دفترچه راهنمای دوره آموزشی مقدمه‌ای بر مطالعات منشأ حیات

گام سوم: سناریوهای اصلی پیدایش حیات (جنگ پارادایم‌ها)

درباره‌ی این گام:

در گام دوم، با «صحنه‌ی نمایش» و «مواد اولیه» آشنا شدیم. اما داشتن آجر و سیمان به معنای داشتن یک ساختمان نیست. در گام سوم، به مهیج‌ترین و بنیادی‌ترین بخش ماجرا می‌رسیم: چگونگی گذار از شیمیِ بی‌جان به سیستم‌های زنده.

در این گام، ما به جای روایت‌های خطی، وارد میدان نبرد نظریه‌ها می‌شویم. سه پارادایم اصلی را به چالش می‌کشیم: آیا حیات با یک مولکول کپی‌کننده شروع شد (تولیدمثل-نخست)؟ یا با یک موتور شیمیایی (متابولیسم-نخست)؟ و یا اینکه این دو باید همزمان شکل گرفته باشند (همگرایی)؟

ما در اینجا با پارادوکس‌های عمیق ترمودینامیکی و اطلاعاتی روبرو می‌شویم و یاد می‌گیریم که طبیعت چگونه با استفاده از قوانین فیزیک و شیمی سیستمی، از این بن‌بست‌ها عبور کرده است. این گام، پل ضروری برای ورود به مباحث مهندسی حیات در گام بعدی است.

اهداف کلی:

پس از اتمام این گام، شرکت‌کنندگان قادر خواهند بود:

• استدلال‌ها و چالش‌های پارادایم «تولیدمثل-نخست» (مانند پارادوکس آیگن) را نقد و تحلیل کنند.
• مبانی ترمودینامیکی نظریات «متابولیسم-نخست» و نقش سطوح و انرژی در سازماندهی اولیه را تبیین نمایند.
• ضرورتِ رویکرد «شیمی سیستمی» و مدل‌های همگرایی (مانند کموتون و پروتوسل‌ها) را ارزیابی کنند.
• مفاهیم نوین فیزیک حیات (مانند نظریه اسمبلی و گذار فاز) را برای تعریف مرز بین زنده و غیرزنده به کار ببرند.

ساختار دوره:

این گام شامل چهار جلسه ۹۰ دقیقه‌ای است که به صورت پیوسته، تکامل نظریه‌ها از مدل‌های تک‌بعدی به مدل‌های سیستمی و فیزیکی را دنبال می‌کند.

جلسه ۱: نظریات «تولیدمثل-نخست» (Replication-First Theories)

• شرح: پارادایم غالب قرن بیستم بر این استوار بود که «اطلاعات» بر «عملکرد» مقدم است. در این جلسه بررسی می‌کنیم که چگونه کشف ویژگی‌های کاتالیزوری RNA، دانشمندان را به این باور رساند که حیات با یک مولکول خودهمانندساز آغاز شده است. اما آیا این مولکول شکننده می‌توانست در آشوب زمین اولیه به تنهایی دوام بیاورد؟
• مباحث کلیدی:
• ظهور جهان RNA: کشف ریبوزیم‌ها و شکستن دگمای مرکزی؛ وقتی یک مولکول هم ژن است و هم آنزیم.
• چالش‌های مهندسی: مشکل ناپایداری پیوند فسفودی‌استر در آب و دشواری‌های پلیمریزاسیون غیرآنزیمی.
• پارادوکس‌های اطلاعاتی: بررسی دقیق «پارادوکس آیگن» (Eigen’s Paradox) و فاجعه خطا؛ چرا ژنوم‌های اولیه محدودیت طول داشتند؟
• هم‌تکاملی پپتید-RNA: شواهد جدید مبنی بر اینکه ریبوزوم اولیه ترکیبی از هر دو مولکول بوده و خلوص‌گرایی (فقط RNA) مردود است.
• اهداف یادگیری جلسه ۱:
• دانشجویان می‌توانند دلایل جذابیت و نقاط ضعف مهلک مدل‌های ژن-محور را تحلیل کنند.
• دانشجویان قادر خواهند بود مفهوم آستانه خطا در سیستم‌های همانندساز اولیه را توضیح دهند.
• منابع پیشنهادی:
• Gilbert, W. (1986). The Origin of Life: The RNA World. Nature.
• Szostak, J. W. (2012). The eightfold path to non-enzymatic RNA replication. Journal of Systems Chemistry.
• Preiner, M., et al. (2020). The Future of Origin of Life Research. (Section: One Origin, Abundant Worlds).

جلسه ۲: نظریات «متابولیسم-نخست» (Metabolism-First Theories)

• شرح: فیزیکدانان استدلال می‌کنند که حیات در وهله اول مبارزه با آنتروپی است، نه ذخیره اطلاعات. در این جلسه به اعماق اقیانوس و سطح کانی‌ها سفر می‌کنیم تا ببینیم چگونه شبکه‌های واکنش شیمیایی می‌توانند بدون نیاز به ژنوم، خود را سازماندهی کرده و انرژی محیط را مهار کنند.
• مباحث کلیدی:
• جهان آهن-گوگرد: مدل گونتر واشترهاوزر و شیمی دوبعدی روی سطوح پیریت (FeS2) برای تثبیت کربن.
• راکتورهای طبیعی: مدل مایکل راسل درباره منافذ هیدروترمال قلیایی به عنوان باتری‌های الکتروشیمیایی طبیعی (نقش گرادیان pH).
• فسیل‌های متابولیک: بررسی چرخه کربس معکوس (rTCA) و شبکه‌های متابولیک بدون فسفات به عنوان موتورهای باستانی حیات.
• نظم خودجوش: نظریه مجموعه‌های خودکاتالیزگر (RAF Sets) استوارت کافمن و ظهور ریاضیاتیِ بستار کاتالیزوری در گراف‌های شیمیایی.
• اهداف یادگیری جلسه ۲:
• دانشجویان می‌توانند تفاوت بنیادین رویکرد ترمودینامیکی با رویکرد ژنتیکی را شرح دهند.
• دانشجویان قادر خواهند بود مکانیسم‌های خودسازماندهی در شبکه‌های شیمیایی بدون آنزیم را تبیین کنند.
• منابع پیشنهادی:
• Wächtershäuser, G. (1988). Before enzymes and templates: theory of surface metabolism.
• Martin, W., & Russell, M. J. (2007). On the origin of biochemistry at an alkaline hydrothermal vent.
• Kauffman, S. A. (1993). The Origins of Order.

جلسه ۳: نظریات «همگرایی» و شیمی سیستمی (Convergence & Systems Chemistry)

• شرح: شواهد مدرن نشان می‌دهد که جنگ بین ژن و متابولیسم، یک دوگانه کاذب است. در این جلسه با رویکرد انقلابی «شیمی سیستمی» آشنا می‌شویم که نشان می‌دهد چگونه تمام اجزای حیات (لیپید، پروتئین، RNA) باید همزمان و در یک شبکه واحد متولد شده باشند.
• مباحث کلیدی:
• مانیفست شیمی سیستمی: نقد رویکرد «یک مولکول در یک زمان» و حرکت به سمت سنتز همزمان.
• سناریوی سیانوسولفیدیک: نقش محوری هیدروژن سیانید (HCN) و نور UV در تولید همزمان تمام پیش‌سازهای زیستی.
• مدل‌های یکپارچه: تشریح نظریه «کموتون» (Chemoton) تیبور گانتی و جفت‌شدگی سه زیرسیستم (غشاء، متابولیسم، اطلاعات).
• جهان لیپید و پروتوسل‌ها: مدل‌های وراثت ترکیبی در لیپوزوم‌ها و مکانیسم‌های فیزیکی رشد و تقسیم در آزمایش‌های جک زوستاک.
• اهداف یادگیری جلسه ۳:
• دانشجویان می‌توانند ضرورت همزمانی (Co-emergence) اجزای حیات را استدلال کنند.
• دانشجویان قادر خواهند بود مدل کموتون را به عنوان یک طرح‌واره‌ی جامع سیستمی تحلیل نمایند.
• منابع پیشنهادی:
• Sutherland, J. D. (2017). Opinion: Studies on the origin of life — the end of the beginning. Nature Reviews Chemistry.
• Gánti, T. (2003). The Principles of Life.
• Lancet, D., et al. (2018). Systems protobiology: origin of life in lipid catalytic networks.

جلسه ۴: فیزیکِ حیات و گذار به زیست‌شناسی (Physics of Life & The Transition)

• شرح: خط مرزی دقیق بین «شیمی» و «بیولوژی» کجاست؟ در پایان این گام، از منظر فیزیک نظری به حیات نگاه می‌کنیم و مفاهیمی را معرفی می‌کنیم که پلی به سوی «ساختن حیات» (گام چهارم) خواهند بود.
• مباحث کلیدی:
• نظریه اسمبلی (Assembly Theory): معرفی شاخص اسمبلی (Assembly Index) به عنوان معیاری قطعی برای تشخیص پیچیدگی زیستی از تصادف.
• حیات به عنوان گذار فاز: بررسی حیات به عنوان پدیده شکست تقارن و عبور از مرز بحرانی در سیستم‌های فیزیکی.
• فضای ممکن‌ها (Morphospace): بررسی جایگاه حیات زمینی در فضای عظیم سیستم‌های ممکن (از حیات مصنوعی تا حیات ویروسی).
• مقدمه‌ای بر مهندسی: پل زدن به گام چهارم با طرح این پرسش: «آیا آنچه را که فهمیده‌ایم، می‌توانیم بسازیم؟» (مقدمه زیست‌شناسی مصنوعی).
• اهداف یادگیری جلسه ۴:
• دانشجویان می‌توانند با استفاده از معیارهای فیزیکی (مانند نظریه اسمبلی) مرز حیات را تعریف کنند.
• دانشجویان با مفهوم فضای ممکنات حیات آشنا شده و آماده ورود به مباحث مهندسی و ساخت سلول می‌شوند.
• منابع پیشنهادی:
• Sharma, A., ... Cronin, L. (2023). Assembly theory explains and quantifies selection and evolution. Nature.
• Solé, R., et al. (2025). Origins of life: the possible and the actual. Phil. Trans. R. Soc. B.
• Walker, S. I. (2017). Origins of life: a problem for physics.

ارزیابی:

• مشارکت فعال در بحث‌های مقایسه‌ای بین پارادایم‌های مختلف.
• (اختیاری) طراحی یک مدل مفهومی ساده برای سیستمی که حداقل دو ویژگی از سه ویژگی حیات (متابولیسم، اطلاعات، محفظه) را به صورت جفت‌شده دارا باشد.