بارهای کوچک در اسپری آب می‌توانند تشکیل بیوشیمی‌های کلیدی را تحریک کنند

بارهای الکتریکی و تشکیل مواد شیمیایی پیش از حیات

بارهای الکتریکی باعث می‌شوند که قطرات آب در جو زمین اولیه، مواد شیمیایی پیش از حیات را انباشته کنند.

ما می‌دانیم که زمین حدود ۴.۵۴ میلیارد سال پیش شکل گرفته و اولین موجودات زنده یک‌سلولی حدود یک میلیارد سال بعد از آن وجود داشته‌اند. اما آنچه که نمی‌دانیم این است که چه چیزی فرایند تبدیل سیاره ما از یک توپ سنگی بی‌حیات به دنیایی که میزبان تنوع شگفت‌انگیزی از موجودات زنده است را تحریک کرده است. ریچارد زاره، استاد شیمی دانشگاه استنفورد می‌گوید: "ما در تلاش هستیم تا بفهمیم چگونه از غیرزندگی به زندگی می‌رسیم. اکنون فکر می‌کنم که ما واقعاً به حل این معما کمک کرده‌ایم." زاره نویسنده ارشد مطالعه‌ای جدید درباره یک فرایند الکتروشیمیایی ناشناخته است که ممکن است به تأمین مواد خام مورد نیاز برای حیات کمک کرده باشد.

برق در لامپ

تحقیقات علمی درباره آغاز حیات در زمین از دهه ۱۹۲۰ با الکساندر اوپارین و جی. بی. اس. هالدین آغاز شد، دانشمندانی که به‌طور مستقل پیشنهاد کردند که حیات در زمین می‌تواند از طریق یک فرایند تکامل شیمیایی تدریجی شکل گرفته باشد. به نظر آن‌ها، مولکول‌های غیرآلی ممکن است به دلیل انرژی از خورشید یا صاعقه‌ها واکنش نشان دهند تا بلوک‌های سازنده حیات، مانند آمینو اسیدها را تشکیل دهند. اوپارین و هالدین استدلال کردند که این بلوک‌های سازنده می‌توانند در اقیانوس‌ها انباشته شوند و یک "سوپ اولیه" را تشکیل دهند.

این مفهوم اوپارین-هالدین در یک آزمایش پیشگامانه توسط استنلی میلر و هارولد یوری در دانشگاه شیکاگو در سال ۱۹۵۳ آزمایش شد. زاره می‌گوید: "آن‌ها یک لامپ شیشه‌ای و یک شمع جرقه مانند در یک خودرو گرفتند. آن‌ها لامپ را با گازهایی مانند متان، آمونیاک و بخار آب پر کردند و یک جرقه درون لامپ ایجاد کردند." میلر و یوری دریافتند که این عمل باعث تشکیل گلیسین، هیدروژن سیانید، آلانین و سایر بلوک‌های سازنده حیات شده است. اما زاره به اعتراضات مهمی به فرضیه میلر-یوری اشاره می‌کند.

اهمیت اندازه

اولین اعتراض این بود که صاعقه‌ها متناوب و غیرقابل پیش‌بینی بودند. ترکیباتی که توسط صاعقه‌ها در جو تولید می‌شدند به طور گسترده‌ای پراکنده می‌شدند، که این مسئله بسیار مهم است زیرا ساخت بلوک‌های سازنده ساده کافی نیست. این بلوک‌های سازنده باید در نزدیکی یکدیگر باقی بمانند تا بتوانند به مولکول‌های بزرگ‌تری مانند پروتئین‌ها ترکیب شوند. برای اینکه واقعاً حیات را شروع کنند، صاعقه‌ای که میلر و یوری پیشنهاد کردند باید مواد را بارها و بارها به همان برکه بریزد، که به نظر می‌رسد چندان محتمل نیست.

اولین نشانه‌ها از یک جایگزین برای صاعقه در سال ۲۰۲۴ ظاهر شد، زمانی که تیمی از دانشمندان هندی به رهبری شیدباس بانرجی مشاهده کردند که قطرات آب میکرونی و الکتریسیته خنثی از اسپری‌های صوتی، رطوبت‌سازها، بطری‌های اسپری و غیره می‌توانند به طور خودبه‌خود مولکول‌های گاز اطراف را یونیزه کنند، درست مانند صاعقه‌ها. بانرجی این پدیده را به تخلیه‌های الکتریکی در یک هاله اطراف قطرات آب نسبت داد، اما زاره می‌خواست این پدیده را بیشتر بررسی کند.

مشخص شد که میلر و یوری ممکن است درست گفته باشند که حیات با چیزی بسیار شبیه به صاعقه آغاز شده است. فقط این صاعقه احتمالاً بسیار، بسیار کوچکتر از آنچه که آن‌ها فکر می‌کردند، بوده است.

قطرات معلق

زاره و تیمش، مانند بانرجی و همکارانش، با قطرات آب الکتریسیته خنثی شروع کردند. آن‌ها این قطرات را با استفاده از لوتاسیون صوتی در هوا معلق کردند و رفتار قطرات را با دوربین با سرعت بالا ضبط کردند. زمانی که یک قطره با نزدیک کردن تجهیزات صوتی به هم فشرده می‌شد، قطرات کوچکتری از سطح آن جدا می‌شدند و در اطراف آن معلق می‌شدند. در این مرحله، هم قطرات کوچک و هم بزرگ بار الکتریکی پیدا کردند. زاره توضیح می‌دهد: "الکترون‌ها از قطرات بزرگ به قطرات کوچک پرش کردند." بنابراین قطرات بزرگ بار مثبت و قطرات کوچک بار منفی پیدا کردند.

برای تأیید این مکانیزم انباشته شدن بار الکتریکی، تیم الکترودهای بار منفی و مثبت را در طرفین مقابل قطرات معلق قرار داد. دوربین قطرات کوچک را که به سمت سطح بار مثبت جذب می‌شدند، ثبت کرد. اما همچنین چیزی دیگر را ثبت کرد. زاره می‌گوید: "ما می‌توانستیم ببینیم که بار بین قطرات با بار منفی و مثبت پرش می‌کند. این واقعاً یک شگفتی بود. این خبر است! ما همه صاعقه را دیده‌ایم، اما هیچ‌کس هرگز میکرو-صاعقه را در قطرات ندیده است."

مواد سازنده حیات

پس از اینکه میکرو-صاعقه‌ها شروع به پرش بین قطرات در یک مخلوط گاز مشابه با آنچه که میلر و یوری استفاده کرده بودند، کردند، تیم ترکیب شیمیایی آن‌ها را با یک طیف‌سنج جرمی بررسی کرد. آن‌ها تأیید کردند که گلیسین، اوراسیل، اوره، سیانو اتیلن و بسیاری از ترکیبات شیمیایی دیگر تولید شده‌اند. زاره ادعا می‌کند: "میکرو-صاعقه‌ها تمام مولکول‌های آلی مشاهده شده قبلی در آزمایش میلر-یوری را بدون هیچ ولتاژ خارجی تولید کردند."

اما آیا واقعاً ما را به توضیح آغاز حیات نزدیک‌تر می‌کند؟ بعد از همه، میلر و یوری قبلاً نشان داده بودند که این مولکول‌ها می‌توانند توسط تخلیه‌های الکتریکی در جو اولیه زمین تولید شوند—آیا مهم است که این تخلیه‌ها از کجا آمده‌اند؟ زاره استدلال می‌کند که این مهم است.

زاره پیشنهاد می‌کند: "صاعقه متناوب است، بنابراین برای این مولکول‌ها دشوار خواهد بود که متمرکز شوند. اما اگر به امواجی که به صخره‌ها برخورد می‌کنند نگاه کنید، می‌توانید فکر کنید که اسپری به راحتی به درزهای این صخره‌ها می‌رود." او پیشنهاد می‌کند که آب در این درزها تبخیر می‌شود و اسپری جدید وارد می‌شود و دوباره و دوباره تبخیر می‌شود. این خشک شدن چرخه‌ای باعث می‌شود که پیش‌سازهای شیمیایی به مولکول‌های پیچیده‌تری تبدیل شوند. زاره استدلال می‌کند: "وقتی از چنین چرخه خشکی عبور می‌کنید، باعث پلیمریزاسیون می‌شود، که اینگونه DNA ساخته می‌شود." از آنجا که منابع اسپری احتمالاً در زمین اولیه رایج بوده‌اند، زاره فکر می‌کند که این فرایند می‌تواند مواد شیمیایی آلی بیشتری نسبت به جایگزین‌های احتمالی مانند صاعقه‌ها، چشمه‌های هیدروترمال یا برخورد دنباله‌دارها تولید کند.

اما حتی اگر میکرو-صاعقه واقعاً بلوک‌های سازنده اصلی حیات را در زمین تولید کرده باشد، هنوز مطمئن نیستیم که چگونه این‌ها به موجودات زنده ترکیب شده‌اند. زاره می‌گوید: "ما حیات را ایجاد نکردیم. ما فقط یک مکانیزم ممکن را نشان دادیم که به ما برخی از ترکیبات شیمیایی را می‌دهد که در حیات وجود دارد." او می‌گوید: "مهم است که در مورد این مسائل بسیار متواضع باشیم."