مكروه من العلماء محبوب من الطبيعة.. الكبريت وأصل الحياة

حاول العديد من الفنانين تصوير ما كانت تبدو عليه الأرض منذ مليارات السنين، قبل ظهور الحياة، تستبدل العديد من المشاهد الجبال المغطاة بالثلوج ببراكين تتدفق من الحمم البركانية والسماء الزرقاء بصواعق تضرب ما هو موجود بالأسفل من سماء ضبابية.

ولكن كيف كانت تبدو الأرض المبكرة في الواقع؟ لقد كان هذا السؤال موضوع بحث علمي مكثف لعقود من الزمن.

يسلط منشور بقيادة سوكريت رانجان، الأستاذ المساعد في مختبر القمر والكواكب بجامعة أريزونا، الضوء على الكبريت، وهو عنصر كيميائي أثبت – رغم أنه مألوف – أنه مقاوم بشكل مدهش للجهود العلمية في استكشاف دوره في أصل الحياة.

يتم نشر الورقة في مجلة AGU Advances، وقال رانجان، الذي يستكشف تركيزات الكبريت في المياه والغلاف الجوي للأرض في وقت مبكر: “إن صورتنا للأرض المبكرة غامضة للغاية”، ويؤكد أن نفس العمليات التي تجعل كوكبنا صالحًا للسكن – الماء السائل والصفائح التكتونية – تدمر باستمرار الصخور التي تحمل السجل الجيولوجي للأرض، “إنه أمر رائع بالنسبة لنا لأنه يعيد تدوير العناصر الغذائية التي قد تكون محتجزة في قشرة الأرض، لكنه أمر فظيع بالنسبة للجيولوجيين، بمعنى أنه يزيل الرسل.”

تم اختيار بحث رانجان كأحد أبرز أعمال المحررين، تقديرًا لـ “التجارب التي كان من الصعب للغاية إجراؤها ولكنها توفر قيودًا على تجارب كيمياء ما قبل الحيوية المختبرية المستمرة.”

الحمض النووي الريبوزي

وقال رانجان إنه في قلب الجهود المبذولة لسحب الستار عن ظهور الحياة على الأرض، يوجد مفهوم يعرف باسم “عالم الحمض النووي الريبوزي”، في إشارة إلى الحمض النووي الريبوزي، وهو فئة من الجزيئات الموجودة في كل خلية حية ومهمة للغاية. إلى الحياة كما نعرفها.

تعتمد فرضية عالم الحمض النووي الريبي (RNA) على سمة مثيرة للاهتمام في علم الأحياء الحديث، وهي أن من بين الفئات الأربع الرئيسية للجزيئات الحيوية – الأحماض الأمينية والكربوهيدرات والدهون والأحماض النووية – فإن الحمض النووي الريبي (RNA) هو الوحيد الذي يمكنه أداء دور الإنزيم والحمض النووي، تخزين وتكرار المعلومات الجينية، عن طريق عمل نسخ منها، بنفسها، هناك مشكلة واحدة فقط: من الصعب حقًا صنعها.

وقال رانجان: “على مدى 50 عامًا تقريبًا، حاول الناس معرفة كيفية صنع الحمض النووي الريبوزي بدون إنزيمات، وهي الطريقة التي يفعلها علم الأحياء”، موضحًا أنه لم يتمكن الباحثون من اكتشاف مسارات غير إنزيمية إلا في السنوات الخمس الماضية، جعل الحمض النووي الريبي.

وقال: “إذا تمكنا من الحصول على الحمض النووي الريبي (RNA)، فسنرى في الأفق البعيد طريقًا لبدء كل شيء آخر”، “وهذا يطرح السؤال: هل كان هذا الجزيء متاحًا بالفعل في وقت سابق بأي كميات على الإطلاق؟ وهذا في الواقع سؤال كبير مفتوح.”

في الآونة الأخيرة، أكمل العلماء مسعى دام نصف قرن لتصنيع جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) بدون إنزيمات بيولوجية، وهي خطوة كبيرة إلى الأمام نحو إظهار عالم الحمض النووي الريبي (RNA). ومع ذلك، تعتمد جميع هذه المسارات الكيميائية على جزيء كبريتي مهم يسمى الكبريتيت.

من خلال دراسة عينات الصخور من بعض أقدم صخور الأرض، يعرف العلماء أن هناك الكثير من الكبريت الموجود على الأرض المبكرة قبل الحيوية.

ولكن ما هي كمية المادة الموجودة في الغلاف الجوي؟ كم منها انتهى في الماء؟ وكم منه انتهى إلى كبريتيت منتج للحمض النووي الريبوزي (RNA)؟ هذه هي الأسئلة التي شرع رانجان وفريقه في الإجابة عليها.

قال رانجان “بمجرد أن يصبح في الماء، ماذا يحدث له؟ هل يظل موجودًا لفترة طويلة أم أنه يختفي بسرعة؟” “بالنسبة للأرض الحديثة، نحن نعرف الإجابة: الكبريتيت يحب أن يتأكسد، أو يتفاعل مع الأكسجين، لذلك سوف يختفي بسرعة فائقة.”

على النقيض من ذلك، كما تشير الأدلة الجيولوجية، كان هناك القليل جدًا من الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض في وقت مبكر، مما قد يسمح للكبريتيت بالتراكم والاستمرار لفترة أطول، ومع ذلك، حتى في غياب الأكسجين، يكون الكبريتيت شديد التفاعل، ويمكن أن تكون العديد من التفاعلات قد نظفته من بيئة الأرض المبكرة.

يُعرف أحد هذه التفاعلات باسم عدم التناسب، وهي عملية تتفاعل من خلالها العديد من الكبريتات مع بعضها البعض، وتحولها إلى كبريتات وكبريت عنصري، وهي ليست مفيدة لكيمياء أصل الحياة، ولكن ما مدى سرعة هذه العملية؟ هل كان سيسمح بتراكم كميات كافية من الكبريتات لبدء الحياة؟

خمس سنوات

وقال رانجان: “لم يدرس أحد هذا الأمر بعمق خارج السياقات الأخرى، وخاصة إدارة مياه الصرف الصحي”.

ثم شرع فريقه في التحقيق في هذه المشكلة في ظل ظروف مختلفة، وهو جهد استغرق خمس سنوات، بدءًا من تصميم التجارب وحتى نشر النتائج.

كتب سوني هارمان من مركز أبحاث أميس التابع لناسا، في مقال وجهة نظر مصاحب للنشر: “من بين جميع الذرات التي تخزن حوض بناء السفن البريبايوتيك، بما في ذلك الكربون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين والفوسفور والكبريت، ربما يكون الكبريت هو الأكثر شائكًا”، وبسبب حرصها على الدخول في التفاعلات الكيميائية، “تميل مركبات الكبريت إلى أن تكون غير مستقرة أكثر، مما يشكل مخاطر على موظفي المختبر ومعداته، ويؤدي إلى انسداد الأجهزة وعرقلة التجارب.”

كابوس تكنولوجيا المختبر

في إعدادهم، قام رانجان وزملاؤه بإذابة الكبريتيت في الماء بمستويات مختلفة من الحموضة أو القلوية، ووضعوه في حاوية تحت جو خالٍ من الأكسجين وتركوه “يعتمر”، على حد تعبير رانجان، وفي كل أسبوع، قام الفريق بقياس تركيزات الكبريتيتات المختلفة باستخدام الأشعة فوق البنفسجية.

وفي نهاية التجربة، أخضعوهم لمجموعة من التحليلات، وكلها موجهة نحو الإجابة على سؤال بسيط نسبيًا، وهو: “ما هي الكمية المتبقية من هذا الجزيء الأصلي، وإلى ماذا تحول؟”

لقد تبين أن الكبريتات أبطأ بكثير مما تعتقده الحكمة التقليدية. على سبيل المثال، طرحت دراسات سابقة فكرة وجود ضباب كبريتي يجتاح الأرض المبكرة، لكن فريق رانجان وجد أن الكبريتات تتحلل تحت الضوء فوق البنفسجي بسرعة أكبر مما كان متوقعًا.

التحلل الضوئي

في غياب طبقة الأوزون خلال الأيام الأولى لنشوء الأرض، كانت هذه العملية، المعروفة باسم التحلل الضوئي، ستؤدي بسرعة إلى تطهير الغلاف الجوي والماء من مركبات الكبريت، وإن لم يكن ذلك بنفس كفاءة الأكسجين الوفير في عالم اليوم.

في حين أنه من المعقول أن عدم التناسب البطيء كان من الممكن أن يسمح للكبريتيت بالتراكم، فإن التحلل الضوئي كان من شأنه أن يجعل ذلك غير مرجح للغاية إلا في بيئات معينة مثل برك المياه الضحلة، المظللة من الأشعة فوق البنفسجية، خاصة إذا تغذيها الجريان السطحي لتوفير الدروع المعدنية.

ومن الأمثلة على ذلك المسابح الجوفية أو البحيرات الكربونية ذات الأحواض المغلقة، والمنخفضات قليلة الصرف، حيث تتراكم الرواسب، ولكن لا يمكن للمياه أن تخرج إلا عن طريق التبخر.

وقال رانجان: “فكر في المسطحات المائية مثل بحيرة فالبيئات الحرارية المائية تظهر كمرشحات ساخنة لظهور الحياة لأول مرة، هنا، تتلامس المياه الجوفية التي تحمل معادن مذابة مع الحرارة الناتجة عن النشاط البركاني، مما يخلق بيئات دقيقة فريدة من نوعها توفر “مساحات آمنة” للعمليات الكيميائية التي لا يمكن أن تحدث في أي مكان آخر.

وقال رانجان، إن مثل هذه الأماكن يمكن العثور عليها في مرتفعات وسط المحيط في أعماق البحار، ولكن أيضًا على الأرض،، حيث نجد بركًا تتراكم فيها الكثير من الكبريتيت، على الرغم من الأكسجين، ويمكن أن يحدث ذلك لمجرد أن الكبريتيت يتجدد باستمرار عن طريق إطلاق الغازات البركانية”.

تحليل الجينوم لإعادة بناء مخططات الكائنات الحية الدقيقة

ويشير المؤلفون إلى أن الدراسة توفر فرصًا لاختبار فرضية توافر الكبريتيت في تطور الجزيئات الأولى للحياة بشكل تجريبي.

قال رانجان، إن أحد مجالات البحث على وجه الخصوص أثار حماسه، وهو علم الأحياء الدقيقة التطوري، الذي يستخدم تحليل الجينوم لإعادة بناء مخططات الكائنات الحية الدقيقة التي تستخدم الكبريت، والتي يُعتقد أنها تمثل أقدم شعبة على وجه الأرض.

هناك أدلة على أن هذه البكتيريا تكتسب الطاقة عن طريق تقليل أشكال الكبريت عالية الأكسدة إلى أشكال أقل أكسدة.

ومن المثير للاهتمام، كما أشار رانجان، أنهم يعتمدون على آلية إنزيمية معقدة إلى حد ما في الخطوة الأولى، حيث يتم اختزال الكبريتات، وهو الشكل “الحديث” الوفير للكبريت، إلى كبريتيت، مما يشير إلى أن هذه الإنزيمات هي نتاج عملية تطورية طويلة.

في المقابل، هناك إنزيم واحد فقط يشارك في التحول من الكبريتيت – المكون الرئيسي المقترح في “بيئات البرك الحيوية” – إلى كبريتيد.

وقال: “إذا كان هذا صحيحا، فهذا يعني أن الكبريتيت كان موجودا في البيئة الطبيعية في بعض المسطحات المائية على الأقل، على غرار ما نناقشه هنا”، “لقد تحول الجيولوجيون الآن إلى هذا الأمر، هل يمكننا استخدام الصخور القديمة لاختبار ما إذا كانت غنية بالكبريتيت؟ لا نعرف الإجابة بعد، لا يزال هذا علمًا متطورًا.”