بیش از یک قرن است که زیستشناسان میدانند حیات در زمین به اجزای پایهای مانند دیانای، آرانای و آمینواسیدها بستگی دارد. علاوه بر این، مطالعات رکورد فسیلی نشان داده است که حیات تحت تأثیر مسیرهای تکاملی متعددی قرار داشته که به موجودات متنوعی منجر شده است. در عین حال، شواهد زیادی وجود دارد که نشان میدهد همگرایی و محدودیتها نقش مهمی در محدود کردن نوعهای دامنۀ تکاملی که حیات میتواند به آن دست یابد، دارند.
برای آستروبیولوژیستها، این سوالات به طور طبیعی درباره حیات فرازمینی به وجود میآید، که در حال حاضر به دلیل محدودیتهای چارچوب مرجع ما محدود است. به عنوان مثال، آیا دانشمندان میتوانند پیشبینی کنند که حیات در سیارات دیگر چگونه خواهد بود بر اساس آنچه که از حیات در اینجا، روی زمین، میدانیم؟ یک تیم بینالمللی به رهبری پژوهشگران مؤسسه سانتا فه (SFI) به این و سوالات دیگر در یک مقاله اخیر پاسخ داد. پس از بررسی مطالعات موردی در زمینههای مختلف، آنها نتیجه گرفتند که برخی محدودیتهای بنیادی مانع از وجود برخی از فرمهای حیات میشود.
تیم تحقیقاتی به رهبری ریکارد سولِ، رئیس آزمایشگاه سیستمهای پیچیده ICREA در دانشگاه پومپئو فابرا و استاد خارجی در مؤسسه سانتا فه (SFI) بود. او با چندین همکار از SFI و پژوهشگران از موسسه زیستشناسی دانشگاه گراتس، آزمایشگاه شبکههای پیچیده چندلایه، مرکز پزشکی شبکه پادوا (PCNM)، دانشگاه اومئا، مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT)، مؤسسه فناوری جورجیا، مؤسسه فناوری توکیو و مرکز فناوری زیستی اروپا (ECLT) همراه بود.
تیم بررسی کرد که یک کاوشگر بینستارهای ممکن است چه چیزی را پیدا کند اگر بر روی یک سیاره فراخورشی فرود آید و به جستجوی نشانههای حیات بپردازد. چگونه چنین مأموریتی میتواند حیات را که در بیوسفر متفاوتی از آنچه در زمین وجود دارد تکامل یافته، شناسایی کند؟ فرض کنیم که شرایط فیزیکی و شیمیایی برای ظهور حیات لازم است، احتمالاً شانسها بسیار بیشتر خواهند بود. با این حال، مسئله زمانی پیچیدهتر میشود که فراتر از زیستشناسی تکاملی و آستروبیولوژی به بیولوژی سنتزی و مهندسی زیستی نگاه کنیم.
طبق گفته سولِ و تیمش، تمامی این ملاحظات (که به طور مجموعی در نظر گرفته شدهاند) به یک سوال ختم میشود: آیا دانشمندان میتوانند پیشبینی کنند که چه فرمهای سازمانی حیات ممکن است فراتر از آنچه که از بیوسفر زمین میدانیم وجود داشته باشد؟ سولِ گفت: «مسئله اصلی، کشف بیوسیناچرها است. کشف جوّ سیارات فراخورشی با دقت مناسب در حال تبدیل شدن به واقعیت است و در دهههای آینده بهبود خواهد یافت. اما چگونه میتوانیم یک معیار محکم برای گفتن اینکه ترکیب شیمیایی اندازهگیری شده به حیات مربوط است، تعریف کنیم؟»
وی افزود: «[بیولوژی سنتزی] یک رشته موازی در این ماجراجویی خواهد بود. حیات سنتزی میتواند سرنخهای عمیقی در مورد آنچه که باید انتظار داشت و احتمال وقوع آن تحت شرایط خاص، فراهم کند. برای ما، بیولوژی سنتزی راهی قدرتمند برای پرسش از طبیعت درباره ممکنها است.»
برای بررسی این سوالات بنیادی، تیم به بررسی مطالعات موردی از ترمودینامیک، محاسبات، ژنتیک، توسعه سلولی، علم مغز، بومشناسی و تکامل پرداخت. آنها همچنین تحقیقات قبلی که سعی در مدلسازی تکامل بر اساس تکامل همگرا (تکامل مستقل ویژگیها یا رفتارهای مشابه در گونههای مختلف)، انتخاب طبیعی و محدودیتهای اعمال شده توسط بیوسفر داشتند را در نظر گرفتند. از این دادهها، سولِ گفت که آنها برخی از نیازهای مشترک تمام موجودات زنده را شناسایی کردند.
«ما به سطح بنیادیترین نگاه کردهایم: منطق حیات در سراسر سلولها، با توجه به مرزهای اطلاعاتی، فیزیکی و شیمیایی که به نظر میرسد اجتنابناپذیر هستند. سلولها به عنوان واحدهای بنیادی، به عنوان یک جاذب مورد انتظار در نظر گرفته میشوند: وزیکولها و میسلها به طور خودکار تشکیل میشوند و به ظهور واحدهای مجزا کمک میکنند.»
نویسندگان همچنین به مثالهای تاریخی اشاره میکنند که در آنها پیشبینیهای برخی ویژگیهای پیچیده حیات توسط زیستشناسان بعداً تأیید شده است. یک مثال برجسته کتاب ارون شرودینگر در سال ۱۳۲۳ با عنوان «حیات چیست؟» است که در آن پیشبینی کرد که ماده ژنتیکی یک بلور غیر دورهای است—ساختاری غیر تکراری که هنوز ترتیب دقیقی دارد—که اطلاعاتی را رمزگذاری میکند که راهنمای توسعه یک موجود است. این پیشنهاد الهامبخش جیمز واتسون و فرانسیس کریک بود تا تحقیقی انجام دهند که منجر به کشف ساختار دیانای در سال ۱۳۳۲ شد.
با این حال، سولِ گفت که کار جان فون نویمان نیز سالها پیش از انقلاب بیولوژی مولکولی بود. او و تیمش به مفهوم «سازنده جهانی» فون نویمان اشاره دارند، یک مدل برای یک ماشین خودتکثیر شونده بر اساس منطق حیات سلولی و تولید مثل. سولِ خلاصه کرد: «حیات میتواند به طور اصولی ترکیبهای بسیار متنوعی بپذیرد، اما ما ادعا میکنیم که تمام اشکال حیات ویژگیهایی اجتنابناپذیر خواهند داشت، مانند پلیمرهای اطلاعاتی خطی یا وجود پارازیتها.»
در این میان، وی افزود، کارهای زیادی باید انجام شود تا آستروبیولوژی بتواند با اطمینان پیشبینی کند که حیات در کیهان ما به چه شکلهایی میتواند در آید:
«ما مجموعهای از مطالعات موردی را پیشنهاد میکنیم که ویژگیهای پیچیدگی حیات را در دامنه وسیعی پوشش میدهند. این نقشهای دقیق برای توسعه اصول بنیادی فراهم میآورد. در برخی موارد، مانند اجتنابناپذیری پارازیتها، مشاهده این ویژگی بسیار قوی است و ما برخی از حدسها در مورد دلیل وقوع این موضوع داریم، اما هنوز استدلالی نظری که جهانی باشد، نداریم. توسعه و اثبات این ایدهها نیازمند ارتباطات نوین در میان زمینههای مختلف، از محاسبات و بیولوژی سنتزی تا بومشناسی و تکامل است.»
مقاله تیم تحقیقاتی با عنوان «محدودیتهای بنیادی منطق سیستمهای زنده» در نشریه Interface Focus (انتشارات انجمن سلطنتی) منتشر شده است.
