เป็นเวลาเกือบเก้าทศวรรษที่คำอธิบายที่ชื่นชอบของวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับต้นกำเนิดของชีวิตคือ 'ซุปดึกดำบรรพ์' นี่คือแนวคิดที่ว่าชีวิตเริ่มต้นจากปฏิกิริยาเคมีชุดหนึ่งในสระน้ำอุ่นบนพื้นผิวโลก ซึ่งถูกกระตุ้นโดยแหล่งพลังงานภายนอก เช่นฟ้าผ่าแสงสไตรค์หรืออัลตราไวโอเลต (UV)
แต่การวิจัยเมื่อเร็ว ๆ นี้เพิ่มน้ำหนักให้กับแนวคิดทางเลือกที่ว่าชีวิตเกิดขึ้นลึกลงไปในมหาสมุทรภายในโครงสร้างหินที่อบอุ่นเรียกว่าช่องระบายความร้อน-
การศึกษาที่ตีพิมพ์เมื่อเดือนที่แล้วในจุลชีววิทยาธรรมชาติแสดงให้เห็นว่าบรรพบุรุษร่วมกันสุดท้ายของเซลล์สิ่งมีชีวิตทั้งหมดที่ได้รับก๊าซไฮโดรเจนในสภาพแวดล้อมที่อุดมด้วยธาตุเหล็กร้อน เช่นเดียวกับที่อยู่ในช่องระบายอากาศ ผู้สนับสนุนสมมติฐานทั่วไปมีความสงสัยการค้นพบเหล่านี้ควรเปลี่ยนมุมมองของเราเกี่ยวกับต้นกำเนิดของชีวิต
แต่สมมุติฐานปล่องไฮโดรเทอร์มอลซึ่งมักเรียกกันว่าแปลกใหม่และเป็นที่ถกเถียงกันอธิบายว่าเซลล์ที่มีชีวิตพัฒนาความสามารถในการรับพลังงานได้อย่างไร ในแบบที่ไม่เคยเป็นไปได้ในซุปดึกดำบรรพ์
ภายใต้สมมติฐานทั่วไปคาดว่าชีวิตเริ่มต้นขึ้นเมื่อฟ้าผ่าหรือรังสียูวีทำให้โมเลกุลธรรมดารวมตัวกันเป็นสารประกอบที่ซับซ้อนมากขึ้น สิ่งนี้สิ้นสุดด้วยการสร้างโมเลกุลจัดเก็บข้อมูลที่คล้ายกับ DNA ของเราเอง ซึ่งอยู่ภายในฟองอากาศป้องกันของเซลล์ดึกดำบรรพ์
การทดลองในห้องปฏิบัติการยืนยันว่าสามารถติดตามปริมาณของโครงสร้างโมเลกุลที่ประกอบขึ้นเป็นส่วนประกอบได้โปรตีนและโมเลกุลในการจัดเก็บข้อมูลสามารถสร้างได้ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้อย่างแน่นอน สำหรับหลายๆ คน ซุปดึกดำบรรพ์กลายเป็นสภาพแวดล้อมที่เป็นไปได้มากที่สุดสำหรับการกำเนิดเซลล์ที่มีชีวิตครั้งแรก
แต่ชีวิตไม่ใช่แค่การจำลองข้อมูลที่จัดเก็บไว้ใน DNA เท่านั้น สิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องสืบพันธุ์เพื่อความอยู่รอด แต่การจำลอง DNA การประกอบโปรตีนใหม่ และการสร้างเซลล์ตั้งแต่เริ่มต้นนั้น ต้องใช้พลังงานจำนวนมหาศาล
หัวใจสำคัญของชีวิตคือกลไกในการรับพลังงานจากสิ่งแวดล้อม จัดเก็บและส่งต่อไปยังปฏิกิริยาเมตาบอลิซึมที่สำคัญของเซลล์อย่างต่อเนื่อง
พลังงานนี้มาจากไหนและไปถึงที่นั่นได้อย่างไรสามารถบอกเราได้มากมายเกี่ยวกับหลักการสากลที่ควบคุมวิวัฒนาการและต้นกำเนิดของชีวิต การศึกษาล่าสุดเสนอแนะมากขึ้นว่าซุปดึกดำบรรพ์ไม่ใช่สภาพแวดล้อมที่เหมาะสมในการขับเคลื่อนพลังของเซลล์สิ่งมีชีวิตกลุ่มแรก
เป็นความรู้ตามตำราคลาสสิกที่ว่าทุกชีวิตบนโลกใช้พลังงานจากดวงอาทิตย์และพืชจับไว้ หรือสกัดจากสารประกอบง่ายๆ เช่น ไฮโดรเจนหรือมีเทน ข้อเท็จจริงที่ไม่ค่อยมีใครทราบก็คือความจริงที่ว่าทุกชีวิตควบคุมพลังงานนี้ในลักษณะเดียวกันและค่อนข้างแปลกประหลาด
กระบวนการนี้ใช้งานได้นิดหน่อยเหมือนเขื่อนไฟฟ้าพลังน้ำ- แทนที่จะกระตุ้นปฏิกิริยาเมตาบอลิซึมหลักโดยตรง เซลล์ใช้พลังงานจากอาหารเพื่อสูบโปรตอน (อะตอมไฮโดรเจนที่มีประจุบวก) เข้าไปในแหล่งกักเก็บด้านหลังเยื่อหุ้มชีวภาพ สิ่งนี้จะสร้างสิ่งที่เรียกว่า 'การไล่ระดับความเข้มข้น' โดยมีโปรตอนอยู่ที่ด้านหนึ่งของเมมเบรนมีความเข้มข้นสูงกว่าด้านอื่น
จากนั้นโปรตอนจะไหลกลับผ่านกังหันโมเลกุลที่ฝังอยู่ภายในเมมเบรน เหมือนกับน้ำที่ไหลผ่านเขื่อน สิ่งนี้จะสร้างสารประกอบพลังงานสูงซึ่งจะถูกนำไปใช้ในการขับเคลื่อนกิจกรรมที่เหลือของเซลล์
ชีวิตอาจมีการพัฒนาเพื่อใช้ประโยชน์จากแหล่งพลังงานจำนวนนับไม่ถ้วนที่มีอยู่บนโลก ตั้งแต่ความร้อนหรือการปล่อยไฟฟ้าไปจนถึงแร่กัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติ รูปแบบสิ่งมีชีวิตทั้งหมดถูกขับเคลื่อนโดยความแตกต่างของความเข้มข้นของโปรตอนในเยื่อหุ้มเซลล์
นี่แสดงให้เห็นว่าเซลล์ที่มีชีวิตในยุคแรกสุดได้รับพลังงานในลักษณะเดียวกัน และสิ่งมีชีวิตนั้นก็เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีการไล่ระดับโปรตอนแหล่งพลังงานที่เข้าถึงได้มากที่สุด-
สมมติฐานระบาย
การศึกษาล่าสุดโดยอาศัยชุดของยีนที่น่าจะมีอยู่ภายในเซลล์ที่มีชีวิตกลุ่มแรกติดตามต้นกำเนิดของสิ่งมีชีวิตย้อนกลับไปช่องระบายความร้อนใต้ทะเลลึก- เหล่านี้เป็นโครงสร้างทางธรณีวิทยาที่มีรูพรุนที่เกิดจากปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างหินแข็งกับน้ำ
ของเหลวอัลคาไลน์จากเปลือกโลกไหลขึ้นในช่องระบายอากาศไปยังน้ำทะเลที่มีความเป็นกรดมากขึ้น ทำให้เกิดความแตกต่างด้านความเข้มข้นของโปรตอนตามธรรมชาติอย่างน่าทึ่ง คล้ายกับที่ขับเคลื่อนเซลล์ที่มีชีวิตทั้งหมด
การศึกษาชี้ให้เห็นว่าในช่วงแรกของวิวัฒนาการของชีวิต ปฏิกิริยาเคมีในเซลล์ดึกดำบรรพ์น่าจะขับเคลื่อนโดยการไล่ระดับโปรตอนที่ไม่ใช่ทางชีวภาพเหล่านี้ ต่อมาเซลล์ได้เรียนรู้วิธีสร้างการไล่ระดับสีของตัวเอง และหนีออกจากช่องระบายอากาศเพื่อตั้งอาณานิคมส่วนที่เหลือของมหาสมุทรและในที่สุดก็ถึงดาวเคราะห์
ในขณะที่ผู้เสนอสมมติฐานซุปดึกดำบรรพ์โต้แย้งว่าการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตหรือของดวงอาทิตย์รังสีอัลตราไวโอเลตขับปฏิกิริยาเคมีครั้งแรกของชีวิต ชีวิตสมัยใหม่ไม่ได้ขับเคลื่อนโดยแหล่งพลังงานที่ระเหยง่ายเหล่านี้ ในทางกลับกัน แกนกลางของการผลิตพลังงานของชีวิตคือการไล่ระดับไอออนผ่านเยื่อหุ้มชีวภาพ
ไม่มีสิ่งใดที่คล้ายกันจากระยะไกลที่สามารถเกิดขึ้นได้ในสระน้ำอุ่นที่มีน้ำซุปดึกดำบรรพ์บนพื้นผิวโลก ในสภาพแวดล้อมเหล่านี้ สารประกอบเคมีและอนุภาคมีประจุมีแนวโน้มที่จะเจือจางลงเท่าๆ กัน แทนที่จะก่อตัวเป็นเกรเดียนต์หรือสถานะไม่สมดุลที่เป็นเช่นนั้นศูนย์กลางของชีวิต-
ปล่องไฮโดรเทอร์มอลใต้ทะเลลึกเป็นตัวแทนสภาพแวดล้อมเดียวที่รู้จักที่สามารถสร้างโมเลกุลอินทรีย์ที่ซับซ้อนได้โดยใช้กลไกควบคุมพลังงานแบบเดียวกับเซลล์สมัยใหม่ การแสวงหาต้นกำเนิดของชีวิตในซุปดึกดำบรรพ์นั้นสมเหตุสมผลเมื่อไม่ค่อยมีใครรู้เกี่ยวกับหลักการสากลแห่งพลังแห่งชีวิต
แต่เมื่อความรู้ของเราเพิ่มมากขึ้น ก็ถึงเวลาที่จะต้องยอมรับสมมติฐานทางเลือกที่ตระหนักถึงความสำคัญของการไหลของพลังงานที่ขับเคลื่อนปฏิกิริยาทางชีวเคมีครั้งแรก ทฤษฎีเหล่านี้เชื่อมช่องว่างระหว่างพลังของเซลล์ที่มีชีวิตและโมเลกุลที่ไม่มีชีวิตได้อย่างราบรื่น
อรุณาส แอล. ราดซวิลาวิซิอุส-คุณวิทยาลัยมหาวิทยาลัยลอนดอน-
บทความนี้เผยแพร่ครั้งแรกโดยการสนทนา- อ่านบทความต้นฉบับ-
