راز پیدایش حیات در اعماق زمین

دانشمندان از سال 1996 مشغول بررسی راز بزرگی هستند: چگونه حیات روی زمین آغاز شده است؟ دکتر هازن و گروه تحقیقاتی اش معتقدند که پاسخ این سوال در دل زمین نهفته است.

به نظر این دانشمندان، پیدایش اولین موجودات زنده یک اتفاق تصادفی نبوده، بلکه نتیجه ی فعل و انفعالات شیمیایی پیچیده ای است که در اعماق اقیانوسها، زیر فشار و حرارت بسیار زیاد، در میان سنگها و کانی ها روی داده است.

دکتر هازن و همکارانش در آزمایشگاه خود شرایط بسیار خاصی را شبیه سازی میکنند تا بتوانند به راز پیدایش حیات نزدیکتر شوند. آنها محیط هایی با دما و فشاری شبیه به اعماق زمین را میسازند و سپس واکنشهای شیمیایی مختلفی را در این شرایط بررسی میکنند.

به گفته ی دکتر هازن، هر نظریه ای که برای توضیح چگونگی پیدایش حیات ارائه میشود، باید با شواهد زمین شناسی هم خوانی داشته باشد. به عبارت دیگر، این نظریه باید توضیح دهد که چگونه شرایط زمین در گذشته برای پیدایش حیات مناسب بوده است.

ما در آزمایش های خود از لوله های طلایی استفاده میکنیم که آنها را درون محفظه های فشار قرار میدهیم. این محفظه ها را میتوانیم با روشهای مختلفی گرم کنیم. سپس، آزمایشهای خود را در شرایط فشار و دمای بالا انجام میدهیم."

راکتورهای لوله طلایی (gold tube reactors): اینها ظروف آزمایشگاهی هستند که از لوله های طلا ساخته شده اند طلا به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی و واکنشهای شیمیایی، برای انجام آزمایش هایی که نیاز به شرایط بسیار خالص و کنترل شده دارند، بسیار مناسب است.

ظروف فشار با آب بندی سرد (cold-seal pressure vessels): این ظروف برای انجام آزمایش ها در فشار بالا استفاده میشوند. "آب بندی سرد" به این معنی است که برای بستن و آب بندی این ظروف از روشهای مکانیکی استفاده میشود و نیازی به حرارت دادن نیست.

گرمایش داخلی یا خارجی: این عبارت به روش گرم کردن مواد درون راکتور اشاره دارد. در گرمایش داخلی، یک عنصر گرمایشی درون راکتور قرار میگیرد و مواد را مستقیماً گرم میکند. در گرمایش خارجی، کل ظرف فشار گرم میشود تا مواد درون راکتور به طور غیرمستقیم گرم شوند.

در سال 1996، ما آزمایش هایی انجام دادیم و متوجه شدیم که وقتی دی اکسید کربن، آب و آهن را با هم ترکیب کنیم، مواد دیگری به نام آلکانها تولید میشوند. این واکنش در شرایط بسیار گرم و پر فشار زمین نیز رخ میدهد، به شرطی که آهن یا فلزات مشابه دیگری نیز وجود داشته باشند."

آلکانها: اینها گروهی از هیدروکربن ها هستند که تنها حاوی پیوندهای تکی بین اتمهای کربن هستند. متان، اتان و پروپان نمونه هایی از آلکانها هستند.

فلز انتقالی کاهش یافته: اینها فلزاتی هستند که در جدول تناوبی در گروههای 3 تا 12 قرار دارند و دارای الکترونهای آزاد در لایه های بیرونی خود هستند. "کاهش یافته" به این معنی است که این فلزات دارای حالت اکسیداسیون پایین هستند.

"در آزمایشهای بعدی، ما متوجه شدیم که کانی های حاوی نیکل و کبالت میتوانند واکنش خاصی را تسریع کنند. در این واکنش، یک نوع ماده ی شیمیایی به نام آلکن با دو ماده ی دیگر ترکیب میشود و ماده ی جدیدی تولید میشود. این واکنش در صنعت شیمی بسیار مهم است."

هیدروفرمیلاسیون (hydroformylation): این یک واکنش شیمیایی مهم در صنعت شیمی است که در آن یک آلکن (هیدروکربنی با پیوند دوگانه کربن-کربن) با مونوکسید کربن (CO) و هیدروژن (H₂) واکنش میدهد تا یک آلدهید تولید کند. آلدهیدها ترکیبات آلی بسیار مهمی هستند که به عنوان مواد اولیه در تولید بسیاری از محصولات شیمیایی استفاده میشوند.

نیکل (Ni) و کبالت (Co): اینها فلزات انتقالی هستند که اغلب به عنوان کاتالیزور در واکنشهای شیمیایی استفاده میشوند. کاتالیزور ماده ای است که سرعت یک واکنش شیمیایی را افزایش میدهد، بدون اینکه خود در واکنش مصرف شود.

در پژوهشی که به رهبری جرج کودی انجام شد، ما نقش احتمالی انواع مختلف سولفیدهای فلزات واسطه را در تسهیل واکنشهایی که منجر به افزایش تعداد اتمهای کربن در مولکولهای آلی کوچک میشوند، چه از طریق واکنشهای نوع فیشر-تروپش و چه از طریق هیدروفرمیلاسیون، مستند کردیم.

یکی از یافته های مهم این پژوهش، این است که کانی علاوه بر نقش کاتالیزوری، میتوانند به عنوان واکنش دهنده نیز عمل کنند. در این پژوهش، تشکیل سولفیدهای آلی، پنتاکربونیل آهن و همچنین کمپلکس های آبی ناشناخته ای از آهن و لیگاندهای آلی مشاهده شد.

در آزمایشهای اولیه ما، اسید پیروویک را در شرایط گرمایی و فشاری کنترل شده قرار دادیم. در این شرایط، اسید پیروویک به سرعت واکنش نشان داد و یک ماده روغنی تیره رنگ تولید کرد.

اسید پیروویک (Pyruvic acid): یک ترکیب آلی مهم است که در فرآیندهای متابولیکی سلولها نقش اساسی دارد. این اسید در فرایند گلیکولیز (شکست گلوکز) تولید میشود و میتواند به عنوان سوخت برای سلولها استفاده شود یا به ترکیبات دیگر تبدیل شود.

دما و فشار نسبتاً پایین: منظور از دما و فشار نسبتاً پایین، شرایطی است که در مقایسه با برخی دیگر از واکنشهای شیمیایی، ملایمتر هستند.

ماده روغنی زرد-قهوهای: این ماده روغنی احتمالاً ترکیبی پیچیده است که از واکنشهای مختلف اسید پیروویک در شرایط آزمایشگاهی تشکیل شده است.

وقتی این ماده را با دستگاه طیف سنجی جرمی گازی آنالیز میکنیم، یک نمودار پیچیده ای به دست میآید که نشان میدهد این ماده از ترکیبات مختلفی تشکیل شده است.

طیف سنجی جرمی گازی (GCMS): یک روش آنالیزی قدرتمند است که برای شناسایی و اندازه گیری ترکیبات شیمیایی در نمونه ها استفاده میشود. در این روش، نمونه ابتدا به حالت گاز در می آید و سپس با استفاده از یک ستون کروماتوگرافی گازی جداسازی میشود. سپس ترکیبات جدا شده وارد یک طیف سنج جرمی میشوند تا بر اساس نسبت جرم به بارشان شناسایی شوند.

طیف پیچیده "هم پین": طیف هم پین به طیفی گفته میشود که دارای قله های متعدد و پهن است و تفسیر آن نسبت به طیف های ساده تر پیچیده تر است. این نوع طیف معمولاً نشاندهنده وجود مخلوطی از ترکیبات با ساختارهای مولکولی مشابه است.

هازن و دیمر در سال 2007 نشان دادند که وقتی اسید پیروویک را در شرایط گرمایی و فشاری خاصی قرار میدهیم، ترکیباتی تولید میشوند که به صورت خودکار در آب جمع میشوند و حبابهای ریزی با خاصیت نوری جالب تشکیل میدهند.

واکنش هیدروترمال (Hydrothermal reaction): به واکنشهای شیمیایی گفته میشود که در دما و فشار بالا و در حضور آب رخ میدهند. این نوع واکنشها در محیطهای زمین شناسی مانند چشمه های آب گرم زیرزمینی و دریایی بسیار رایج هستند.

پیرووات (Pyruvate): یک ترکیب آلی مهم است که در فرآیندهای متابولیکی سلولها نقش اساسی دارد.

وزیکول های فلورسنت (Fluorescent vesicles): حباب های کوچکی هستند که از یک لایه دوگانه لیپیدی تشکیل شده اند و دارای خاصیت فلورسانس هستند. فلورسانس به معنای جذب نور در یک طول موج خاص و نشر آن در طول موج بلندتر است. وزیکول ها به عنوان مدلهای ساده ای برای مطالعه منشاء حیات مورد توجه هستند.

وقتی مواد حاصل از واکنش اسید پیروویک و مواد موجود در شهابسنگ مورشیسون را با یک روش آزمایشگاهی خاص جدا میکنیم، میبینیم که این دو نوع ماده ترکیبات بسیار مشابهی دارند.

کروماتوگرافی لایه نازک (Thin-layer chromatography): یک روش آنالیزی است که برای جداسازی و شناسایی ترکیبات شیمیایی در مقیاس کوچک استفاده میشود. در این روش، مخلوطی از ترکیبات روی یک لایه نازک جاذب (مانند سیلیکا ژل) قرار میگیرد و سپس با استفاده از یک حلال مناسب (در اینجا کلروفرم) اجزای مخلوط از هم جدا میشوند.

محصولات محلول در کلروفرم پیرووات: به ترکیباتی گفته میشود که در واکنشهای شیمیایی پیرووات تولید شده اند و در حلال کلروفرم حل میشوند.

عصاره های شهابسنگ مورشیسون: به مواد آلی استخراج شده از شهابسنگ مورشیسون گفته میشود. شهابسنگ مورشیسون یکی از مشهورترین شهاب سنگهای کربن دار است و حاوی مقادیر زیادی مواد آلی است.

الگوهای شگفت انگیز مشابه: به این معنی است که وقتی ترکیبات موجود در محصولات پیرووات و عصاره های شهابسنگ را روی صفحه کروماتوگرافی جدا میکنیم، نقاطی که ترکیبات مختلف در آن متوقف میشوند (لکه ها) تقریباً در همان مکان ها قرار میگیرند. این شباهت نشان میدهد که ترکیبات موجود در این دو نمونه بسیار شبیه به هم هستند.