30.2: علم الأحياء الفلكي
- Page ID
- 197083
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- وصف اللبنات الكيميائية اللازمة للحياة
- وصف الأنظمة والعمليات الجزيئية التي تقود أصل الحياة وتطورها
- وصف خصائص البيئة الصالحة للسكن
- وصف بعض الظروف القاسية على الأرض، وشرح كيف تكيفت بعض الكائنات الحية مع هذه الظروف
يتخذ العلماء اليوم نهجًا متعدد التخصصات لدراسة أصل الحياة وتطورها وتوزيعها ومصيرها النهائي في الكون؛ يُعرف مجال الدراسة هذا باسم علم الأحياء الفلكي. قد تسمع أيضًا أحيانًا هذا المجال الذي يشار إليه باسم علم الأحياء الخارجية أو علم الفلك الحيوي. يجمع علم الأحياء الفلكية علماء الفلك وعلماء الكواكب والكيميائيين والجيولوجيين وعلماء الأحياء (من بين آخرين) للعمل على نفس المشكلات من وجهات نظرهم المختلفة.
من بين القضايا التي يستكشفها علماء الأحياء الفلكية هي الظروف التي نشأت فيها الحياة على الأرض وأسباب القدرة الاستثنائية على التكيف للحياة على كوكبنا. كما أنهم يشاركون في تحديد العوالم الصالحة للسكن خارج الأرض وفي محاولة الفهم العملي لكيفية البحث عن الحياة في تلك العوالم. دعونا ننظر إلى بعض هذه القضايا بمزيد من التفصيل.
اللبنات الأساسية للحياة
على الرغم من عدم العثور على أي دليل لا لبس فيه على الحياة في أي مكان خارج الأرض، فقد تم اكتشاف اللبنات الكيميائية للحياة في مجموعة واسعة من البيئات خارج كوكب الأرض. وُجد أن النيازك (التي تعرفت عليها في العينات الكونية وأصل النظام الشمسي) تحتوي على نوعين من المواد التي تشير تركيباتها الكيميائية إلى أنها ذات أصل خارج كوكب الأرض - الأحماض الأمينية والسكريات. الأحماض الأمينية هي مركبات عضوية تشكل اللبنات الجزيئية للبروتينات. البروتينات هي جزيئات بيولوجية رئيسية توفر بنية ووظيفة أنسجة وأعضاء الجسم وتنفذ بشكل أساسي «عمل» الخلية. عندما نفحص الغاز والغبار حول المذنبات، نجد أيضًا عددًا من الجزيئات العضوية - المركبات التي ترتبط على الأرض بكيمياء الحياة.
بالتوسع خارج نظامنا الشمسي، كانت إحدى النتائج الأكثر إثارة للاهتمام لعلم الفلك الراديوي الحديث اكتشاف الجزيئات العضوية في السحب العملاقة من الغاز والغبار بين النجوم. تم تحديد أكثر من 100 جزيء مختلف في هذه الخزانات من المواد الخام الكونية، بما في ذلك الفورمالديهايد والكحول وغيرها من الجزيئات التي نعرفها باعتبارها نقاط انطلاق مهمة في تطور الحياة على الأرض. باستخدام التلسكوبات الراديوية ومقاييس الطيف الراديوي، يمكن لعلماء الفلك قياس وفرة المواد الكيميائية المختلفة في هذه السحب. نجد الجزيئات العضوية بسهولة أكبر في المناطق التي يكون فيها الغبار بين النجوم أكثر وفرة، وتبين أن هذه هي بالضبط المناطق التي يحدث فيها تكوين النجوم (وربما تكوين الكوكب) بسهولة أكبر (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
من الواضح أن الأرض المبكرة نفسها أنتجت بعض اللبنات الجزيئية للحياة. منذ أوائل الخمسينيات من القرن الماضي، حاول العلماء تكرار المسارات الكيميائية التي أدت إلى الحياة على كوكبنا في مختبراتهم. في سلسلة من التجارب المعروفة باسم تجارب ميلر-أوري، والتي ابتكرها ستانلي ميلر وهارولد أوري في جامعة شيكاغو، قام علماء الكيمياء الحيوية بمحاكاة الظروف على الأرض المبكرة وتمكنوا من إنتاج بعض اللبنات الأساسية للحياة، بما في ذلك تلك التي تشكل البروتينات والجزيئات البيولوجية الكبيرة الأخرى المعروفة باسم الأحماض النووية (والتي سنناقشها قريبًا).
على الرغم من أن هذه التجارب أسفرت عن نتائج مشجعة، إلا أن هناك بعض المشاكل معها. تحدث الكيمياء الأكثر إثارة للاهتمام من منظور بيولوجي مع الغازات الغنية بالهيدروجين أو المختزلة، مثل الأمونيا والميثان. ومع ذلك، ربما كان ثاني أكسيد الكربون يهيمن على الغلاف الجوي المبكر للأرض (كما لا يزال الغلاف الجوي لفينوس والمريخ حتى اليوم) وربما لم يحتوي على وفرة من الغازات المختزلة مقارنة بتلك المستخدمة في تجارب نوع Miller-Urey. كما تم اقتراح الفتحات الحرارية المائية - أنظمة قاع البحر التي يتم فيها تسخين مياه المحيط وتدويرها عبر الصخور القشرية أو الوشاح قبل الظهور مرة أخرى في المحيط - كمساهمين محتملين للمركبات العضوية على الأرض المبكرة، ولن تتطلب مثل هذه المصادر أن يكون للأرض اختزال مبكر الغلاف الجوي.
قد تكون المصادر الأرضية وخارج الأرض قد ساهمت في إمداد الأرض المبكر بالجزيئات العضوية، على الرغم من أن لدينا المزيد من الأدلة المباشرة على هذه الأخيرة. حتى أنه من المتصور أن الحياة نفسها نشأت في مكان آخر وتم زرعها على كوكبنا - على الرغم من أن هذا بالطبع لا يحل مشكلة كيفية نشأة تلك الحياة في البداية.
بدأت الفتحات الحرارية المائية تبدو أكثر احتمالاً كمساهمين مبكرين في المركبات العضوية الموجودة على الأرض. اقرأ عن الفتحات الحرارية المائية، وشاهد مقاطع الفيديو وعروض الشرائح حول هذه العجائب وغيرها من عجائب أعماق البحار، وجرب محاكاة تفاعلية للدوران الحراري المائي في موقع معهد وودز هول لعلوم المحيطات.
أصل الحياة وتطورها المبكر
قد تكون مركبات الكربون التي تشكل الأساس الكيميائي للحياة شائعة في الكون، لكنها لا تزال خطوة عملاقة من هذه اللبنات إلى خلية حية. حتى أبسط جزيئات الجينات (الوحدات الوظيفية الأساسية التي تحمل المادة الوراثية أو الوراثية في الخلية) تحتوي على ملايين الوحدات الجزيئية، كل منها مرتب في تسلسل دقيق. علاوة على ذلك، حتى الحياة الأكثر بدائية تتطلب قدرتين خاصتين: وسيلة لاستخراج الطاقة من بيئتها، ووسيلة لترميز المعلومات وتكرارها من أجل عمل نسخ أمينة من نفسها. يمكن لعلماء الأحياء اليوم أن يروا الطرق التي ربما تشكلت بها أي من هذه القدرات في بيئة طبيعية، لكننا ما زلنا بعيدين عن معرفة كيف اجتمع الاثنان معًا في أشكال الحياة الأولى.
ليس لدينا أي دليل قوي على المسار الذي أدى إلى أصل الحياة على كوكبنا باستثناء أي تاريخ مبكر قد يتم الاحتفاظ به في الكيمياء الحيوية للحياة الحديثة. في الواقع، لدينا القليل جدًا من الأدلة المباشرة على شكل الأرض نفسها خلال تاريخها المبكر - كوكبنا فعال جدًا في إعادة الظهور من خلال تكتونيات الصفائح (انظر الفصل الخاص بالأرض ككوكب) بحيث لم يتبق سوى عدد قليل جدًا من الصخور من هذه الفترة المبكرة. في الفصل السابق عن Cratered Worlds، تعلمت أن الأرض تعرضت لقصف عنيف - فترة من الأحداث ذات التأثير الكبير - منذ حوالي 3.8 إلى 4.1 مليار سنة. كان من الممكن أن تكون التأثيرات الكبيرة نشطة بما يكفي للتعقيم الحراري للطبقات السطحية للأرض، بحيث حتى لو بدأت الحياة في هذا الوقت، ربما تم القضاء عليها.
عندما توقفت التأثيرات الكبيرة، تم إعداد المشهد لبيئة أكثر سلامًا على كوكبنا. إذا احتوت محيطات الأرض على مواد عضوية متراكمة من أي من المصادر التي سبق ذكرها، فإن المكونات كانت متاحة لصنع كائنات حية. لا نفهم بأي تفاصيل تسلسل الأحداث التي أدت من الجزيئات إلى علم الأحياء، ولكن هناك أدلة أحفورية على الحياة الميكروبية في صخور عمرها 3.5 مليار عام، وأدلة محتملة (قابلة للنقاش) للحياة تعود إلى 3.8 مليار سنة.
تستخدم الحياة كما نعرفها نظامين جزيئيين رئيسيين: الجزيئات الوظيفية المعروفة باسم البروتينات، والتي تقوم بالعمل الكيميائي للخلية، وجزيئات الحمض النووي التي تحتوي على معلومات (حمض الديوكسي ريبونوكلييك) التي تخزن المعلومات حول كيفية إنشاء الخلية والمواد الكيميائية الخاصة بها مكونات هيكلية. يعتبر أصل الحياة أحيانًا «مشكلة الدجاج والبيض» لأنه في علم الأحياء الحديث، لا يعمل أي من هذه الأنظمة دون الآخر. تقوم بروتيناتنا بتجميع خيوط الحمض النووي بالترتيب الدقيق المطلوب لتخزين المعلومات، ولكن يتم إنشاء البروتينات بناءً على المعلومات المخزنة في الحمض النووي. أيهما جاء أولاً؟ يعتقد بعض الباحثين في أصول الحياة أن كيمياء البريبايوتيك كانت تعتمد على جزيئات يمكنها تخزين المعلومات والقيام بالعمل الكيميائي للخلية. لقد تم اقتراح أن RNA (حمض الريبونوكلييك)، وهو جزيء يساعد في تدفق المعلومات الجينية من الحمض النووي إلى البروتينات، ربما يكون قد خدم مثل هذا الغرض. أصبحت فكرة «عالم الحمض النووي الريبي» المبكر مقبولة بشكل متزايد، ولكن لا يزال هناك الكثير مما يجب فهمه حول أصل الحياة.
ربما كان أهم ابتكار في تاريخ علم الأحياء، بصرف النظر عن أصل الحياة نفسها، هو اكتشاف عملية التمثيل الضوئي، وهي التسلسل المعقد للتفاعلات الكيميائية التي يمكن من خلالها لبعض الكائنات الحية استخدام ضوء الشمس لتصنيع منتجات تخزن الطاقة (مثل الكربوهيدرات)، وإطلاق الأكسجين كمنتج ثانوي واحد. في السابق، كان على الحياة أن تعتمد على مصادر الطاقة الكيميائية المتاحة على الأرض أو التي يتم تسليمها من الفضاء. لكن الطاقة الوفيرة المتاحة في ضوء الشمس يمكن أن تدعم محيطًا حيويًا أكبر وأكثر إنتاجية، بالإضافة إلى بعض التفاعلات البيوكيميائية التي لم تكن ممكنة سابقًا مدى الحياة. كان أحد هذه العوامل إنتاج الأكسجين (كمنتج نفايات) من ثاني أكسيد الكربون، والزيادة في مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي منذ حوالي 2.4 مليار سنة تعني أن التمثيل الضوئي المنتج للأكسجين يجب أن يكون قد ظهر وأصبح مهمًا عالميًا بحلول هذا الوقت. في الواقع، من المحتمل أن يكون التمثيل الضوئي المنتج للأكسجين قد ظهر في وقت مبكر جدًا.
يُعتقد أن بعض أشكال الأدلة الكيميائية الموجودة في الصخور القديمة، مثل التكوينات الصخرية الصلبة ذات الطبقات المعروفة باسم الستروماتوليت، هي حفريات بكتيريا التمثيل الضوئي المنتجة للأكسجين في الصخور التي يبلغ عمرها حوالي 3.5 مليار سنة (الشكل\(\PageIndex{2}\)). يُعتقد عمومًا أن شكلًا أبسط من التمثيل الضوئي الذي لا ينتج الأكسجين (ولا تزال تستخدمه بعض البكتيريا حتى اليوم) ربما سبق عملية التمثيل الضوئي المنتجة للأكسجين، وهناك أدلة أحفورية قوية على أن نوعًا أو آخر من التمثيل الضوئي كان يعمل على الأرض على الأقل منذ زمن بعيد قبل 3.4 مليار سنة.
بدأ الأكسجين الحر الناتج عن عملية التمثيل الضوئي يتراكم في الغلاف الجوي منذ حوالي 2.4 مليار سنة. يمكن أن ينتج تفاعل ضوء الشمس مع الأكسجين الأوزون (الذي يحتوي على ثلاث ذرات من الأكسجين لكل جزيء، مقارنة بالذرتين لكل جزيء في الأكسجين الذي نتنفسه)، والذي تراكم في طبقة عالية في الغلاف الجوي للأرض. كما هو الحال على الأرض اليوم، وفر هذا الأوزون الحماية من الأشعة فوق البنفسجية الضارة للشمس. هذا سمح للحياة باستعمار الكتل الأرضية لكوكبنا بدلاً من البقاء فقط في المحيط.
كان ارتفاع مستويات الأكسجين مميتًا لبعض الميكروبات لأنه، باعتباره مادة كيميائية شديدة التفاعل، يمكن أن يضر بشكل لا رجعة فيه ببعض الجزيئات الحيوية التي طورتها الحياة المبكرة في غياب الأكسجين. بالنسبة للميكروبات الأخرى، كان ذلك بمثابة نعمة: الجمع بين الأكسجين والمواد العضوية أو المواد الكيميائية المخفضة الأخرى يولد الكثير من الطاقة - يمكنك رؤية ذلك عندما يحترق الخشب، على سبيل المثال - وتبنت العديد من أشكال الحياة طريقة العيش هذه. أتاح مصدر الطاقة الجديد هذا انتشارًا كبيرًا للكائنات الحية، والتي استمرت في التطور في بيئة غنية بالأكسجين.
تعتبر تفاصيل هذا التطور بشكل صحيح موضوع دورات علم الأحياء، لكن عملية التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي (البقاء للأصلح) تقدم تفسيرًا واضحًا لتطور التنوع الرائع لأشكال الحياة على الأرض. ومع ذلك، فإنه لا يحل بشكل مباشر لغز بدايات الحياة المبكرة. نحن نفترض أن الحياة ستنشأ عندما تكون الظروف مناسبة، لكن هذه الفرضية هي مجرد شكل آخر من أشكال مبدأ كوبرنيكوس. لدينا الآن القدرة على معالجة هذه الفرضية بالملاحظات. إذا تم العثور على مثال ثان للحياة في نظامنا الشمسي أو نجم قريب، فهذا يعني أن الحياة تظهر بشكل شائع بما يكفي بحيث يكون الكون ممتلئًا على الأرجح بالبيولوجيا. ولكن لإبداء مثل هذه الملاحظات، يجب علينا أولاً أن نقرر أين نركز بحثنا.
كيف نشأت الحياة في المقام الأول؟ وهل يمكن أن يحدث ذلك مع نوع مختلف من الكيمياء؟ شاهد مقطع فيديو مدته 15 دقيقة بعنوان Making Matter Come Alive حيث يستكشف خبير الكيمياء بعض الإجابات على هذه الأسئلة، من TED Talk 2011.
بيئات صالحة للسكن
من بين العدد الهائل من الأجسام في نظامنا الشمسي، المجرة، والكون، قد يكون لدى البعض ظروف مناسبة للحياة، بينما لا يتمتع البعض الآخر بذلك. إن فهم الظروف والميزات التي تجعل البيئة صالحة للسكن - بيئة قادرة على استضافة الحياة - أمر مهم لفهم مدى انتشار البيئات الصالحة للسكن في الكون ولتركيز البحث عن الحياة خارج الأرض. نناقش هنا الصلاحية للسكن من منظور الحياة التي نعرفها. سوف نستكشف المتطلبات الأساسية للحياة، وفي القسم التالي، سننظر في النطاق الكامل للظروف البيئية على الأرض حيث توجد الحياة. في حين أننا لا نستطيع أن نستبعد تمامًا احتمال أن تحتوي أشكال الحياة الأخرى على كيمياء حيوية تعتمد على بدائل الكربون والمياه السائلة، فإن مثل هذه الحياة «كما لا نعرفها» لا تزال تخمينية تمامًا. في مناقشتنا هنا، نركز على الصلاحية للحياة المشابهة كيميائياً لتلك الموجودة على الأرض.
تتطلب الحياة مذيبًا (سائل يمكن أن تذوب فيه المواد الكيميائية) يتيح بناء الجزيئات الحيوية والتفاعلات بينها. بالنسبة للحياة كما نعرفها، فإن هذا المذيب هو الماء، الذي يحتوي على مجموعة متنوعة من الخصائص المهمة لكيفية عمل الكيمياء الحيوية لدينا. الماء وفير في الكون، لكن الحياة تتطلب أن يكون الماء في صورة سائلة (بدلاً من الثلج أو الغاز) من أجل القيام بدوره بشكل صحيح في الكيمياء الحيوية. هذا هو الحال فقط ضمن نطاق معين من درجات الحرارة والضغط - مرتفع جدًا أو منخفض جدًا في أي من المتغيرين، ويأخذ الماء شكل مادة صلبة أو غاز. وبالتالي فإن تحديد البيئات التي توجد فيها المياه ضمن النطاق المناسب لدرجة الحرارة والضغط هو خطوة أولى مهمة في تحديد البيئات الصالحة للسكن. في الواقع، كانت استراتيجية «اتبع الماء»، ولا تزال، محركًا رئيسيًا في استكشاف الكواكب داخل وخارج نظامنا الشمسي.
تعتمد الكيمياء الحيوية لدينا على جزيئات مصنوعة من الكربون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين والفوسفور والكبريت. الكربون هو جوهر الكيمياء العضوية. تسمح قدرتها على تكوين أربع روابط، سواء مع نفسها أو مع عناصر الحياة الأخرى، بتكوين عدد كبير من الجزيئات المحتملة التي يمكن أن تستند إليها الكيمياء الحيوية. تساهم العناصر المتبقية في التركيب والتفاعل الكيميائي لجزيئاتنا الحيوية، وتشكل الأساس للعديد من التفاعلات فيما بينها. هذه «العناصر الحيوية»، التي يشار إليها أحيانًا بالمختصر CHNOPS (الكربون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين والفوسفور والكبريت)، هي المواد الخام التي يتم تجميع الحياة منها، ويعتبر الإمداد الذي يمكن الوصول إليه منها شرطًا ثانيًا للصلاحية للسكن.
كما تعلمنا في الفصول السابقة عن الاندماج النووي وقصة حياة النجوم، يتشكل الكربون والنيتروجين والأكسجين والفوسفور والكبريت عن طريق الاندماج داخل النجوم ثم يتم توزيعها في مجرتها عندما تموت تلك النجوم. لكن كيفية توزيعها بين الكواكب التي تتشكل داخل نظام نجمي جديد، وبأي شكل، وكيف تقوم العمليات الكيميائية والفيزيائية والجيولوجية على تلك الكواكب بتدوير العناصر إلى هياكل يمكن للبيولوجيا الوصول إليها، يمكن أن يكون لها تأثيرات كبيرة على توزيع الحياة. في محيطات الأرض، على سبيل المثال، يمكن أن تختلف وفرة العوالق النباتية (الكائنات الحية البسيطة التي تشكل قاعدة السلسلة الغذائية للمحيطات) في المياه السطحية بألف مرة لأن إمدادات النيتروجين تختلف من مكان إلى آخر (الشكل\(\PageIndex{3}\)). وبالتالي فإن فهم العمليات التي تتحكم في إمكانية الوصول إلى العناصر على جميع المستويات هو جزء مهم من تحديد البيئات الصالحة للسكن.
مع هذين المتطلبين الأولين، لدينا المواد الخام الأولية للحياة ومذيب لتجميعها في الجزيئات المعقدة التي تقود الكيمياء الحيوية لدينا. لكن القيام بهذا التجميع والحفاظ على آلات الحياة البيوكيميائية المعقدة يتطلب طاقة. أنت تفي بمتطلباتك الخاصة من الطاقة في كل مرة تتناول فيها طعامًا أو تأخذ نفسًا، ولن تعيش لفترة طويلة إذا فشلت في القيام بأي منهما على أساس منتظم. تستفيد الحياة على الأرض من نوعين رئيسيين من الطاقة: بالنسبة لك، هذه هي الأكسجين الموجود في الهواء الذي تتنفسه والجزيئات العضوية في طعامك. لكن الحياة بشكل عام يمكن أن تستخدم مجموعة أوسع بكثير من المواد الكيميائية، وبينما تحتاج جميع الحيوانات إلى الأكسجين، فإن العديد من البكتيريا لا تحتاج إلى ذلك. واحدة من أقدم عمليات الحياة المعروفة، والتي لا تزال تعمل في بعض الكائنات الحية الدقيقة الحديثة، تجمع بين الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون لإنتاج الميثان، وإطلاق الطاقة في هذه العملية. هناك كائنات دقيقة «تتنفس» معادن قد تكون سامة بالنسبة لنا، وحتى بعض الكائنات التي تتنفس الكبريت وتتنفس حمض الكبريتيك. كما طورت النباتات والكائنات الحية الدقيقة التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي آليات لاستخدام الطاقة في الضوء مباشرة.
الماء في المرحلة السائلة والعناصر الحيوية والطاقة هي المتطلبات الأساسية للصلاحية للسكن. ولكن هل هناك قيود بيئية إضافية؟ نحن نعتبر هذا في القسم التالي.
الحياة في الظروف القاسية
على المستوى الكيميائي، تتكون الحياة من أنواع عديدة من الجزيئات التي تتفاعل مع بعضها البعض لتنفيذ عمليات الحياة. بالإضافة إلى الماء والمواد الخام الأولية والطاقة، تحتاج الحياة أيضًا إلى بيئة تكون فيها هذه الجزيئات المعقدة مستقرة (لا تتحلل قبل أن تتمكن من القيام بوظائفها) وتكون تفاعلاتها ممكنة. تعمل الكيمياء الحيوية الخاصة بك بشكل صحيح فقط ضمن نطاق ضيق جدًا يبلغ حوالي 10 درجات مئوية في درجة حرارة الجسم وعشري الوحدة في درجة الحموضة في الدم (الرقم الهيدروجيني هو مقياس رقمي للحموضة، أو كمية أيونات الهيدروجين الحرة). خارج هذه الحدود، أنت في خطر شديد.
يجب أن يكون للحياة بشكل عام أيضًا حدود للظروف التي يمكن أن تعمل فيها بشكل صحيح، ولكنها، كما سنرى، أوسع بكثير من الحدود البشرية. يتم توزيع الموارد التي تغذي العمر عبر مجموعة واسعة جدًا من الظروف. على سبيل المثال، هناك طاقة كيميائية وفيرة في الينابيع الساخنة التي هي أساسًا حمض مغلي (الشكل\(\PageIndex{4}\)). يوفر هذا حافزًا كبيرًا للتطور لملء أكبر قدر من هذا النطاق بالحياة بقدر ما هو ممكن من الناحية الكيميائية الحيوية. يُعرف الكائن الحي (عادة ما يكون ميكروبًا) الذي يتحمل أو حتى يزدهر في ظل ظروف تعتبرها معظم الحياة من حولنا معادية، مثل درجة الحرارة المرتفعة أو المنخفضة جدًا أو الحموضة، باسم المتحمس الشديد (حيث تعني اللاحقة -phile «عاشق»). دعونا نلقي نظرة على بعض الظروف التي يمكن أن تتحدى الحياة والكائنات الحية التي تمكنت من إنشاء مكانة في أقصى حدود الاحتمالات.
يمكن أن تسبب درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة مشكلة مدى الحياة. بصفتك كائنًا كبيرًا، يمكنك الحفاظ على درجة حرارة ثابتة تقريبًا للجسم سواء كانت أكثر برودة أو دفئًا في البيئة المحيطة بك. لكن هذا غير ممكن في الحجم الصغير للكائنات الحية الدقيقة؛ مهما كانت درجة الحرارة في العالم الخارجي فهي أيضًا درجة حرارة الميكروب، ويجب أن تكون الكيمياء الحيوية الخاصة به قادرة على العمل عند درجة الحرارة هذه. تعد درجات الحرارة المرتفعة عدو التعقيد - تميل الطاقة الحرارية المتزايدة إلى تقسيم الجزيئات الكبيرة إلى أجزاء أصغر وأصغر، وتحتاج الحياة إلى تثبيت الجزيئات بروابط أقوى وبروتينات خاصة. لكن هذا النهج له حدوده.
ومع ذلك، كما لوحظ سابقًا، غالبًا ما توفر البيئات ذات درجات الحرارة العالية مثل الينابيع الساخنة والمنافذ الحرارية المائية مصادر وفيرة للطاقة الكيميائية وبالتالي تدفع تطور الكائنات الحية التي يمكنها تحمل درجات الحرارة المرتفعة (الشكل\(\PageIndex{5}\))؛ يسمى هذا الكائن الحي بمحبي الحرارة. حاليًا، يعد حامل سجل درجات الحرارة العالية كائنًا دقيقًا منتجًا للميثان يمكن أن ينمو عند 122 درجة مئوية، حيث يكون الضغط أيضًا مرتفعًا جدًا بحيث لا يزال الماء لا يغلي. هذا مذهل عندما تفكر في الأمر. نحن نطهو طعامنا — بمعنى أننا نغير كيمياء وهيكل جزيئاته الحيوية — عن طريق غليه عند درجة حرارة 100 درجة مئوية، في الواقع، يبدأ الطعام في الطهي في درجات حرارة أقل بكثير من ذلك. ومع ذلك، هناك كائنات حية لا تزال الكيمياء الحيوية الخاصة بها سليمة وتعمل بشكل جيد في درجات حرارة أعلى بـ 20 درجة.
يمكن أن يكون البرد أيضًا مشكلة، ويرجع ذلك جزئيًا إلى إبطاء عملية التمثيل الغذائي إلى مستويات منخفضة جدًا، ولكن أيضًا لأنه يمكن أن يسبب تغيرات جسدية في الجزيئات الحيوية. أغشية الخلايا - المغلفات الجزيئية التي تحيط بالخلايا وتسمح بتبادل المواد الكيميائية مع العالم الخارجي - مصنوعة أساسًا من جزيئات تشبه الدهون. ومثلما تتجمع الدهون عندما تبرد الأغشية، تتبلور الأغشية، وتغير طريقة عملها في تبادل المواد داخل وخارج الخلية. قامت بعض الخلايا المتكيفة مع البرد (تسمى الخلايا النفسية) بتغيير التركيب الكيميائي لأغشيتها من أجل التعامل مع هذه المشكلة؛ ولكن مرة أخرى، هناك حدود. حتى الآن، فإن أبرد درجة حرارة ثبت أن أي ميكروب يتكاثر فيها هي حوالي -25 درجة مئوية.
يمكن أن تكون الحالات شديدة الحموضة أو القلوية أيضًا مشكلة مدى الحياة لأن العديد من جزيئاتنا المهمة، مثل البروتينات والحمض النووي، تتحلل في ظل هذه الظروف. على سبيل المثال، يعد منظف الصرف المنزلي، الذي يقوم بعمله عن طريق تكسير التركيب الكيميائي لأشياء مثل قباقيب الشعر، محلولًا قلويًا للغاية. الكائنات الحية الأكثر تحملاً للحمض (الأسيدوفيل) قادرة على العيش عند قيم درجة الحموضة بالقرب من الصفر - حوالي عشرة ملايين مرة أكثر حمضية من الدم (الشكل\(\PageIndex{6}\)). على الطرف الآخر، يمكن أن تنمو بعض القلويات عند مستويات حموضة تبلغ حوالي 13، وهو ما يعادل درجة الحموضة في مواد التبييض المنزلية وأكثر قلوية بمليون مرة تقريبًا من دمك.
يمكن أن تسبب المستويات العالية من الأملاح في البيئة أيضًا مشكلة مدى الحياة لأن الملح يحجب بعض الوظائف الخلوية. تعرف البشر على ذلك منذ قرون وبدأوا في معالجة الطعام بالملح لمنعه من التلف - بمعنى، لمنعه من الاستعمار من قبل الكائنات الحية الدقيقة. ومع ذلك، تطورت بعض الميكروبات لتنمو في المياه المشبعة بكلوريد الصوديوم (ملح الطعام) - حوالي عشرة أضعاف ملوحة مياه البحر (الشكل\(\PageIndex{7}\)).
يمكن للضغوط العالية جدًا أن تضغط حرفيًا على جزيئات الحياة الحيوية، مما يجعلها تتبنى أشكالًا أكثر إحكاما لا تعمل بشكل جيد. لكننا ما زلنا نجد الحياة - ليس فقط الميكروبات، ولكن حتى الحياة الحيوانية - في قيعان خنادق المحيط، حيث تزيد الضغوط عن 1000 مرة من الضغط الجوي. العديد من التكيفات الأخرى مع «التطرف» البيئي معروفة أيضًا. حتى أن هناك كائنًا حيًا، Deinococcus radiodurans، يمكنه تحمل الإشعاع المؤين (مثل ذلك الذي تطلقه العناصر المشعة) أكثر كثافة بألف مرة مما يمكنك تحمله. كما أنها جيدة جدًا في النجاة من الجفاف الشديد (الجفاف) ومجموعة متنوعة من المعادن التي قد تكون سامة للإنسان.
من العديد من هذه الأمثلة، يمكننا أن نستنتج أن الحياة قادرة على تحمل مجموعة واسعة من الظروف البيئية المتطرفة - لدرجة أنه يتعين علينا العمل بجد لتحديد الأماكن التي لا يمكن أن توجد فيها الحياة. هناك عدد قليل من هذه الأماكن المعروفة - على سبيل المثال، تبدو مياه الفتحات الحرارية المائية عند أكثر من 300 درجة مئوية شديدة الحرارة لدعم أي حياة - ويساعد العثور على هذه الأماكن في تحديد إمكانية الحياة في أماكن أخرى. أدت دراسة عشاق التطرف على مدى العقود القليلة الماضية إلى توسيع إحساسنا بنطاق الظروف التي يمكن أن تستمر فيها الحياة، وبذلك جعلت العديد من العلماء أكثر تفاؤلاً بشأن احتمال وجود حياة خارج الأرض.
المفاهيم الأساسية والملخص
تسمى دراسة الحياة في الكون، بما في ذلك أصلها على الأرض، بالبيولوجيا الفلكية. تتطلب الحياة كما نعرفها الماء وبعض المواد الخام الأولية (الكربون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين والفوسفور والكبريت) والطاقة والبيئة التي تكون فيها كيمياء الحياة المعقدة مستقرة. الجزيئات القائمة على الكربون (أو العضوية) وفيرة في الفضاء وربما تكون قد تم إنتاجها أيضًا من خلال العمليات على الأرض. يبدو أن الحياة قد انتشرت حول كوكبنا في غضون 400 مليون سنة بعد انتهاء القصف العنيف، إن لم يكن قبل ذلك. الأصل الفعلي للحياة - العمليات المؤدية من الكيمياء إلى علم الأحياء - ليس مفهومًا تمامًا. بمجرد ترسخ الحياة، تطورت لاستخدام العديد من مصادر الطاقة، بما في ذلك أولاً مجموعة من المواد الكيميائية المختلفة والضوء لاحقًا، وتنوعت عبر مجموعة من الظروف البيئية التي يعتبرها البشر «قاسية». أدى انتشار الحياة هذا إلى العديد من المنافذ البيئية، بعد فترة وجيزة نسبيًا من تحول كوكبنا إلى صالح للسكن، إلى جعل العديد من العلماء متفائلين بشأن فرص وجود الحياة في أماكن أخرى.
مسرد المصطلحات
- أحماض أمينية
- المركبات العضوية التي تشكل اللبنات الجزيئية للبروتينات
- علم الأحياء الفلكية
- الدراسة متعددة التخصصات للحياة في الكون: أصلها وتطورها وتوزيعها ومصيرها؛ مصطلحات مماثلة هي علم الأحياء الخارجية وعلم الفلك الحيوي
- الحمض النووي (حمض الديوكسي ريبونوكلييك)
- جزيء يخزن معلومات حول كيفية تكرار الخلية ومكوناتها الكيميائية والهيكلية
- شديد الميل الجنسي
- كائن حي (عادة ما يكون ميكروبًا) يتحمل أو حتى يزدهر في ظل ظروف تعتبرها معظم الحياة من حولنا معادية، مثل درجات الحرارة العالية أو المنخفضة جدًا أو الحموضة
- جين
- الوحدة الوظيفية الأساسية التي تحمل المادة الوراثية (الوراثية) الموجودة في الخلية
- بيئة صالحة للسكن
- بيئة قادرة على استضافة الحياة
- مركب عضوي
- مركب يحتوي على الكربون، وخاصة مركب الكربون المعقد؛ لا تنتجه الحياة بالضرورة
- التمثيل الضوئي
- سلسلة معقدة من التفاعلات الكيميائية التي يمكن من خلالها لبعض الكائنات الحية استخدام ضوء الشمس لتصنيع منتجات تخزن الطاقة (مثل الكربوهيدرات)، مما يؤدي إلى إطلاق الأكسجين كمنتج ثانوي
- بروتين
- جزيء بيولوجي رئيسي يوفر بنية ووظيفة أنسجة وأعضاء الجسم، ويقوم بشكل أساسي بالعمل الكيميائي للخلية
- RNA (حمض الريبونوكليك)
- جزيء يساعد في تدفق المعلومات الجينية من الحمض النووي إلى البروتينات
- ستروماتوليت
- التكوينات الصخرية الصلبة ذات الطبقات التي يُعتقد أنها حفريات بكتيريا التمثيل الضوئي المنتجة للأكسجين في الصخور التي يبلغ عمرها 3.5 مليار سنة
- ثيرموفيل
- كائن حي يمكنه تحمل درجات الحرارة المرتفعة