نوشته

پیدایش و فرگشت حیات به روايت «استوارت كافمن»

جهان هستی در پسِ فیزیک

سروش سارابی / پژوهشگر منشأ حیات

روزنامه شرق/پنجشنبه 30 خرداد 1398/سال شانزدهم/شماره 3455

حیات بر روی کره زمین یک معمای شوق‌انگیز است، جورچینی است که با پیدا شدن هر قطعه آن تصویر شگفت‌انگیزش بیش ‌از پیش نمایان می‌شود. تاریخ پیدایش بنیان‌های حیات مانند هر پدیده دیگری هم‌زمان با پیدایش اولین اتم‌ها در جهان هستی بوده است. به نظر می‌رسد اولین باری که فرایندهای حیاتی برای گونه ما حائز اهمیت شده است در آغاز دوران یکجانشینی گونه هومو ساپینس بوده باشد. اجداد ما در آن دوران فهمیده بودند که می‌توانند برخی از فرآیندهای مرتبط با حیات را کنترل کنند. آنها آموخته بودند که می‌توان برخی از گیاهان و یا جانوران را اهلی کرده و با کنترل آنها برخی از مشکلات خود را که تا پیش از آن در دوران قبل از یکجانشینی با آنها روبه‌رو بودند، حل كنند. در دوران مدرن امروز حیات و تمامی مفاهیم وابسته به آن شکل جدیدی برای گونه ما پیدا کرده است. حیات امروز یک انگیزه قدرتمند است برای کشف و هرچه علم در حوزه‌های مختلف پیشرفت می‌کند، درک ما نیز از چگونگی آغاز و پیشرفتش عمیق‌تر می‌شود. چه زیباست غواصی در این اقیانوس ژرف.

روزی که چارلز داروین بزرگ با دستاوردهایش زیست‌شناسی و حیات را دگرگون کرد، هیچ‌کس از وجود DNA خبر نداشت تا زمانی که جيمز واتسون و فرانسيس کریک نشان دادند که چگونه وقوع تفکرات داروین در مکانیسم‌های حیاتی امکان‌پذیر هستند. از آن زمان‌ها بسیار گذشته است و امروز دانش ما درباره آغاز حیات، از پیدایش اولین سلول‌ها زنده تا تمام حیاتی که امروز بر روی کره زمین می‌شناسیم، بسیار جامع و مستند است. در مورد چگونگی آغاز حیات و چگونگی مکانیسم‌هایی که به ‌عنوان نیروی پیشرانه حیات در مسیری که در آن قرارگرفته است و موفق شده است، هنوز پرسش‌هایی وجود دارد. در میان این پرسش‌ها، بی‌جان‌زایش یا آبیوژنسیس که دانش بررسی چگونگی آغاز یک ماشین حیاتی از مواد اولیه شیمیایی است، رازهای فراوانی همراه خود دارد. در مورد داستان پیدایش حیات که پیش ‌از این در صفحه علم روزنامه شرق به آن پرداخته بودم، دو جنبه از حیات شامل چگونگی پیدایش گونه‌ها از اولین موجودات تک‌سلولی و چگونگی پیدایش اولین سلول‌های زیستی از مواد اولیه شیمیایی بی‌جان را به شکل کلی مورد بررسی قرار دادم. در بخش فرگشت داستان حیات، به‌واسطه دستاوردهای شگرف داروین، واتسون-کریک و تمامی دانشمندان حوزه‌های مختلف علم تا به امروز مسیر روشن و مستندی داریم، اما در بخش اول یا بی‌جان‌زایش نیازمند حل پرسش‌های مختلف هستیم. پروفسور استوارت کافمن پزشک آمریکایی، زیست‌شناس نظری و محقق سیستم‌های پیچیده است که بر روی منشأ حیات بر روی کره زمین تحقیق می‌کند. کافمن برنده جوایز مختلف و دارای سوابق تدریس و تحقیقات در دانشگاه‌های گوناگون است. او از سال ۱۹۹۳ تا ۲۰۱۹ شش کتاب مهم در حوزه حیات و مفاهیم وابسته به آن و ده‌ها مقاله علمی در ژورنال‌های مختلف تخصصی، نوشته و منتشر کرده است. جدیدترین کتاب پروفسور کافمن (A World Beyond Physics: The Emergence & Evolution of Life)که کمتر از دو ماه پیش چاپ و منتشر شد دربرگیرنده مطالب بسیار مهمی درباره فرآیندهای بی‌جان‌زایش است. کافمن عنوان جهان هستی در پس فیزیک: پیدایش و فرگشت حیات را برای کتاب خود در نظر گرفته است که به نظر می‌رسد برای این کتاب عنوانی بسیار در خور و شایسته است. او در این کتاب مسئله بسیار مهم نقش قوانین فیزیک در فرآیندهای بی‌جان‌زایش را به‌عنوان محور اصلی در نظر گرفته و توضیح می‌دهد که چگونه قوانین فیزیک می‌تواند برای پیدایش فرایندهای تکثیر مولکولی، متابولیسم تا رسیدن به پروتوسل از یک محیط شیمیایی پیچیده توضیح ارائه کند. کافمن در این کتاب پیش ‌از این هم پیش می‌رود تا جایی که می‌پرسد آیا قوانین فیزیک می‌توانند برای فرگشت حیات از سلول‌های اولیه تا آنچه امروز ما به‌عنوان زندگی بر روی کره زمین می‌شناسیم، نیز توضیح ارائه کنند.

به بهانه معرفی این کتاب مهم و به‌واسطه آغاز جذاب کتاب، قصد دارم در میان معرفی این اثر شکوهمند به یک مسئله سؤال‌برانگیز در پیدایش حیات که محل مناقشه ناباوران به علم قرار دارد و از آن به‌عنوان یکی از ابزارهای مخالفت با تئوری علمی فرگشت استفاده می‌کنند، پاسخ بدهم. البته بهتر است بگویم که پروفسور کافمن به زیبایی برای این گروه از افراد پاسخی ارائه کرده و من تنها کمی موضوع را به زبان ساده‌تر مطرح خواهم کرد؛ درعین‌حالی که به نوشته کتاب توسط ایشان وفادار خواهم ماند. پروفسور کافمن کتاب خود را با یک موضوع بسیار مهم و چالش‌برانگیز در حوزه حیات و فرگشت شروع می‌کند. مناقشه ساخته شدن پروتئین ‌ها که توسط مخالفان تئوری علمی فرگشت به‌عنوان یک نقص در مکانیسم تکامل حیات مطرح می‌شود. البته هدف کافمن از طرح این موضوع ارائه پاسخ به ادعای این افراد نبود بلکه برای تشریح مباحث آتی خود نیاز به توضیح یک مفهوم در علم آمار داشته است.

پروفسور کافمن برای طرح این مسئله ابتدا سؤال می‌کند: آیا فرایندهای بنیادی و ابتدایی جهان هستی تمام انواع اتم‌ها را ساخته است؟ و در پاسخ می‌نویسد: بله همین‌طور هست. بوزون‌ها و فرمیون‌ها به ‌تمامی حالات ممکن به یکدیگر متصل شده‌اند تا بیشتر از 100 عنصر که بلوک‌های سازنده همه مواد هستند را به وجود آورند. او در ادامه می‌پرسد: آیا فرایندهای بنیادی و اولیه جهان هستی همه ساختارهای پیچیده را به وجود آورده است؟ و در پاسخ می‌گوید: خیر، نه همه ساختارهای پیچیده را. اغلب ساختارهای پیچیده هرگز در ابتدای پیدایش جهان هستی و فرایندهای بنیادی آن، اصلاً وجود نداشته‌اند. پروفسور کافمن برای توضیح بیشتر موضوع این‌گونه ادامه می‌دهد: یک مثال ساده برای علت پاسخ نه به سؤال قبل می‌تواند پروتئین باشد. پروتئین‌ها توالی خطی از بیست نوع آمینواسید هستند (آلانین، فنیل‌آلانین، تریپتوفان، لیزین و...). برای به وجود آمدن هر پروتئین مشخص تنها یک چیدمان خاص از توالی انواع آمینواسیدها در امتداد هم (به شکل یک زنجیره اصلی از آمینواسید) ممکن خواهد بود که توسط پیوندهای پپتیدی به یکدیگر متصل می‌شوند. علاوه بر این توالی خاص برای ساخت هر پروتئین ساختار هندسی پیچ‌وتاب خوردگی این زنجیره آمینواسیدی، خود یک روش پیچیده برای تأمین کارکرد پروتئین در سلول است. یک پروتئین معمولی در انسان یک توالی خطی از حدود 300 آمینواسید است و البته برخی دیگری از پروتئین‌ها هم هستند که طولی بیش از هزاران آمینواسید دارند. اکنون تصور کنید یک توالی به طول 200 آمینواسید داریم در این حالت چند پروتئین می‌تواند وجود داشته باشد؟ ازآنجایی‌که برای هر محل از این توالی می‌تواند 20 آمینواسید وجود داشته باشد و طول این توالی را 200 آمینواسید در نظر گرفتیم پس درنتیجه تعداد 20 به توان 200 پروتئین می‌تواند در یک توالی 200 تایی به وجود بیاید. چیزی حدود 10 به توان 260 نوع پروتئین (260 صفر را در مقابل یک عدد تصور کنید!). درواقع نتیجه برای یک توالی 200 طایی عددی فرانجومی خواهد بود. حالا اگر از بعد مدت‌زمان ساخت برای هر پروتئین به این عدد نگاه کنیم متوجه می‌شویم که جهان هستی، به‌صورت مستقیم مثل فرایند تولید اتم‌ها، در بهترین حالت نمی‌توانسته است چیزی بیشتر از کسر کوچکی از این تعداد را به وجود آورده باشد. در بهترین تخمین ما عمر جهان هستی چیزی حدود 13.7 میلیارد سال یا 10 به توان 17 ثانیه است. در حدود 10 به توان 80 ذره در این جهان هستی که می‌شناسیم، وجود دارد و به لطف مکانیک کوانتومی می‌دانیم که در کوتاه‌ترین زمانی که یک پدیده در جهان هستی می‌تواند رخ دهد زمان پلانک است یعنی تقریباً 10 به توان 43- ثانیه.

این محاسبات نشان می‌دهد اگر که تمام ذرات موجود در جهان هستی از ابتدای بیگ‌بنگ تا اکنون هیچ کار دیگری جز تولید پروتئین انجام نداده باشند تنها کسر کوچکی از تعداد پروتئین‌های ممکن برای یک توالی 200 تایی از آمینواسیدها می‌تواند ساخته ‌شده باشد. در اینجا مخالفان فرگشت به ‌اشتباه از این محاسبات سوءاستفاده کرده و می‌گویند که احتمال به وجود آمدن موجودات زنده بر اساس تصادف ممکن نیست. پس فرگشت به‌عنوان یک فرایند وابسته به تصادف نمی‌تواند منجر به پیدایش گونه‌های زیستی شود. در اینجا مخالفان فرگشت دو اشتباه بزرگ بنیادی می‌کنند. اول اینکه فرگشت موجودات زنده هیچ ارتباطی به فرایند تصادفی ندارد. فرگشت یک چهارچوب برای تعریف چگونگی پیدایش گونه‌های زیستی است. درواقع فرگشت در چهارچوب کلی خود اصلاً تابع تصادف نیست بلکه مزیت زیستی صفات گونه‌ها، بدون دخالت هیچ حالت تصادفی، رکن اصلی فرگشت موجودات زنده است. تنها بخش تصادفی فرایندهای زیستی می‌تواند بروز برخی از جهش‌های ژنتیکی به‌عنوان یکی از علل بروز صفات جدید باشد؛ اما اشتباه دوم آنها برگرفته از همین محاسباتی است که پروفسور کافمن در این بخش آورده است. در اینجا پروفسور کافمن قصد دارد دقیقاً به همین نکته اشاره کند که جهان هستی قادر به تولید ساختارهای پیچیده نبوده و تنها اتم‌ها ناشی از فرایندهای بنیادی جهان هستی هستند. پس با توجه به اینکه جهان هستی نمی‌توانسته است سازنده ساختارهای پیچیده باشد، چگونه پیدایش این ساختارها را می‌توان توضیح داد؟ در اینجا پروفسور کافمن مفهوم «فرایندهای تاریخچه‌دار»(Historical Process)  را مطرح می‌کند. منظور از فرایندهای تاریخچه‌دار فرایندهایی هستند که تاریخچه وضعیت‌های پیشین خود را حفظ می‌کنند و در ادامه جهت رسیدن به پایداری تنها تغییرات مورد نیاز را اعمال می‌کنند. اجازه دهید مثال ساده‌ای برای توضیح این مفهوم بزنم. فرض کنید هزار گوی وجود دارد که هیچ‌کدام اندازه‌های یکسانی ندارند و قرار است که این گوی‌ها بدون دخالت مستقیم بر اساس اندازه از بزرگ به کوچک مرتب شوند. اگر قرار باشد که هر بار به‌صورت تصادفی این گوی‌ها چیده شوند تعداد دفعات ممکن تا زمانی که یک حالت صحیح از چیدمان موردنظر رخ دهد بسیار زیاد خواهد شد و در زمان منطقی، نشدنی است، اما اگر در محل قرار گرفتن این گوی‌ها گودال‌هایی به‌اندازه همه گوی‌ها به ترتیب وجود داشته باشد با هر چیدمان تصادفی ممکن است یک یا چند گوی در گودال هم‌اندازه خود قرار گرفته و از مراحل تکرار چیدمان تصادفی خارج شوند. درواقع این فرایند وابسته به تاریخچه پیشین خود است و گوی‌هایی که در مکان مناسب قرار دارند را در ادامه حالات تصادفی چیدمان قرار نمی‌دهد و بدیهی است که درنهایت در زمان بسیار کوتاه‌تر و تعداد دفعات بسیار کمتری امکان مرتب‌سازی این گوی‌ها بر اساس چیدمان تصادفی وجود خواهد داشت. در فیزیک به این نوع حفظ تاریخچه غیر ارگودیک (Nonergodic) گفته می‌شود. درواقع فرایندهای ارگودیک فرایندهایی هستند که تا قبل از رسیدن به پایداری همه وضعیت‌های ممکن خود را در یک‌زمان منطقی تجربه می‌کنند مانند حالت اول در مثال مرتب‌سازی گوی‌ها که هنوز گودال‌ها وجود نداشت. در مقابل فرایندهای غیرارگودیک همه حالت ممکن خود را تجربه نمی‌کنند؛ مانند بخش دوم مثال گوی‌ها و یا ساخته ‌شدن یک پروتئین از آمینواسیدها. درواقع اشتباه دوم بنیادی مخالفان فرگشت که متکی بر مشکل زمان در پیدایش پروتئین‌ها است بر اساس تصور اشتباه آنها مبنی بر ارگودیک بودن فرایند است، درحالی‌که فرایند پیدایش پروتئین‌ها یک فرایند غیرارگودیک هست. درواقع می‌توان گفت که جهان هستی در مورد پیدایش اتم‌ها ارگودیک بوده ولی در مقابل پیدایش مولکول‌های پیچیده غیرارگودیک است. در ادامه پروفسور کافمن به بررسی نقش قوانین فیزیک در فرایندهای زیستی می‌پردازد و به مفاهیمی مانند ارگانیسم از زوایای دیگری نگاه می‌کند.

در فصل دوم کتاب پروفسور کافمن در مورد چگونگی امکان بروز یک عملکرد از یک فرایند صحبت می‌کند درواقع اینکه چگونه یک کارایی می‌تواند به وجود بیاید. در فصل سوم کتاب به مجموعه مباحثی پرداخته می‌شود که می‌تواند چرایی و چگونگی امکان تکثیر یک ارگانیسم را بر مبنای قوانین فیزیک توضیح دهد. در فصل چهارم بنیادهای پیدایش حیات مانند جهان RNA و جهان لیپیدها در کنار سایر مفاهیمی مانند نیرو پیشرانه حیات موردبررسی قرار می‌گیرند. در این بخش‌ها نقش قوانین فیزیک در امکان پیدایش بنیان‌های اولیه حیات به‌عنوان نیروی محرکه بررسی می‌شود. پروفسور کافمن در فصل پنجم این کتاب به مسئله متابولیسم می‌پردازد و اینکه فرایند متابولیسم چگونه می‌تواند به وجود بیاید. فصل ششم در مورد ساختارهای پیش از پیدایش سلول با عنوان پروتوسل است. پروتوسل‌ها قبل از پیدایش سلول‌های اولیه زیستی پدید آمده‌اند و به‌عنوان سازوکار اولیه به وجود آمدن سلول‌ها مورد تحقیق قرار می‌گیرند. در این فصل پروفسور کافمن نشان می‌دهد که قوانین فیزیک چگونه می‌تواند به ساخته ‌شدن پروتوسل کمک کند. در فصل هفتم به‌صورت مختصر مکانیسم فیزیکی تفاوت‌هایی که قابلیت ارث برده شدن دارند مورد واکاوی قرار می‌گیرد. فصل هشتم به واکاوی بازخوردهای یک سیستم از محیط در زمان تعامل با محیط اختصاص دارد. امروزه مشخص ‌شده است که دریافت بازخورد از محیط یکی از عوامل بسیار مهم در تکامل سیستم‌های پیچیده هست و بر همین اساس پروفسور کافمن چند مفهوم کلیدی را در این بخش از کتاب تشریح می‌کند. در سه فصل پایانی کتاب پروفسور کافمن نقش اصلی قوانین فیزیک را در فرایندهایی که پیش ‌از این در فصول قبل توضیح داده به شکل منسجم بررسی کرده و نتایج جالب‌توجهی از نقش قوانین فیزیک در پیدایش حیات و فرگشت آن تا رسیدن به آن چیزی که امروز می‌شناسیم، مطرح می‌کند.

در یک نگاه کلی باید گفت که این کتاب حاوی نکات تخصصی فراوانی است که هرکدام می‌تواند کلید حل معماهایی از مسیر پیدایش حیات تا فرگشت گونه‌های زنده روی کره زمین باشد. این کتاب در عین‌ حال که روایت داستان‌‌گونه‌ای دارد، اما حاوی مطالب علمی سنگینی است که نیازمند پیش‌زمینه مناسبی از علوم زیست‌شناسی و فیزیک است. مطالب ارائه‌شده در این کتاب بسیار ارزشمند، می‌تواند نقش بسیار مهمی در روشن شدن اذهان جست‌وجوگر علم و دانش در حوزه حیات و پیدایش آن باشد. پروفسور کافمن با ارائه چالش پیدایش پروتئین و پاسخ به آن این کتاب را آغاز می‌کند که این شروع می‌تواند نشانگر محتوی غنی و مهم درباره داستان پیدایش و فرگشت حیات باشد و با ترسیم نقش قوانین فیزیک و داستان‌هایی از دانشمندانی که در این راه تحقیق و مطالعه می‌کنند به پایان می‌رسد. گفتنی‌ها در مورد این کتاب فراوان است که تنها با ترجمه کامل کتاب شدنی خواهد بود. امیدوارم این کتاب با هماهنگی پروفسور کافمن توسط مترجمین توانمند به زبان فارسی ترجمه شود که اگر این‌گونه شود، می‌توان مطمئن بود که ترجمه این کتاب اثری بسیار درخشان و به‌عنوان یک مرجع بسیار کامل برای پاسخ به سؤالات بنیادی جست‌وجوگران حقیقت پیدایش حیات بر روی زمین مورد استفاده قرار خواهد گرفت. این کتاب هم می تواند در کنار آثار شایسته‌ای چون کتاب سرگذشت شگفت‌انگیز حیات روی زمین اثر ریچارد داوکینز، انسان خردمند از یوال نوح هراری و دو کتاب فوق‌العاده پروفسور نیل شوبین با نام‌های ماهی درون شما و عالم درون، دنیای جدیدی بر روی مشتاقان علم و دانش باز کند و مخالفان تئوری‌های علمی مربوط به حیات را وادار به تغییر نگرش خود كند.