دفترچه راهنمای دوره آموزشی

مقدمه‌ای بر مطالعات منشأ حیات

گام دوم: صحنه کیهانی و شیمی پیشازیستی

درباره‌ی این گام: در گام نخست، با «قوانین بازی» (فیزیک و ترمودینامیک) آشنا شدیم. اکنون زمان آن است که «صحنه‌ی نمایش» و «بازیگران» را بشناسیم. حیات در خلأ شکل نگرفته است؛ بلکه محصول تاریخچه‌ی کیهانی و زمین‌شناختی ویژه‌ای است. در این گام، ردپای اتم‌های سازنده‌ی حیات را از قلب ستاره‌ها تا ابرهای سرد میان‌ستاره‌ای دنبال می‌کنیم. سپس به زمینِ دوران «هادئن» سفر می‌کنیم تا تصویری دقیق از گهواره‌ی واقعی حیات به دست آوریم. در نهایت، با «جعبه‌ابزار شیمیایی» طبیعت آشنا می‌شویم: واکنش‌هایی که مواد معدنی ساده را به آجرهای پیچیده‌ی حیات تبدیل کردند. این گام، پیش‌نیاز ضروری برای تحلیل سناریوهای مختلف منشأ حیات در گام‌های بعدی است.

اهداف کلی:

پس از اتمام این گام، شرکت‌کنندگان قادر خواهند بود:

• منشأ کیهانی عناصر اصلی حیات (CHONPS) و فرآیندهای شیمیایی در فضای میان‌ستاره‌ای را تبیین کنند.
• شرایط فیزیکی و اتمسفری زمین در دوران هادئن را بر اساس شواهد زمین‌شناختی (مانند زیرکن‌ها) تحلیل نمایند.
• محتوای شیمیایی شهاب‌سنگ‌ها و نقش آن‌ها در انتقال مواد آلی به زمین را ارزیابی کنند.
• مکانیسم‌های شیمیایی کلاسیک (مانند سنتز استرکر و واکنش فُرمز) برای تولید مونومرهای زیستی را تشریح کنند.

ساختار دوره:

این گام شامل چهار جلسه ۹۰ دقیقه‌ای است که به صورت پیوسته، مسیر ماده را از فضا تا زمین دنبال می‌کند.

جلسه ۱: از کوره‌های ستاره‌ای تا شیمی میان‌ستاره‌ای (۹۰ دقیقه)

• شرح: شیمی آلی، پدیده‌ای منحصر به زمین نیست. در این جلسه، به ریشه‌های کیهانی ماده می‌پردازیم و می‌بینیم که چگونه عناصر حیات در ستاره‌ها پخته شدند و چگونه مولکول‌های پیچیده در سرمای مطلق فضا شکل گرفتند.
• مباحث کلیدی:
• سنتز هسته‌ای (Nucleosynthesis): منشأ عناصر کربن، نیتروژن، اکسیژن و فسفر در تحولات ستاره‌ای.
• شیمی‌فیزیکِ محیط میان‌ستاره‌ای (ISM): نقش حیاتی ذرات غبار در کاتالیز واکنش‌های شیمیایی در دمای ۱۰ کلوین.
• مولکول‌های فضایی: کشف آب، متانول، آمونیاک و پیش‌سازهای آمینواسید در ابرهای مولکولی.
• دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای: گذار از غبار کیهانی به سیارک‌ها و دنباله‌دارها.
• اهداف یادگیری جلسه ۱:
• دانشجویان می‌توانند فرآیند شکل‌گیری مولکول‌های پیچیده در فضای میان‌ستاره‌ای را توضیح دهند.
• دانشجویان قادر خواهند بود اهمیت ناحیه قابل سکونت کیهانی را تحلیل کنند.
• منابع پیشنهادی:
• Deamer, D. (2011). First Life. Chapter 3: The Elements of Life.
• Walde, P. (Ed.). (2005). Prebiotic Chemistry. Chapter: Organic matter in the Universe.
• Rivilla, V. M., et al. (2021). Discovery of the molecular precursor of the prebiotic RNA world in the interstellar medium. Nature Astronomy.
• Tielens, A. G. G. M. (2013). The molecular universe. Reviews of Modern Physics.

جلسه ۲: زمینِ هادئن؛ بازسازی گهواره‌ی حیات (۹۰ دقیقه)

• شرح: زمین در ۴.۵ میلیارد سال پیش چه شکلی بود؟ آیا واقعاً جهنمی مذاب بود یا اقیانوسی آرام؟ در این جلسه با بررسی دقیق شواهد زمین‌شناختی، شرایط مرزی فیزیکی برای پیدایش حیات را بازسازی می‌کنیم.
• مباحث کلیدی:
• برخورد بزرگ (Theia Impact): تشکیل ماه و تأثیر آن بر کج‌شدگی محور زمین و ایجاد جزر و مدهای عظیم اولیه.
• انقلاب زیرکن‌ها (Zircons): کپسول‌های زمانی که وجود اقیانوس‌های مایع و دمای معتدل را در ۴.۴ میلیارد سال پیش اثبات می‌کنند.
• معمای اتمسفر: بحث پیرامون وضعیت اکسایش-کاهش (Redox State) اتمسفر اولیه (کاهنده در برابر خنثی) و تأثیر آن بر شیمی پیش‌زیستی.
• بمباران سنگین متأخر (LHB): نقش برخوردهای سیارکی در تحویل مواد فرار و تأثیر بر محیط زیست اولیه.
• اهداف یادگیری جلسه ۲:
• دانشجویان می‌توانند شواهد مربوط به وجود آب مایع در زمین اولیه را نقد و بررسی کنند.
• دانشجویان قادر خواهند بود تفاوت بین اتمسفر کاهنده و خنثی و پیامدهای آن برای منشأ حیات را تحلیل کنند.
• منابع پیشنهادی:
• Lane, N. (2015). The Vital Question. Chapter 2.
• Zahnle, K. J., et al. (2020). Creation and Evolution of Impact-generated Reduced Atmospheres of Early Earth. The Planetary Science Journal.
• Harrison, T. M. (2020). The Hadean Zircon Record. Annual Review of Earth and Planetary Sciences.
• Wilde, S. A., et al. (2001). Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago. Nature.

جلسه ۳: بارشِ آسمانی و معمای دست‌سانی (۹۰ دقیقه)

• شرح: آیا مواد اولیه حیات توسط سنگ‌های آسمانی به زمین رسید؟ در این جلسه، شهاب‌سنگ‌ها را به عنوان کپسول‌های حاوی مواد شیمیایی بررسی می‌کنیم و به یکی از بزرگترین رازهای حیات، یعنی «هم‌دست‌سانی» (Homochirality) می‌پردازیم.
• مباحث کلیدی:
• شهاب‌سنگ مورچیسون: بررسی شیمیایی این سنگ که حاوی بیش از ۷۰ نوع آمینواسید و هزاران ترکیب آلی است.
• پلیمرهای فضایی: شواهد وجود قندها و بازهای نوکلئوتیدی در شهاب‌سنگ‌ها.
• معمای کایرالیته: چرا حیات فقط از آمینواسیدهای چپ‌دست (L) استفاده می‌کند؟
• فرضیه‌ی فیزیکی: نقش نور قطبیده دایروی (Circularly Polarized Light) در فضا برای ایجاد عدم تقارن اولیه.
• اهداف یادگیری جلسه ۳:
• دانشجویان می‌توانند تنوع مواد آلی موجود در شهاب‌سنگ‌ها را شرح دهند.
• دانشجویان قادر خواهند بود فرضیه‌های مربوط به منشأ کیهانی کایرالیته را تبیین کنند.
• منابع پیشنهادی:
• Deamer, D. (2011). First Life. Chapter 5: Carbonaceous Meteorites.
• Oba, Y., et al. (2022). Identifying the wide diversity of extraterrestrial purine and pyrimidine nucleobases in carbonaceous meteorites. Nature Communications.
• Glavin, D. P., et al. (2020). Extraterrestrial Amino Acids and Other Organic Compounds in Meteorites. Chemical Reviews.
• Bailey, J., et al. (1998). Circular polarization in star-formation regions. Science.

جلسه ۴: جعبه‌ابزار سنتز پیش‌زیستی (۹۰ دقیقه)

• شرح: چگونه مواد ساده‌ی موجود در زمین یا فضا، به آجرهای سازنده‌ی حیات تبدیل شدند؟ این جلسه به بررسی واکنش‌های شیمیایی کلاسیک و مکانیزم‌هایی می‌پردازد که پل میان ژئوشیمی و بیوشیمی هستند.
• مباحث کلیدی:
• سنتز استرکر (Strecker Synthesis): مکانیسم تبدیل سیانید و آلدئید به آمینواسید.
• واکنش فُرمز (Formose Reaction): چالش‌ها و مکانیسم تبدیل فرمالدهید به قندها (و مسئله‌ی پایداری ریبوز).
• سنتز فیشر-تروپش (Fischer-Tropsch): تولید زنجیره‌های هیدروکربنی و لیپیدها روی سطوح کانی‌ها.
• شیمی سیانید (HCN): نقش محوری هیدروژن سیانید به عنوان شاه‌کلید سنتز همزمان اجزای حیات (شیمی سیستمی).
• مکانیسم‌های تغلیظ: نقش حیاتی چرخه‌های تَر و خشک (Wet-Dry Cycles) و انجماد (Eutectic) در غلبه بر رقیق بودن محیط.
• اهداف یادگیری جلسه ۴:
• دانشجویان می‌توانند واکنش‌های اصلی تولید آمینواسید و قند در شرایط پیش‌زیستی را توضیح دهند.
• دانشجویان قادر خواهند بود اهمیت مکانیسم‌های تغلیظ‌کننده در محیط‌های طبیعی را تحلیل کنند.
• منابع پیشنهادی:
• Walde, P. (Ed.). (2005). Prebiotic Chemistry.
• Becker, S., et al. (2019). Unified prebiotically plausible synthesis of pyrimidine and purine RNA ribonucleotides. Science.
• Patel, B. H., et al. (2015). Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism. Nature Chemistry.
• Miller, S. L. (1953). A production of amino acids under possible primitive earth conditions. Science.

ارزیابی:

• مشارکت فعال در بحث‌های کلاسی و تحلیل مقالات.
• (اختیاری) نگارش جستاری کوتاه درباره‌ی یکی از محیط‌های کاندید برای منشأ حیات (منافذ هیدروترمال یا برکه‌های سطحی) با تکیه بر شواهد زمین‌شناختی و شیمیایی.