کتاب حیات چیست؟ پنج مفهوم بزرگ در علم زیست شناسی

اگر آن‌ها در این کار موفق بودند، همهٔ افراد یک گونه، شبیه به هم می‌شدند و فرآیند تکامل متوقف می‌شد. این بدین معنی است که خود میزان خطاها، منوط به انتخاب طبیعی می‌باشد. اگر میزان خطاها بسیار زیاد باشد، اطلاعات ذخیره شده توسط ژنوم، از بین رفته و بی‌معنا می‌شوند. و اگر خطاها بسیار نادر باشند، احتمال تغییر تکاملی نیز کاهش پیدا می‌کند. در دراز مدت، اغلب گونه‌های موفق آن‌هایی خواهند بود که می‌توانند تعادلی درست و حسابی را بین ثبات و تغییر ایجاد کنند.

تکامل روشی را ابداع کرده است که از طریق آن، باکتری متوجه حضور منبع انرژی دیگری می‌شود، و از آن اطلاعات برای تعدیل و سازگار کردنِ شیمی درونی‌اش، به نحو شایسته‌ای بهره می‌برد.

سیدنی برنر آن را به خوبی توضیح داده است: «ما در حال غرق شدن در داده‌ها هستیم، اما تشنهٔ دانش می‌باشیم».

در مجموع، جهش‌هایی که خصوصیات مادرزادی شما را از من، و خصوصیات مادرزادی هردوی ما را از اجداد ماقبل تاریخی‌مان متفاوت می‌سازند، کسر ریزی - کمتر از یک درصد - از مجموعهٔ کاملِ رمزهای DNA ی شما را تشکیل می‌دهند.

اما سلول‌های همهٔ موجودات زنده حاوی همهٔ این اندامک‌های محصور در میان غشاء و ساختارهای درونی پیچیده نیستند. وجود یا عدم وجودِ یک هسته، حیات را به دو شاخهٔ عمده تقسیم می‌کند. آن موجوداتی که سلول‌های‌شان دارای هسته می‌باشند - مانند جانوران، گیاهان و قارچ‌ها - را یوکاریوت می‌نامند. آن‌هایی که فاقد هسته می‌باشند و شامل باکتری‌ها و آرکئا می‌شوند را پروکاریوت می‌نامند. آرکئا از نظر اندازه و ساختار بسیار شبیه به باکتری‌ها به نظر می‌رسند، اما در حقیقت خویشاوندان دور آن‌ها می‌باشند. از بعضی جهات، فعالیت‌های مولکولی آن‌ها بیشتر شبیه به یوکاریوت‌هایی مانند ما می‌باشد تا شبیه به باکتری‌ها.

یک سلول نسبتاً ساده هم حاوی تعداد زیادی از مولکول‌های پروتئین می‌باشد. در مجموع، بیش از ۴۰ میلیون عدد از آن‌ها در درون یک سلول ریز مخمر وجود دارد؛ یعنی تعداد پروتئین‌های موجود در یک سلول ریز، دو برابر جمعیت ساکن در شهر غول‌پیکری مانند پکن می‌باشد!

۴۶ کروموزوم موجود در هر سلول کوچک در بدن‌مان، سرجمع DNA ای به طول بیش از ۲ متر دارند. به واسطهٔ معجزهٔ بسته‌بندی، همهٔ این‌ها در سلولی جا می‌شوند که قطر آن بیش از چند هزارمِ یک میلی‌متر هم نیست. علاوه بر این، اگر بتوانید آن‌ها را یکجوری به همدیگر وصل کنید و بعد همهٔ DNA های جمع شده در درون چند تریلیون سلولِ بدن‌تان را بیرون بکشید و به صورت یک نخ منفرد و باریک در آورید، چیزی حدود ۲۰ میلیارد کیلومتر طول آن خواهد بود. این نخ آنقدر طولانی هست که بتوان با آن فاصله بین زمین و خورشید را ۶۵ بار رفت و برگشت!

امروزه می‌دانیم که باکتری‌ها و انواع دیگری از سلول‌های میکروبی («میکروب» اسمی عمومی برای همهٔ موجوداتی میکروسکوپی است که تک سلولی هستند) بدون شک پرتعدادترین اشکال حیات بر روی سیاره‌مان می‌باشند. آن‌ها در هر محیط زیستی، از ارتفاعات جو تا اعماق پوستهٔ کرهٔ زمین سکونت دارند. بدون وجود آن‌ها، حیات دچار رکود و سکون می‌شود. آن‌ها ضایعات و زباله‌ها را تجزیه می‌کنند، باعث تولید خاک می‌شوند، مواد مغذی را بازیافت می‌کنند و نیتروژن مورد نیاز برای رشد گیاهان و جانوران را از هوا دریافت می‌کنند. و وقتی که دانشمندان به بدن‌های خودمان می‌نگرند، متوجه می‌شوند که ما به ازای هر کدام از تمامی ۳۰ تریلیون سلول انسانی‌مان (یا کمی بیشتر)، حداقل یک سلول میکروبی داریم.

سلول‌ها می‌توانند در درون این غشاءهای عایق شده‌شان، نظمی را که برای فعالیت بدان نیاز دارند، برقرار کرده و به وجود آورند، در حالی که همزمان موجب بی‌نظمی در محیط‌های محلی بیرون سلول می‌شوند. بدین گونه است که حیات، قانون دوم ترمودینامیک را نقض می‌کند.

«اولین اشکال حیات بدون آن که با عدسی دیده شوند، در گل شل می‌جنبید، یا شُلابه‌ای را می شکافت این‌ها، به مثابهٔ نسل‌هایی جدید شکوفا می‌شوند، نیروهای جدیدی حاصل شده است و اعضایی بزرگ‌تر بباید؛ از آنجا گروه‌های بی‌شماری از گیاهان سر بر می‌آورند، و محدوده‌هایی از باله و پا و بال جانی می‌گیرند».

یک پیامد قابل توجه تکامل از طریق انتخاب طبیعی، این است که همهٔ اشکال حیات دارای نیای مشترکی هستند. این بدان معناست که اگر در طول درخت حیات به عقب برگردیم، شاخه‌ها پیوسته به هم می‌پیوندند و شاخه‌هایی بزرگ‌تر را پیدا می‌آورند، تا اینکه در نهایت به یک تنهٔ واحد تبدیل می‌شوند. بنابراین نتیجه می‌گیریم که ما انسان‌ها با همهٔ اشکال دیگر حیات روی کرهٔ زمین نسبت داریم. ما با بعضی از آن‌ها مانند میمون‌های بدون دم نسبت نزدیکی داریم، زیرا بر روی ترکه‌های مجاور یکدیگر در حاشیه درخت نشسته‌ایم. ما نسبت بسیار دورتری با موجودات دیگری مانند مخمر داریم. زیرا ما فقط وقتی که به زمان‌های بسیار دور بر می‌گردیم، در جایی نزدیک به تنهٔ اصلی درخت حیات، به هم «می‌پیوندیم».

یک پیامد قابل توجه تکامل از طریق انتخاب طبیعی، این است که همهٔ اشکال حیات دارای نیای مشترکی هستند. این بدان معناست که اگر در طول درخت حیات به عقب برگردیم، شاخه‌ها پیوسته به هم می‌پیوندند و شاخه‌هایی بزرگ‌تر را پیدا می‌آورند، تا اینکه در نهایت به یک تنهٔ واحد تبدیل می‌شوند. بنابراین نتیجه می‌گیریم که ما انسان‌ها با همهٔ اشکال دیگر حیات روی کرهٔ زمین نسبت داریم. ما با بعضی از آن‌ها مانند میمون‌های بدون دم نسبت نزدیکی داریم، زیرا بر روی ترکه‌های مجاور یکدیگر در حاشیه درخت نشسته‌ایم. ما نسبت بسیار دورتری با موجودات دیگری مانند مخمر داریم. زیرا ما فقط وقتی که به زمان‌های بسیار دور بر می‌گردیم، در جایی نزدیک به تنهٔ اصلی درخت حیات، به هم «می‌پیوندیم».

سرطان وقتی آغاز می‌شود که ژن‌های مهم برای کنترلِ رشد و تقسیم سلول‌ها آسیب می‌بینند یا دوباره بازآرایی می‌شوند، و منجر به تقسیم کنترل‌نشدهٔ سلول‌ها می‌شود. درست مثل تکامل در درون جمعیتی از موجودات زنده، این سلول‌های پیشاسرطانی و سرطانی نیز اگر استحکامات دفاعی بدن را دور بزنند، می‌توانند به تدریج بر جمعیت سلول‌های بدون تغییری که بافت را می‌سازند، غلبه کنند.

تناقض در اینجا است که همان شرایطی که در وهلهٔ اول به حیات انسان اجازهٔ تکامل را می‌دهد، خود مسئول یکی از کشنده‌ترین بیماری‌های انسانی نیز می‌باشد

از آنجا که در اولین دورهٔ حیات بر روی زمین، فتوسنتزی انجام نمی‌شد، منبع مهم اکسیژنی هم وجود نداشت. در نتیجه، تقریباً هیچ اکسیژنی در جو پیدا نمی‌شد، و وقتی که اشکال اولیهٔ حیات با اکسیژن مواجه شدند، متحمل مشکلات زیادی گشتند. اگرچه ما تصور می‌کنیم که اکسیژن زندگی‌بخش می‌باشد، و در واقع همین طور هم هست، گازی به شدت واکنش‌پذیر است که می‌تواند موجب آسیب زدن به مواد شیمیایی دیگر از قبیل پلیمرهای ضروری برای حیات مانند DNA شود. وقتی که در تکامل، توانایی فتوسنتز در میکروب‌ها به وجود آمد، آن‌ها طی هزاران سال به قدری تکثیر شدند که موجب افزایش ناگهانی میزان اکسیژنِ موجود در اتمسفر شدند. در نتیجه، بین ۲ تا ۲/۴ میلیارد سال پیش، چیزی رخ داد که آن را فاجعهٔ بزرگ اکسیژن (Great Oxygen Catastrophe) می‌نامند.

من اغلب به سراغ تفکر دربارهٔ چرخهٔ سلولی از منظر اطلاعات می‌رفتم و همانند ژاکوب و مونو، به سلول نه تنها به مثابهٔ ماشینی شیمیایی، بلکه به مثابهٔ ماشینی منطقی و مفهومی نیز می‌نگریستم - ماشینی که هستی و آینده‌اش را مرهونِ توانایی‌اش در پردازش و پیش بردن اطلاعات است.

واحدهای پردازش اطلاعات موجود در موجودات زنده و موجود در مدارهای الکترونیکی انسان‌ساز، از جنبه‌هایی با هم تفاوت زیادی دارند. سخت افزار کامپیوتری عموماً ایستا بوده و غیرقابل انعطاف می‌باشند، و به خاطر همین هم آن‌ها را سخت‌افزار می‌نامند. برعکس، «سیم‌پیچی» سلول‌ها و موجودات زنده سیال و پویا می‌باشد. زیرا آن‌ها بر مبنای مواد شیمیایی زیستی‌ای شکل گرفته‌اند که می‌توانند در میان آبِ درون سلول‌ها پراکنده شده و باید منطقه‌های مختلف سلولی و نیز در بین سلول‌ها حرکت کنند. اجزا می‌توانند به طور قابل ملاحظه‌ای در داخل یک سلول دوباره به همدیگر متصل شده، جای‌شان را تغییر داده و اهداف‌شان را عوض کنند، و بدین ترتیب کل سیستم را «مجدداً سیم‌پیچی کنند».

پروتئین‌ها هم پلیمرهایی بر پایهٔ کربن می‌باشند، اما برخلاف DNA، اغلبِ بخش‌های به لحاظ شیمیایی تغییرپذیرِ، پروتئین‌ها بر روی «سطح بیرونی» مولکول پلیمر واقع شده‌اند. این یعنی اینکه آن‌ها بر روی شکل سه‌بعدی پروتئین تأثیر گذاشته و در تعامل با دنیا نیز قرار دارند. این امر در نهایت به آن‌ها اجازه می‌دهد که بتوانند بسیاری از اعمال‌شان از قبیل ساختن، حفظ و تکثیر ماشین شیمیایی را انجام بدهند.

چگونه موجودات زنده یک چنین متحدالشکلی [همگونی] و نظم تحسین‌برانگیزی را برای نسل‌های متمادی در عالمی حفظ کرده‌اند که بنابر اصل دوم ترمودینامیک، همواره به سمت وضعیتی از بی‌نظمی و آشوب حرکت می‌کند.

بعضی از سلول‌ها هم بسیار بزرگ هستند. اگر یک تخم مرغ برای صبحانه دارید، بدانید که همهٔ زردهٔ آن، یک سلول منفرد است.

بعضی از سلول‌های درون بدن ما نیز عظیم‌الجثه هستند. برای مثال، سلول‌های عصبی خاصی وجود دارند که از پایین ستون فقرات تا نوک انگشت شست پای‌تان کشیده شده‌اند. این بدین معناست که این سلول‌ها می‌توانند تا یک متر طول داشته باشند!