حیات باید در ابتدا با یک مولكول ساده‌ی خود تکثیرشونده، آغاز شده باشد. این مولكول كه می‌توان آن را جد اعظم همه‌ی گونه‌های زیستی زمین نامید، سال‌ها هدف اصلی دانشمندان بوده است كه برای یافتن پاسخ آن تلاش زیادی كرده‌اند. پژوهش‌های زیادی برای یافتن فرآیندی كه باعث ایجاد این مولكول شده و مشخصات حیاتی آن در سال‌های متمادی صورت گرفته است. چهار میلیارد سال پیش، سطح داغ و ناآرام سیاره‌ی زمین كه به‌تازگی در مداری به دور یک ستاره متوسط شكل گرفته بود، شروع به سرد شدن كرد.

سطح خشن آن ابتدا با شهاب‌سنگ‌های فراوانی بمباران شد و در ادامه توسط گدازه‌های ناشی از فوران‌های آتشفشانی متعددی نهربندی شد و در نتیجه اتمسفری پر از گازهای سمی سیاره‌ زمین را احاطه كرد. هنوز دلیل قانع‌كننده‌ای ارائه نشده است كه چگونه این همه آب بر سطح زمین جاری شد، تبخیر شد، ابر شكل گرفت و توفان‌های مهیب و رعد و برق‌های بزرگ تمام زمین را جارو كردند. به‌ نظر می‌رسد صدها میلیون سال پیش آب بر سطح زمین جاری شد و گودال‌های این سیاره را پر كرد، كم‌كم اقیانوس‌ها و رودخانه‌ها شكل گرفتند و در ادامه، یک اتفاق شگفت‌انگیز و باورنکردنی رخ داد و برای اولین بار در سیاره‌ی زمین یک سلول یا دسته‌ای از مولكول‌ها كه قادر بودند خود را تكثیر كنند، تشكیل شدند؛ رویداد بزرگی كه سرآغاز داستانی هیجان‌انگیز به نام حیات بود.

زمانی كه اولین مولكول خودهمانندساز تشكیل شد، انتخاب طبیعی قدرت خود را در تغییر سرنوشت یک سیاره به رخ كشید. انتخاب طبیعی یعنی توانایی و برتری یک نسل از سلول‌ها، موجودات، گیاهان یا حیوانات برای ادامه‌ی بقا در مقابل سایر گونه‌های زیستی و سایر هم‌نوعانشان. اینگونه بود كه نسل‌به‌نسل تغییراتی در ساختار و چیدمان مولكول‌های خود تکثیر‌شونده ایجاد شد و آن‌هایی كه بهتر بودند بقا یافتند و نسل‌های بعدی را شكل دادند. دیری نگذشت كه اولین سلول‌های ساده تشكیل شدند. میلیارد‌ها سال بعد، برخی نوادگان آن سلول‌های ابتدایی، تكامل‌ پیدا کردند و به ارگانیسم‌های هوشمندی تبدیل شدند.

سؤال اصلی این است كه در آغاز، ابتدایی‌ترین سلول‌ تشكیل‌دهنده‌ی حیات امروزی چه مولكولی بود؟ حدود ۵۰ سال پیش، بشر برای اولین‌ بار دریافت كه اولین سلول خودهمانندساز تاریخ حیات سیاره‌ی زمین، RNA-ها بودند كه هم‌خانواده‌ی DNA-ها هستند. البته تا به امروز، هیچ اطلاع دقیقی درباره‌ی نحوه‌ی شكل‌گیری RNA در زمین وجود ندارد. این ایده همواره مشكلی بزرگ داشته است؛ اینکه اگر RNA نمی‌توانست به‌صورت خود‌به‌‌خود تشكیل شود، چگونه می‌توانست خودهمانندسازی داشته باشد؟ آیا ابتدا برخی دیگر از گونه‌های تقسیم‌شوندگان ایجاد شدند؟ ماهیت آن‌ها چه بوده است؟

وقتی زیست‌شناسان اولین بار برای چگونگی شكل‌گیری حیات اولیه، به دنبال پیدا کردن پاسخی افتادند، یافتن جواب تقریبا ناممكن به نظر می‌رسید. پژوهش‌های فراوان باعث شد بشر نگاه جدیدی به حیات و شرایط تشكیل آن داشته باشد. امروزه می‌دانیم كه در تمام ارگانیسم‌های زنده، كارهای پیچیده به‌ عهده‌ی پروتئین‌ها است. پروتئین‌ها از لحاظ ساختاری این قابلیت را دارند كه پیچ‌و‌تاب بخورند و به شكل‌های متنوعی درآیند. بنابراین قادرند عملكردهای متفاوتی داشته باشند كه برای مثال می‌توان به نقش حیاتی آنزیم‌ها اشاره كرد. به وسیله‌ی این نقش مهم، پروتئین‌ها می‌توانند طیف وسیعی از واكنش‌های شیمیایی را تسهیل كنند و به آن‌ها سرعت بخشند.

نكته‌ی مهم این است كه اطلاعات اصلی كه برای تولید پروتئین‌ها استفاده می‌شود، در مولكول‌های DNA ذخیره شده‌اند و بدون DNA نمی‌توان پروتئین‌های جدیدی ساخت و در عین‌ حال بدون پروتئین‌ها نمی‌توان DNA جدید ایجاد كرد. ظاهرا دوباره پرسش معروف مرغ و تخم‌‌مرغ در حال شكل‌گیری است. حال دانشمندان باید به این پرسش پاسخ می‌دادند كه كدام یک از این دو در ابتدا ایجاد شدند، پروتئین یا DNA؟ محققان علم بیوشیمی درصدد سنتز RNA-هایی برآمده‌اند تا با انتخاب تصادفی بعضی از آن‌ها نسبت به شرایطی كه این اجداد احتمالی حیات در آن سازگارند، آگاهی یابند. به دنبال كشفی كه سال ۱۹۶۰ صورت گرفت، معلوم شد RNA می‌تواند عملكردی مشابه یک پروتئین را در فرآیند ایجاد حیات به عهده گیرد، با این تفاوت كه ساختار RNA-ها به‌هیچ‌وجه به پیچیدگی ساختارهای پروتئینی نیست.

در همان زمان این پرسش مطرح شد كه اگر RNA می‌تواند واكنش‌هایی مثل ذخیره‌‌ی اطلاعات را درون خود برنامه‌ریزی و تسریع كند، آیا امكان دارد كه به تكثیر خود نیز قادر باشد؟ و اگر اینطور باشد، پس RNA-ها قادرند فرآیند همانندسازی را مستقل انجام دهند و دیگر نیازی به پروتئین‌ها نخواهد بود. این ایده بسیار جذاب بود و امیدهای زیادی در دل دانشمندان ایجاد كرد كه به یافتن پاسخ پرسش بزرگ بشریت بسیار نزدیک شده‌اند. اما این موضوع فقط یک ایده بود و در آن زمان، تنها بر پایه‌ی گمانه‌زنی‌ها استوار بود. هنوز هیچ‌کدام از پژوهش‌ها نشان نداده بودند كه RNA-ها می‌توانند عملكردی مستقل و مشابه پروتئین‌ها داشته باشند و واكنش‌هایی را همانند آنزیم‌های پروتئینی كاتالیز كنند.

این شک و شبهه تا زمانی که یک آنزیم RNA در سال ۱۹۸۲ کشف شد، ادامه داشت. در آن سال پژوهشگری به‌ نام توماس كچ از دانشگاه كلرادو، موجود تک‌سلولی عجیبی با جنسیتی هفتگانه كشف كرد. بعد از آن محققان توانستند آنزیم‌های RNA بیشتری در جانداران مختلف كشف و تعدادی را در آزمایشگاه‌ها خلق كنند. RNA در ذخیره‌ی اطلاعات به‌ خوبی DNA عمل نمی‌كند، ثبات كمتری دارد و عملكرد آن مثل پروتئین‌ها گسترده نیست؛ اما به‌عنوان یک ابزار مولكولی، فعالیت‌ها و قابلیت‌های زیادی دارد. این موضوع این نظریه را تأیید می‌کند که حیات اولیه از مولكول‌های RNA-ای كه قادر به همانندسازی و تشكیل مولكول‌های بیشتری از خود بوده‌اند، تشكیل شده است. این كشف آنقدر الهام‌بخش بود كه والتر گیلبرت، عنوان جهان RNA بر سیاره‌ی زمین نهاد.

حتی ممكن است این مولكول‌های همانندساز، ادغام جنسی شوند. آنزیم RNA كه كشف شد تنها تكه‌ی كوچكی از یک RNA بزرگ‌تر بود كه می‌توانست خود را از آن جدا سازد و به‌طور مستقل فعالیت كند. اما معكوس چنین واكنشی نیز وجود دارد كه طی آن RNA جدیدی به زنجیره‌ی آنزیمی اضافه شود یعنی RNA‌-های خودهمانندساز قادرند با مولكول‌های RNA دیگر ادغام جنسی شوند. این قابلیت RNA-ها نقش بزرگی در جهت تكامل آن‌ها داشته است؛ چون باعث می‌شود همانندساز‌هایی از دودمان‌های مختلف با یكدیگر تركیب شوند و خانواده‌ی مشتركی تشكیل دهند و طبیعتا این امر باعث تنوع بیشتر این مولكول‌ها شده است. سال ۲۰۰۰ بسیاری از زیست‌شناسان به نظری جامع در این مورد رسیدند.

آن‌ها روی ساختار فاكتور‌های سازنده‌ی پروتئین‌ها در سلول‌ها كار می‌كردند كه دریافتند پیش‌ساز اصلی این فاكتورها یک آنزیم RNA است. با توجه به اینكه پروتئین‌ها توسط RNA سنتز می‌شوند، پس بدون شک، می‌توان نتیجه‌گیری كرد كه حیات باید در ابتدا توسط RNA-ها تشكیل شده باشد. مولکول RNA از چهار باز آلی متفاوت ساخته شده است: آدنین (A)، گوانین (G)، سیتوزین (C) و اوراسیل (U). هفت سال پیش گروهی از پژوهشگران به سرپرستی شیمی‌دان انگلیسی به نام جان سادرلند، مجموعه‌ای از مراحل را نشان دادند که طی آن‌ها برخی از واکنش‌های شیمیایی منجر به ایجاد ترکیب‌های شیمیایی سیتوزین و اوراسیل شدند.

اما دانشمندان تاکنون نتوانسته‌اند پیدایش دیگر اجزای بنیادی و سازنده‌ی پورین RNA، یعنی آدنین و گوانین را از همین طریق توضیح دهند. در سال ۱۹۷۲، یک شیمی‌دان انگلیسی به نام لزلی اورگل و همکارانش روشی برای تشکیل پورین توضیح دادند. اما به‌گفته‌ی توماس کارل، شیمی‌دان از دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان، فرایندی که آن‌ها برای تشکیل پورین نشان دادند، به نظر ممکن نمی‌رسد؛ چرا که در نتیجه‌ی آن فرآیند، میزان خیلی کمی از پورین تولید می‌شود که برای پیدایش حیات کافی نیست. او می‌گوید بیش از ۴۰ سال است کارشناسان در جستجوی فرآیند‌ها و ترکیبات شیمیایی سازنده‌ی پورین‌ه هستند.

کارل و همکارانش چند سال پیش هنگام مطالعه‌‌ی نحوه‌ی آسیب دیدن DNA سرنخ جدیدی پیدا کردند. مولکول DNA شباهت زیادی به RNA دارد؛ به جز اینکه جای اوراسیل را تیمین(Thyamine) گرفته است. آن‌ها می‌خواستند ببینند که مولکولی به نام فورمامیدوپیریمیدین (FaPy) چگونه با DNA واکنش می‌دهد و طی این پژوهش پی بردند که این مولکول می‌تواند با واکنش شیمیایی منجر به تشکیل پورین ‌شود. بنابراین، آن‌ها تصمیم گرفتند بررسی کنند که آیا شرایط زمین در دوره‌های اولیه برای به وجود آمدن مولکول FaPy و در نتیجه تشکیل پورین‌ها مناسب بوده است یا خیر. اولین مرحله آسان بود و فقط به هیدروژن، سیانید و آب نیاز داشت.هیدروژن سیانید مولکول ساده‌ای است که تنها از سه اتم هیدروژن، نیتروژن و کربن تشکیل می‌شود.

تقریبا همه‌ی دانشمندان مرتبط هم‌عقیده هستند که در سال‌های اولیه‌ی پس از پیدایش زمین، مولکول هیدروژن سیانید به وفور وجود داشته است. این ماده در آب سریع واکنش می‌دهد و یکی از کلاس‌های مولکولی به نام آمینوپیریمیدین(aminopyrimidine) را تشکیل می‌دهد. این مولکول‌ها شامل چند گروه شیمیایی به نام آمین هستند. در حالت عادی، این آمین‌ها طی واکنش‌های شیمیایی، طیف گسترده‌ای از ترکیبات شیمیایی را تشکیل می‌دهند. اما کارل می‌گوید اکثر آن ترکیبات، پورین نیستند. کارل باید راهی پیدا می‌کرد که به غیر از یک آمین مهم، جلوی واکنش شیمیایی همه‌ی آمین‌ها را بگیرد.

وقتی تیم کارل، مقداری از نوع خاصی اسید را وارد یک محلول شیمیایی کردند، واکنش شیمیایی باعث شد که یک پروتون اضافه از اسید جدا شود و به آمینوپیریمیدین بچسبد. این پروتون اضافه، واکنش‌پذیری همه‌ی گروه‌های آمین به‌جز یکی از آن‌ها را خنثی کرد. در کمال خوشحالی کارل، تنها آمینی که واکنش‌پذیر باقی مانده بود دقیقا همانی بود که می‌توانست منجر به تشکیل پورین شود؛ این همه‌ی ماجرا نیست. نتایج آزمایشگاهی بعدی نشان دادند که آمین واکنش‌پذیر روی مولکول آمینوپیریمیدین سریع با فرمیک اسید یا فرمامید پیوند می‌زند. سال گذشته، فضاپیمای روزتا هر دو ترکیب شیمیایی را روی یک دنباله‌دار پیدا کرد. بنابراین دانشمندان فکر می‌کنند که احتمالا در ابتدای پیدایش زمین، این دنباله‌دارها روی زمین باریدند.

وقتی که پیوندهای شیمیایی برقرار شدند، محصولات آن واکنش‌های شیمیایی با قند واکنش دادند و مقادیر زیادی پورین ایجاد شد. اما استیون بنر، شیمی‌دان و متخصص پیدایش حیات، می‌گوید به این زودی‌ها نمی‌توانیم قاطعانه این توضیحات را برای پیدایش حیات بپذیریم. بنر قبول دارد که توضیحات ارائه‌شده برای نحوه‌ی تشکیل پورین یک قدم بزرگ رو به جلو است؛ اما حتی اگر درست باشند، شرایط شیمیایی که پورین‌ها را به وجود آوردند با شرایط شیمیایی که سادرلند و گروهش توصیف کرده‌اند، هم‌خوانی ندارد. بنابراین مشخص نیست که دقیقا آدنین، گوانین، سیتوزین و اوراسیل‌ چگونه به هم پیوند خوردند.

حتی اگر همه‌ی ترکیبات سازنده‌ی RNA در یک زمان و یک مکان کنار هم بودند، هنوز مشخص نیست که چه چیزی باعث شد این ترکیبات به هم متصل شوند و RNA-ها را تشکیل دهند. دانشمندانی که خاستگاه زندگی را مطالعه می‌کنند، بر این باورند که اولین مولکول خودهمانندساز در دنیای RNA زندگی می‌کرد. فرضیه دنیای RNA می‌گوید قبل از اینکه DNA ماده‌ی ژنتیک سلول‌ها شود، این وظیفه بر عهده‌ی مولکول‌هایی بود که اولا می‌توانستند مانند خودشان را بسازند و دوما خاصیت آنزیمی‌ هم داشته‌اند. این شیوه‌ی زندگی بسیار ساده‌تر از زندگی کنونی است؛ چون هم‌اکنون دو وظیفه یادشده از هم جدا شده‌اند؛ DNA همانندسازی می‌کند؛ درحالی‌که پروتئین هم خاصیت آنزیمی دارد. پژوهشگران در کالیفرنیا ترکیبی از RNA و آنزیمی به نام ریبوزیم در آب درست کردند.

آن‌ها به این نتیجه رسیدند که ریبوزیم به قسمت‌هایی از مولکول RNA متصل می‌شود و به آن‌ اجازه می‌دهد به مونومرهامتصل شود تا بتواند RNA-های جدید بسازد. ریبوزیم از معدود آنزیم‌های از جنس RNA است. این اولین باری است که ماده‌ی ژنتیک با چیزی به غیر از آنزیم پروتئینی همانندسازی شده است و علاوه بر آن نشان داده شده است که ماده‌ی ژنتیک می‌تواند با RNA به‌تنهایی همانندسازی شود. این یافته بخشی دیگر از «فرضیه‌ی دنیای RNA» را اثبات می‌کند. 

فقط ریبوزیم‌هایی که توان اتصال به مولکول‌های RNA را داشتند می‌توانستند سالم بمانند. در واقع آنچه اتفاق افتاده، همان پروسه‌ی انتخاب طبیعی است. دلیل اینکه ماده‌ی به‌دست‌آمده در آزمایش یک موجود کاملا زنده نیست، این است که ریبوزیم قادر به خودهمانندسازی نیست و نمی‌تواند RNA بزرگ‌تر از خودش بسازد. ولی به هرحال آزمایش نشان داد که RNA به‌تنهایی قادر به ایجاد زندگی اولیه است؛ حتی اگر این پلیمراز بهتر ساخته شود، می‌تواند خودش را نیز همانندسازی کند. در واقع تنها قسمت گمشده‌ی پازل، مولکولی است که بتواند به RNA متصل شود. ریبوزیم‌ها برای دهه‌های متوالی در بیوشیمی مورد استفاده قرار می‌گرفتند؛ ولی در این آزمایش، این دو پژوهشگر با استفاده از آن، میلیون‌ها گونه را سنتز کردند و همراه با مولکول‌های RNA درون لوله‌ی آزمایشی قرار دادند.

RNA (ریبونوکلئیک اسید) و  DNA (دئوکسی ریبونوکلئیک اسید) از نظر ساختار کاملا مشترک و مشابه هستند و شاید RNA همانند یک طرف نردبان DNA به نظر می‌رسد؛ اما نکته‌ی مهم این است که RNA شکننده‌تر و دارای قابلیت انعطاف کمتری نسبت به DNA است و به احتمال زیاد به همین دلیل است که DNA در نهایت قادر به شکل دادن ژن‌های ما شده است. اما بسیاری معتقدند که RNA، با وجود ضعف‌های ساختاری آن، در وهله‌ی اول از این روند پیچیده به وجود آمده است. تا جایی که بسیاری از دانشمندان پیشنهاد داده‌اند که آن را باید اولین مولکول خودهمانندساز روی زمین به شمار آوریم.

بر پایه‌ی فرضیه‌ی جهان مبتنی بر RNA گفته می‌شود که RNA خود را از میان مخلوط‌های حبابی کهن روی زمین به تعبیری «سرهم‌بندی» یا مونتاژ کرده و در ادامه نیز در تبدیل اسیدهای آمینه به پروتئین‌ها و آنزیم‌ها نقش داشته است. در نهایت، همان آنزیم‌ها به RNA کمک کرده‌اند تا مولکول DNA از آن ساخته شود و این مولکول نیز منجر به پیدایش حیات پیچیده روی زمین شده است. از سویی بسیاری از محققان باور دارند که در آن میان مواردی هم بوده است که در آن نوکلئوتید‌های RNA (زنجیره‌های RNA) نیز احتمالا با رشته‌های تشکیل دهنده‌ی DNA مخلوط و منجر به تشکیل رشته‌های مخلوطی کیمرا شده‌اند.

کیمرا در زیست‌شناسی به اندامی گفته می‌شود که از دو یا چند یاخته‌ی غیر متشابه تشکیل شده است. آن رشته‌های کیمرا به احتمال زیاد یک گام مهم در انتقال از RNA به DNA بوده‌اند. شواهد ارائه‌شده به‌نوعی از این ایده که RNA و DNA در واقع به‌صورت همزمان و به‌طور بالقوه از مواد تشکیل‌دهنده‌ی مشابه در سوپ اولیه‌ی زمین به وجود آمده‌اند، پشتیبانی می‌کند. این در واقع نتیجه‌ای است که محققان در Angewandte Chemie به آن رسیده‌اند.

آن‌ها نخستین گروهی نیستند که چنین ایده‌ای ارائه می‌کنند. اما یافته‌های آن‌ها شواهدی جدید برای حمایت از فرضیه‌ی جایگزین در زمینه‌ی ریشه‌های حیات فراهم می‌کند. اگر یافته‌های آن‌ها به‌صورت قطعی تأیید شود، لزوما به این معنی نخواهد بود که RNA باعث رشد و گسترش DNA نشده است.با این حال همچنان جهش از این مولکول‌های غیر زنده به موجودات زنده‌ای که دارای مولکول‌ DNA هستند و تولید مثل می‌کنند، فوق‌العاده پیچیده است و هنوز از آن چیز زیادی نمی‌دانیم.

در هر صورت یکی از ویژگی‌های اصلی و ضروری موجودات زنده، توانایی همانندسازی یا همان تولید مثل است؛ چه این همانندسازی مثل باکتری‌ها با تقسیم سلولی انجام شود و چه مثل پستانداران بزرگ با تولید مثل جنسی و بچه‌زایی. هیچ کس نمی‌داند این فرآیند چگونه شروع شد و چه مراحلی را طی کرد. هنوز کسی نتوانسته است در آزمایشگاه از عناصر غیر زنده، موجود زنده به‌ وجود بیاورد. در دهه‌ی ۱۹۶۰ میلادی، بعضی از دانشمندان فکر کردند که شاید اولین مولکول‌ همانندساز، یعنی مولکولی که می‌تواند مثل خودش را بسازد. پروتئین نقشی اساسی در به‌وجود آمدن موجودات زنده دارد. پروتئین‌ها می‌توانند به اشکال مختلف و خیلی پیچیده دربیایند و تقریبا هر کاری را انجام دهند؛ مثلا به‌عنوان آنزیم عمل کنند.

آنزیم‌ها موادی هستند که به‌عنوان کاتالیزور، گستره‌ی بزرگی از واکنش‌های شیمیایی عمل می‌کنند. با این حال اطلاعات لازم برای ساخته شدن پروتئین‌ها در مولکول‌های DNA وجود دارد. بدون DNA پروتئین‌های جدید به‌وجود نمی‌آیند و بدون پروتئین هم DNA جدید به‌ وجود نمی‌آید. بنابراین کدام اول پیدا شد، پروتئین یا DNA؟ در دهه‌ی ۱۹۶۰، کشف اینکه مولکول‌های RNA می‌توانند تا حدودی مثل پروتئین‌ها عمل کنند، یک پاسخ جالب را به ذهن دانشمندان آورد. اگر RNA می‌توانست واکنش‌ها را کاتالیز و همزمان اطلاعات را ذخیره کند، بعضی از مولکول‌های RNA باید می‌توانستند مولکول‌های RNA بیشتری بسازند؛ بنابراین RNA‌-های همانندساز نیازی به پروتیین‌ها نداشتند.

آن‌ها می‌توانستند خودشان همه کار انجام دهند. مشخص شد که RNA یک مولکول همه‌ فن حریف است. این یک دستاورد بزرگ برای این ایده بود که زندگی ابتدا از مولکول‌های RNA تشکیل شده است. با این حال این ایده هم یک مشکل بزرگ دارد. نمی‌دانیم مولکول‌های RNA چگونه به‌ وجود آمدند. آیا قبل از آن مولکول‌هایی ساده‌تر با توانایی همانندسازی وجود داشتند؟ بعضی از دانشمندان فکر کنند RNA اولین همانندساز نبوده است.

شاید قبل از دنیای RNA، دنیایی به نام TNA ،PNA یا ANA وجود داشته است. این‌ها همه مولکول‌هایی شبیه به RNA هستند که به نظر می‌رسد اجزای آن‌ها احتمال بیشتری برای به‌ وجود آمدن خودبه‌خود داشته باشد. مشکل اینجا است که اگر زندگی به یکی از این شکل‌ها به‌ وجود آمده، شواهدی برای آن وجود ندارد. با تمام این اوصاف، سؤالات زیادی باقی می‌ماند. از جمله اینکه اولین مولکول‌های همانندساز دقیقا کجا ظاهر شدند؟ حیات اولیه چه شکلی بود؟ انتقال به DNA و پروتئین‌ها به چه صورت بود و کدهای ژنتیکی چگونه ایجاد شدند؟ دانشمندان در آینده به تمام این سؤالات پاسخ خواهند داد و باید تا آن زمان صبر کنیم.