر أقدم مسارات التمثيل الغذائي في علم الأحياء كيمياء المدينة المفقودة المبكرة.
ما يتناقض مع معظم حدسنا هو أن الهياكل المعقدة يمكن أن تبدد الطاقة بشكل أفضل من تلك البسيطة. [ماك ماكليلان ، ج. ما هي الطائرة الأكثر كفاءة في استهلاك الوقود؟ Flyingmag.com (2008)] يساعدك المحفز على تسلق تل الطاقة حتى تتمكن من السقوط حتى من ناحية أخرى. إذا أخذنا في الاعتبار التطور البيولوجي بأكمله ، فإن كل كائن حي يمثل تلة طاقة. يتم تشكيله فقط إذا كان في ظروف مواتية للديناميكا الحرارية - إذا سحبنا الطاقة على تلة ، يمكننا إطلاق المزيد من الطاقة. يتطلب إنشاء سحلية طاقة أكثر من إنشاء كمية معينة من الإشريكية القولونية من نفس الكتلة ، ولكنها تستهلك أيضًا الطاقة بشكل أسرع. في عالم يوجد فيه كل من السحالي والبكتيريا ، فهي مفعمة بالحيوية أكثر من عالم لا توجد فيه سوى البكتيريا. عالم حيث توجد أيضًا أبقار ذات دم دافئ وهي تمضغ العشب وتنبعث منها الحرارة والميثان والأسمدة - نسخة محسنة من محرك الكون. عالم مع النمور أفضل. من المفيد للغاية أن يكون هناك نظام بيئي: فالأرض ذات النباتات المورقة والمليئة بالحياة تستهلك المزيد من الحرارة من المركز الساخن للكوكب والشمس ، مما يطلقها في مكان بارد ومظلم أكثر من المريخ على سبيل المثال. إن محيطنا الحيوي عبارة عن فقاعة جليدية معقدة جدًا للشمس.
جاءت أداة تشتيت عملاقة مع Homo sapiens. التاريخ الكامل للتكنولوجيا هو تطوير طرق فعالة بشكل متزايد لاستخراج الطاقة منها
الأرض والشمس: النار ، الطبخ ، الزراعة ، التعدين ، الصهر ، قطع الأشجار ، المحركات البخارية. مثل قطرات من الماء تهرب من تل ، لم يتم تحديد المسار الدقيق للتطور والثقافة - فقط اتجاه عام. لذلك ، لم يكن لا مفر من الفن ولا الحرب ولا NASCAR ولا الهواتف الذكية - كل هذا يمكن اعتباره عمل محرك الكون البشري. في ضوء ذلك ، فإن اتجاهات التشتت لدينا ليست انحرافًا ، بل ضرورة ديناميكية حرارية.
ينمو أنبوب مصغر من كبريتيد الحديد يبلغ طوله 5 سم في محاكاة بحرية في المختبر النفاث. إنه يعيد إنتاج الهياكل الأكبر المرتبطة بالجهاز الهضمي ، والتي يمكن أن تنشأ فيها الحياة على الأرض القديمةلو كنت أنا وبارجس نراقب النموذج المختبري لفترة طويلة ، هل كان سيطور مسار التمثيل الغذائي خلال التطور؟ الانزيمات؟ الجينات؟ ربما. تتخذ المراكب خطواتها الأولى في هذا الاتجاه ، وإن كانت صغيرة. بدلاً من بناء أنبوب ، يضع كبريتيد الحديد والمعادن الأخرى على قرص مسامي من مادة خاملة. يمكن أن يعمل القرص كغشاء بين ، على سبيل المثال ، سائل ذو شحنة موجبة وسالبة. تقيس المراكب الجهد والفرق في الرقم الهيدروجيني من جانبين من الغشاء - ثم الإلكترونات والبروتونات. تدعم هذه التيارات التفاعلات الكيميائية الأساسية للحياة. الخطوة التالية هي جعل التفاعلات الكيميائية تنتج جزيئات أكثر تعقيدًا. وتقول: "يمكنك أيضًا إجراء تجارب لاختبار التغذية المرتدة الناشئة عن المواد العضوية على المعادن". قد تفضل المحفزات البسيطة ردود الفعل التي قد تؤدي إلى محفزات أكثر تعقيدًا يمكن أن تنتج محفزات أكثر تعقيدًا ، وستؤدي حلقة التغذية الراجعة هذه في نهاية المطاف ، مع مرور الوقت ، إلى البروتينات والحمض النووي.
في أحد عالميين ، تحول الأنبوب مع ساق رفيع وسمك ثقيل في النهاية. يقول بارج: "من المرجح أن ينكسر هذا". ويكسر: طريق مسدود للتطور. لكن الأنبوب في المصباح الآخر نما قاعدة سميكة للغاية وبنى جبلًا مخروطيًا مع سلسلة من القمم التي تبدو رائعة لبرغوث الماء. فحصتها لوري وأثنت عليها.
Nathaniel Comfort - عضو الجمعية الفلكية. باروخ بلومبرج في مكتبة الكونغرس / ناسا وأستاذ التاريخ الطبي في الجامعة. جون هوبكنز. كتابه الأخير هو علم الكمال البشري. تويتر @ nccomfort.