התיאוריה של סינתזה אביוטית: מה היא ועל אילו שאלות היא מנסה לענות

הבנת מקור החיים היא, עבור האדם, אחד הנושאים המורכבים והמיסטיים ביותר שניתן להציע. איך התא, היחידה הבסיסית של יצורים חיים, נוצר מתרכובות לא-חיות? מהי הסיבה הבסיסית שהובילה להופעת יצורים חיים מהיסודות המרכיבים אותם?

המושג הפשוט של "אי-חיים" מורכב מאוד להבנה מכיוון שעל כוכב לכת עם יותר מ-8.7 מיליון מינים משוערים (רובם ללא לגלות), העובדה הפשוטה של ​​להגות את היעדר חומר אורגני חי בנקודה מסוימת בהיסטוריה של כדור הארץ היא, ללא ספק, אתגר אפילו עבור הטובים שבבני האדם. מדענים.

כאן נחקור נושא שחורג מעצם קיומו של האדם, מאחר שאנו מנסים להבהיר את ההשערות וההנחות שניסו להסביר את מקור החיים אצלנו כוכב לכת. זה ההיקף של אביוגנזה ותאוריית הסינתזה האביוטית, שם מדובר בהסבר קיומו של הוויה יש מאין.

• מאמר קשור: "10 התיאוריות המובילות על מקור החיים"

מהי התיאוריה של סינתזה אביוטית?

אביוגנזה מתייחסת ל תהליך טבעי של הופעת חיים מאי-קיומם, כלומר מבוסס על חומר אינרטי, תרכובות אורגניות פשוטות. הקהילה המדעית מעריכה שמקור החיים מתקופה בת 4,410 מיליון שנים, כאשר הקיטור של מים החלו להתעבות באופן קבוע על כדור הארץ, ולפני 3,770 מיליון שנים, רגעים שבהם הסימנים הראשונים של חַיִים.

התיאוריה ה"קלאסית" של מקור החיים כרוכה בכמה חסרונות לוגיסטיים בלתי עבירים, שסוקרו במאמרי סקירה מדעיים. במספר מקרים. כדי להבין את המורכבות בעת הבהרת תהליך זה, אנו מציגים כמה מהם:

• הנחות אלו מסתירות את עצם המושג "חיים". אין מסקנה ניתנת לצמצום לגבי סינתזה עצמית של צורות חיים במרחב-זמן.
• הייצור של היצורים החיים הראשונים נמצא בים הפרימיטיביים, שתנאיהם היו אגרסיביים מכדי שכל סוג של חיים ישגשג.
• הוא קובע כי הפרוטוביונטים "קיבלו" חיים על ידי העובדה הפשוטה של ​​רכישת מבנה מולקולרי מורכב.
• כדי שמשהו יהיה חי, נדרש DNA, עובדה כמעט בלתי נתפסת בסביבה קשה מבחינה אקלימית כמו הים הפרימיטיביים.
• מה היה הראשון: הביצה או התרנגולת? כלומר, כיצד השתכפלו היצורים החיים הראשונים אם נניח שלא היה להם DNA או RNA?

הגיע הזמן להיות קצת מטפיזי, כי הנקודה השלישית ברשימה הזו מושכת במיוחד את תשומת ליבנו. אפילו לא הזמנתם את כל החומרים הנדרשים להוליד את סוג התא הפשוט מכולם, הצלחנו להשיג מבנה שחווה את החיים, סיבה שבגינה ה"הוויה" חייבת להוות משהו יותר מסך כל חלקיה, נכון?

סינתזה אביוטית ממולקולות אורגניות: הניסוי של מילר

את התיאוריה של סינתזה אביוטית לא ניתן היה להגות היום ללא הניסוי של מילר, שהיה בוצע בשנת 1953 על ידי סטנלי מילר והרולד קלייטון אורי (ביולוג וכימאי) באוניברסיטת שיקגו. כדי לנסות להסביר את מקור החיים בסביבת מעבדה, המומחים הללו נזקקו לסדרה של מיכלי זכוכית וצינורות המחוברים יחד במעגל סגור.

בקווים כלליים, ניתן לסכם את הניסוי במושגים הבאים: תערובת של מים, מתאן, אמוניה, פחמן דו חמצני, חנקן ו מימן (התרכובות שקיימות אולי בזמן מוצא החיים) וזה היה נתון לפריקות חשמליות של 60,000 וולט בחום גבוה מאוד גובה.

מהיסודות הללו, מהאנרגיה המסופקת למערכת ומצינורות הזכוכית המחוברים ביניהם התקבלו מולקולות אורגניות שונות, כולל גלוקוז וכמה חומצות אמינו. תרכובות אלו חיוניות לסינתזת חלבון על ידי תאים, כלומר, הבסיס לצמיחה והתפתחות שלהם.

לאחר הניסוי המדהים הזה, גרסאות שונות של ההליך בוצעו במעבדה. הודות לניסויי ניסוי וטעייה, אבני הדרך הבאות הושגו:

• הם הצליחו ליצור, מתרכובות אנאורגניות, 17 מתוך 20 חומצות האמינו המרכיבות חלבונים.
• כל בסיסי הפורין והפירימידין סונתזו המאפשרים יצירת נוקלאוטידים, המתחברים ליצירת DNA ו-RNA בתא.
• מחקר אחד טוען שיצר נוקלאוטידים מבסיסי פירמידין, אם כי תהליך זה קשה הרבה יותר להשגה.
• 9 מתוך 11 מתווכים במחזור קרבס נוצרו.

למרות כל ההתקדמות הללו, הסבר היווצרות של חומר אורגני מאי-אורגני נותר בגדר חידה. לדוגמה, התיאוריה היא שבזמן מוצא החיים, ריכוז המתאן והאמוניה ב האווירה לא הייתה גבוהה, וזו הסיבה שהניסוי שחשפנו בפניכם קצת מאבד כּוֹחַ. בנוסף, הסבר מקורן של מולקולות אורגניות הוא הצעד הראשון להבנת הופעת ה- חיים, אבל כפי שראינו, אסוציאציה של מולקולות דורשת משהו "מיוחד" כדי להיתפס כ חַיִים.

• אולי יעניין אותך: "תורת האבולוציה הביולוגית: מה היא ומה היא מסבירה"

השערת מקור החיים

להשערת תגובה למקור החיים, עליה לפתור את הספקות הבאים:

• כיצד נוצרו המולקולות החיוניות שמגדירות חיים, כלומר חומצות אמינו ונוקלאוטידים (הניסוי שתואר קודם יכול לתת תשובה חלקית).
• כיצד תרכובות אלו היו קשורות להוליד מקרומולקולות, כלומר DNA, RNA וחלבונים (תהליך הרבה יותר קשה של הסבר).
• כיצד הצליחו המקרומולקולות הללו לשחזר את עצמן (אין תשובה).
• כיצד תוחמו המקרומולקולות הללו בצורות אוטונומיות שהופרדו מהסביבה, כלומר התא.

אולי הניסוי של מילר והגרסאות שלו מכסים, במידה מסוימת, את שתי השאלות הראשונות. למרות זאת, להסביר את שאר הלא ידועים היא משימה מרתיעה. בשנת 2016, מחקר בכתב העת Nature הצליח ללכת צעד אחד קדימה ביחס לנושא זה: חקר את הפיזיקה של "טיפות פעילות" קטנות שנוצרו על ידי הפרדה של מולקולות בתערובות מורכבות הנובעות משינויי פאזה. במילים אחרות, הן היו טיפות פעילות כימית שממחזרות רכיבים כימיים לתוך והחוצה לנוזל שמסביב.

מה שמרתק במחקר הזה הוא שהמתרגלים גילו שהטיפות האלה נטו לגדול לגודל של תא, ובמידה מסוימת, מחולקות בתהליכים דומים. זה יכול להניח מודל ברור ל"פרוטוצל הפרה-ביוטי", כלומר, קיומן של ישויות מדורגות בהן מתרחשים תהליכים כימיים למרות העובדה שהם לא היו חיים כשלעצמם. כמובן, אנחנו נעים בתחומים שקשה להבין, אבל הרעיון הכללי הוא הבא: מתבצעות התקדמות מדעית המנסות לענות על השאלות מניח את הדעת.

השערות אחרות

אביוגנזה על כדור הארץ, או מה שזה אותו הדבר, התיאוריה של סינתזה אביוטית (יצירת חיים מחומר אורגני) הן אינן ההשערות היחידות שנחשבות להסביר את החיים על הפלנטה שלנו. הדוגמה המובהקת לכך היא ה פנספרמיה, זרם אחר לגמרי שמנסה להסביר את הגעתם של המיקרואורגניזמים הראשונים לכדור הארץ באמצעות גופים אקסוגניים, כלומר מטאוריטים.

מאז התגלו תגליות רבות בנושא זה כמה מושבות חיידקים הראו עמידות לתנאי החלל, היציאה ממסלולו של כוכב לכת והכניסה שלאחר מכן. למרות זאת, לא ניתן היה לוודא הישרדות ב-3 השלבים בו זמנית ושוב אנו עוסקים בתנאי מעבדה.

גם השערות כמו פנספרמיה מהוות בעיה בפני עצמן, שכן הן מנסות להסביר כיצד הגיעו החיים לכדור הארץ, אך לא את מקורם בפועל. מסיבה זו, העובדה שחיבור של מולקולות אורגניות הוליד חיים נותרה, עד היום, עלום אמיתי.

סיכום

כפי שהצלחנו לראות, מאז הניסוי של מילר נעשתה התקדמות עצומה במונחים של תיאוריית הסינתזה האביוטית: מהסינתזה של כמעט כל חומצות האמינו עד לנוקלאוטיד, הן כמעט הצליחו ליצור את "כל" היסודות הדרושים מחומר אנאורגני לתא להכניס את עצמו לתוכו מרץ.

למרבה הצער, נותרה השאלה: כיצד התחברו מולקולות אלו והולידו את התא? מחקר כמו זה שתואר בעבר ופורסם בכתב העת Nature מנסה לענות על שאלה זו, באמצעות ה מחקר של "פרוטו-תאים" שאינם חיים המורכבים ממולקולות אורגניות המגיבות עם הסביבה באופן דומה לישות טלפון נייד. כמובן, יש עוד דרך ארוכה לעבור ושאלת מקור החיים נשארת בתוקף.

הפניות ביבליוגרפיות:

• אביוגנזה, מקור החיים על פני כדור הארץ, נאסיף נחלה סבג, ספריית אומגלפא.
• Menez, B., Pisapia, C., Andreani, M., Jamme, F., Vanbellingen, Q. פ., ברונל, א.,... & Réfrégiers, M. (2018). סינתזה אביוטית של חומצות אמינו בשקעים של הליתוספירה האוקיאנית. טבע, 564(7734), 59-63.
• Zwicker, D., Seyboldt, R., Weber, C. א., היימן, א. א., וג'וליכר, פ. (2017). צמיחה וחלוקה של טיפות פעילות מספקות מודל לפרוטוקולים. פיסיקה של הטבע, 13(4), 408-413.