הבן אדם הוא ישות מורכבת, שמלבד סיפוק צרכיה הבסיסיים, מצריכה גם הסבר על קיומה ומקורותיה. משם עולים פוסטולטים שונים, החל מהתחומים הדתיים והפילוסופיים, וכלה במדעים. בתוך הזרם המדעי, תוארה התיאוריה של האבולוציה המולקולרית הנקראת תיאוריה כימוסינתטית, המבוססת על מחקריהם של המדענים אלכסנדר אופרין וג'ון הלדן, שלמרות שלא עבדו יחד הגיעו לניסוח אותה השערה, שהיא נותנת המשכיות ליסודות. הועלה בתיאוריה של המפץ הגדול, המתנגד לתורת הדור הספונטני ולתיאוריות הדתיות בנוגע למקור החיים.
מה קובעת התיאוריה הכימוסינתטית?
תיאוריה זו קובעת כי מימן (H2) שנמצאו באטמוספירה הקדומה הגיבו באטומי פחמן, חנקן או חמצן ויוצרים מרק תזונתי, אשר במגע עם מקורות שונים של אנרגיה פרימיטיבית הוליד כמה חומצות אמינו, המהוות את אבני היסוד הבסיסיות של החיים האורגניים.
תנאים באטמוספירה על פי פוסטול כימוסינתטי
התיאוריה הכימוסינתטית קובעת כי לאטמוספירה הפרימיטיבית יש מאפיינים שמעדיפים תגובות רדוקטיביות, שכן אם הייתה קיימת אטמוספירה עם נטיות חמצוניות, מרכיביה של "מרק בכור" הם היו מתדרדרים. מסיבה זו, המדענים שהניחו את תיאוריות האבולוציה השונות מאשרים כי בתנאים הראשוניים של כדור הארץ לא יכול חמצן היה קיים, שכן תגובות חמצון לא היו מקדמות את התפתחות החיים.
יסודות התיאוריה הכימוסינתטית
שלב ההערכה של סדרת תיאוריות שנשברה עם תקדימי תורת הדור הספונטני (המקובלת בתקופתו) החל בשנת 1864 כתוצאה ממחקריו של המדען הצרפתי לואיס פסטר, שהדגים בניסוייו כי "החיים באים מן החיים", מה שמוליד התפתחות תיאוריות חדשות. בין התיאוריות הללו ניתן למנות כימוסינתזה, הקובעת שהחיים מקורם בתגובת יסודות כימיים בסיסיים. היסודות המרכיבים את התואר הזה מוסברים בהרחבה להלן:
הרכב כדור הארץ בראשיתו: תיאוריה זו חושבת שבתחילת הדרך הייתה בכוכב הלכת אווירה חסרת חמצן חופשי, אולם היא עשירה ברכיבים אחרים, בעיקר מימן (ריכוזים גבוהים), אז זה היה רדוקטיבי, שהעדיף את שחרור אטומי המימן במין הכימי הקיים. בנוסף לכך, הוא הכיל תרכובות כימיות בסיסיות אחרות כגון: חומצה הידרוצנית (HCN), מתאן (CH4), פחמן דו חמצני (CO2), מים (H2O) ורכיבים אחרים.
- היווצרות המרק התזונתי: הידוע גם בשם מרק ביכורים, מורכב מהצטברות של נוזל תזונתי שנוצר על ידי כל המרכיבים הללו של האווירה הפרימיטיבית. נפח נוזלים זה הוליד את הים הראשון. איך זה קרה? התיאוריה הכימוסינתטית קובעת כי כתוצאה מהתקררות האטמוספירה היה עיבוי של אדי המים מהרי הגעש, שגרר איתו את כל המרכיבים הללו ויצר את מרק מזין, שהיו מצטברים בשקעים (אוקיינוסים) שבהם הם יישארו לפרקי זמן ארוכים ללא סיכון להתפרקות.
- מראה של מבנים מורכבים יותר: בתהליך זה הפעולה של מקורות אנרגיה שונים הייתה חיונית, כמו סופות חשמל, קרינת שמש והתפרצויות געשיות. התוצאה של תגובות אלו היו רכיבים מורכבים כמו סוכרים, חומצות שומן, גליצרין וחומצות אמינו. עם הזמן האבולוציה הולידה מבנים שאופרין כינה coacervatesמבנים ביולוגיים עמידים ומתקדמים יותר שהיו מקדימי חומצות הגרעין הנוכחיות.
היווצרות של coacervates
אופרין קבע כי בתהליך האבולוציה של המינים הכימיים הכלולים בכך מרק בכור, קמו coacervates, שהיו מינים מורכבים, אשר בזמן חלוקת התאים התאחדו למבנה יחיד, וכך רכשו קרום שהיה הופך אותם לאורגניזמים ייחודיים, עם יכולת לסינתזה עצמית (יכולת לייצר מזון משלהם ), אשר יתפתחו לעבר צורות יציבות ומסובכות יותר ויותר שהפכו למבני חיים אמיתיים. על פי התיאוריה הכימוסינתטית, אורגניזמים קדומים אלה היו מקורם של עולם הצומח ובעלי החיים של הפלנטה שלנו.
בתחילה לא הייתה שכבת אוזון שהגנה על תאים מפני קרינה ישירה מהשמש. זו הסיבה שמאמינים כי ייתכן שהמבנים הראשונים נוצרו ונהרסו ללא הפסקה על ידי שכיחות ישירה של אנרגיית השמש. לאחר מיליוני שנים, תאים כאלה הצליחו להתפתח למערכות אורגניות מורכבות יותר, שהיו מאפשרות להם להתרבות. מאוחר יותר הם החלו לסנתז את מזונם באמצעות אנרגיית השמש, תוך שהם מבצעים את תהליך הפוטוסינתזה ושולחים חמצן טהור לאטמוספירה, שלימים יהפוך לשכבת האוזון.
להלן מגדיר את תהליך יצירת coacervate:
- הכל מתחיל ביצירת מולקולה מאורגנת ויציבה.
- ככל שחולף הזמן נוצרת מולקולה משלימה שנייה (מקרומולקולה) והיא מהווה חלק ממערכת העצבים.
- מקרומולקולה זו נפרדת מחוף הכניסה במקום בו ראתה את מקורו.
- מקרומולקולה מתחילה למשוך אליה תרכובות שהיא יכולה להיקשר למבנה שלה, ומשחזרת את הקואקרואט המקורי.
ניסוי סטנלי מילר והרולד אורי (1953)
למרות שהפוסטולטים של התיאוריה הכימוסינתטית הוקמו בשנת 1924 על ידי אופרין והאלדאן, שני מדענים שוחזרו מאוחר יותר בניסוי בקנה מידה רב עם תנאי האטמוספירה הפרימיטיבית, והעמידו על תערובת מימן, מתאן ואמוניה פריקות חשמליות מרובות, וסינתזה אורגנית שונים חומצות. מטרת בדיקה זו הייתה ההדגמה כי סינתזת תרכובות אורגניות הייתה ספונטנית, וכי היא התרחשה מהמולקולות הפשוטות שהיו באטמוספירה הראשונה.
לצורך תכנון הניסוי שלהם, הם לקחו מיכל זכוכית ושפכו כמות מסוימת של מים, כך שהתמלא חלקית, הונחה בו גם תערובת של הגזים הנ"ל. תוכן זה היה נתון לפריקות חשמל המדמות את הסערות הפרהיסטוריות שהתרחשו בראשית כדור הארץ.
בדיקה זו נמשכה שבוע, ולאחר שחלפה, נותחו התוצאות. האינדיקטור הראשון לתגובות שהתרחשו היה שנצפה שינוי בצבע המים, שבתחילת הדרך היה שקוף, וכי לאחר שבוע הם קיבלו גוון ורוד, שלימים יהפוך לחום, כשהוא מועשר ב חומצות אמינו ומולקולות אורגניות חיוניות.
ניסוי זה היה תרומה שתומכת בתיאוריה לפיה צורות החיים הראשונות נוצרו מתגובות כימיות שבוצעו באופן ספונטני.