معلومة

هل من الممكن أن تعيش في الفراغ؟

هل من الممكن أن تعيش في الفراغ؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لقد أدهشني الفضول الآن: الحدس يقول لا ، لكنني لم أتأكد من ذلك مطلقًا.


وفقًا لتعليقاتterdon ، يمكن للكائنات الحية الخاملة أن تعيش في الفراغ. وهذا يشمل الأشنات والبكتيريا وحتى الحيوان: بطيئات المشية المذهلة والرائعة (Jönnson et al 2008). في عام 2006 ، نجت بطيئات المشية من التعرض لفراغ الفضاء الخارجي مع لا يوجد فرق ملموس في معدل الوفيات مقارنة بالضوابط.

بطيئات المشية هيبسيبيوس دوجارديني، جنس مختلف عن تلك المرسلة إلى الفضاء ، ولكن من المحتمل أن تكون بنفس القدر من القوة. تصوير بوب غولدشتاين وفيكي مادن (CC by-nc-ca عبر مختبر غولدشتاين - بطيئات المشية على فليكر).


Jönsson ، K.I et al (2008). تنجو بطيئات المشية من التعرض للفضاء في مدار أرضي منخفض. علم الأحياء الحالي 18 (17): R729-R731


لا ليست كذلك. أو على الأقل ليس بالشكل الذي نعرفه بالحياة. والسبب هو أن الماء (وهو أمر ضروري للحياة) يغلي عند ضغط منخفض في درجة حرارة الغرفة. هذا يجعل الحياة مستحيلة بالشكل الذي نعيشه على الأرض.


لا ، لأن نوعًا من السوائل (سائل أو غاز) ضروري لتزويد الموارد وحمل النفايات. تكون الجراثيم البكتيرية ، بطيئات المشية ، وما إلى ذلك في حالة نائمة عندما تكون في الفراغ.


المتطرفون والبيئات المتطرفة

على مدى العقود الماضية ، كان العلماء مفتونين بالكائنات الحية الرائعة التي تعيش في البيئات القاسية. هذه الكائنات ، المعروفة باسم الكائنات المتطرفة ، تزدهر في الموائل التي تعتبر بالنسبة لأشكال الحياة الأرضية الأخرى معادية بشكل لا يطاق أو حتى مميتة. إنها تزدهر في المنافذ شديدة الحرارة ، والجليد ، والمحاليل الملحية ، وكذلك الظروف الحمضية والقلوية ، وقد ينمو بعضها في النفايات السامة ، أو المذيبات العضوية ، أو المعادن الثقيلة ، أو في العديد من الموائل الأخرى التي كانت تعتبر سابقًا غير صالحة للحياة. تم العثور على الكائنات المتطرفة على أعماق 6.7 كيلومترات داخل قشرة الأرض و # x02019 ، وأكثر من 10 كيلومترات في عمق المحيط وضغط # x02014at يصل إلى 110 ميجا باسكال من الأحماض الشديدة (الرقم الهيدروجيني 0) إلى الظروف القاعدية القاسية (الرقم الهيدروجيني 12.8) ومن الفتحات الحرارية المائية عند 122 & # x000b0C لمياه البحر المجمدة ، في & # x0221220 & # x000b0C. لكل حالة بيئية قاسية تم فحصها ، أظهرت مجموعة متنوعة من الكائنات الحية أنها لا تستطيع تحمل هذه الظروف فحسب ، بل إنها تتطلب أيضًا في كثير من الأحيان هذه الظروف للبقاء على قيد الحياة.

يتم تصنيفها وفقًا للظروف التي تنمو فيها: باعتبارها محبي الحرارة و hyperthermophiles (الكائنات التي تنمو في درجات حرارة عالية أو عالية جدًا ، على التوالي) ، و psychrophiles (الكائنات الحية التي تنمو بشكل أفضل في درجات حرارة منخفضة) ، و acidophiles و alkaliphiles (الكائنات الحية تتكيف على النحو الأمثل مع الحمضية أو قيم الأس الهيدروجيني الأساسية ، على التوالي) ، و barophiles (الكائنات الحية التي تنمو بشكل أفضل تحت الضغط) ، و halophiles (الكائنات الحية التي تتطلب كلوريد الصوديوم للنمو). بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذه الكائنات الحية عادة ما تكون من نوع polyextremophiles ، يتم تكييفها لتعيش في موائل حيث تصل المعلمات الفيزيائية والكيميائية المختلفة إلى القيم القصوى. على سبيل المثال ، العديد من الينابيع الساخنة حمضية أو قلوية في نفس الوقت ، وعادة ما تكون غنية بالمحتوى المعدني ، حيث يكون أعماق المحيط باردًا بشكل عام ، قليل التغذية (محتوى منخفض للغاية من العناصر الغذائية) ، ومعرض لضغط مرتفع والعديد من البحيرات شديدة الملوحة قلوية للغاية.

يمكن تقسيم الكائنات المتطرفة إلى فئتين عريضتين: الكائنات الحية شديدة البرودة التي تتطلب حالة أو أكثر من الظروف القاسية من أجل النمو ، والكائنات شديدة التحمل التي يمكنها تحمل القيم القصوى لواحد أو أكثر من المعلمات الفيزيائية والكيميائية على الرغم من النمو الأمثل في ظروف & # x0201cnormal & # x0201d.

يشمل الأشخاص المتطرفون أعضاء في جميع مجالات الحياة الثلاثة ، بمعنى آخر.والبكتيريا والعتائق وحقيقيات النوى. معظم الكائنات الحية الدقيقة هي كائنات دقيقة (ونسبة عالية منها من البدائيات) ، ولكن هذه المجموعة تشمل أيضًا حقيقيات النوى مثل الطلائعيات (مثل الطحالب والفطريات والأوليات) والكائنات متعددة الخلايا.

العتائق هي المجموعة الرئيسية التي تزدهر في البيئات القاسية. على الرغم من أن أعضاء هذه المجموعة أقل تنوعًا بشكل عام من البكتيريا وحقيقيات النوى ، إلا أنهم عمومًا يتمتعون بمهارة كبيرة في التكيف مع الظروف القاسية المختلفة ، ويحملون سجلات متطرفة في كثير من الأحيان. بعض الكائنات البدائية هي من بين الكائنات الحية الدقيقة الأكثر ارتفاعًا في درجة الحرارة ، والحمضية ، والقلوية ، والمحبة للملوحة. على سبيل المثال ، الأثرية Methanopyrus kandleri السلالة 116 تنمو عند 122 & # x000b0C (252 & # x000b0F ، أعلى درجة حرارة مسجلة) ، بينما الجنس بيكروفيلوس (على سبيل المثال ، Picrophilus torridus) تشمل أكثر الكائنات الحية المحبة للحموضة المعروفة حاليًا ، مع القدرة على النمو عند درجة حموضة 0.06.

من بين البكتيريا ، تعد البكتيريا الزرقاء هي أفضل مجموعة تكيفت مع مختلف الظروف القاسية. غالبًا ما تشكل حصائرًا ميكروبية مع بكتيريا أخرى ، من جليد القطب الجنوبي إلى الينابيع الساخنة القارية. يمكن أن تتطور البكتيريا الزرقاء أيضًا في البحيرات شديدة الملوحة والقلوية ، وتدعم تركيزات عالية من المعادن وتتحمل ظروف الجفاف (بمعنى آخر.، قلة توافر المياه) ، وتشكيل مجتمعات من العصر الحجري في المناطق الصحراوية. ومع ذلك ، نادرًا ما توجد البكتيريا الزرقاء في البيئات الحمضية عند قيم pH أقل من 5 & # x020136.

من بين حقيقيات النوى ، تعد الفطريات (بمفردها أو بالتكافل مع البكتيريا الزرقاء أو الطحالب التي تشكل الأشنات) أكثر سلالات النشوء والتطور تنوعًا ونجاحًا بيئيًا. باستثناء فرط الحرارة ، فهي تتكيف بشكل جيد مع البيئات القاسية. تعيش الفطريات في المياه الحمضية والغنية بالمعادن من مناطق التعدين والظروف القلوية والصحاري الساخنة والباردة وأعماق المحيطات والمناطق شديدة الملوحة مثل البحر الميت. ومع ذلك ، من حيث المقاومة العالية للظروف القاسية ، فإن واحدة من أكثر أنواع الكائنات متعددة الخلايا حقيقية النواة إثارة للإعجاب هي بطيئات المشية ، وهي لافقاريات مجهرية. يمكن أن تنتقل بطيئات المشية إلى وضع السبات ، يسمى حالة التوليف ، حيث يمكنها تحمل درجات الحرارة من & # x02212272 & # x000b0C (1 & # x000b0C فوق الصفر المطلق!) إلى 151 & # x000b0C ، ظروف الفراغ (فرض الجفاف الشديد) ، والضغط 6000 جهاز ضغط جوي بالإضافة إلى التعرض للأشعة السينية وأشعة جاما. علاوة على ذلك ، حتى بطيئات المشية النشطة تظهر تحملاً لبعض البيئات القاسية مثل درجات الحرارة المنخفضة للغاية والجرعات العالية من الإشعاع.

بشكل عام ، يعد التنوع الوراثي للأشياء المتطرفة مرتفعًا ومعقدًا جدًا للدراسة. تحتوي بعض الرتب أو الأجناس على متطرفين فقط ، في حين أن الرتب أو الأجناس الأخرى تحتوي على كل من الكائنات المتطرفة وغير المتطرفة. ومن المثير للاهتمام ، أن الكائنات المتطرفة التي تكيفت مع نفس الحالة المتطرفة قد تكون مشتتة على نطاق واسع في شجرة تطور الحياة. هذا هو الحال بالنسبة لممارسي نفسية مختلفة أو محبي باروفيل ، حيث يمكن العثور على أعضاء مشتتين في مجالات الحياة الثلاثة. هناك أيضًا مجموعات من الكائنات الحية تنتمي إلى نفس عائلة النشوء والتطور والتي تكيفت مع ظروف شديدة التنوع أو شديدة القسوة.

على مدى العقود القليلة الماضية ، أدى التطور السريع لتقنيات البيولوجيا الجزيئية إلى تقدم كبير في هذا المجال ، مما سمح لنا بالتحقيق في الأسئلة المثيرة للاهتمام حول طبيعة الكائنات القاسية بدقة غير مسبوقة. على وجه الخصوص ، أحدثت تقنيات تسلسل الحمض النووي عالية الإنتاجية ثورة في كيفية استكشافنا لعلم الأحياء الدقيقة الشديد ، وكشف عن النظم البيئية الميكروبية ذات المستويات العالية بشكل غير متوقع من التنوع والتعقيد. ومع ذلك ، فإن المعرفة الدقيقة بفيزيولوجيا الكائنات الحية في الثقافة ضرورية لاستكمال الدراسات الجينية أو النسخية ولا يمكن استبدالها بأي نهج آخر. وبالتالي ، فإن الجمع بين الأساليب التقليدية المحسنة للعزل / الزراعة والتقنيات الحديثة المستقلة عن الثقافة يمكن اعتبارها أفضل نهج نحو فهم أفضل لكيفية بقاء الكائنات الحية الدقيقة وعملها في مثل هذه البيئات القاسية.

بناءً على مثل هذه التطورات التكنولوجية ، قدمت دراسة الأشخاص المتطرفين ، على مدى السنوات القليلة الماضية ، اكتشافات رائدة تتحدى نماذج علم الأحياء الحديث وتجعلنا نعيد التفكير في أسئلة مثيرة للاهتمام مثل & # x0201c ما هي الحياة؟ & # x0201d ، & # x0201c ما هي حدود الحياة؟ & # x0201d و & # x0201c ما هي السمات الأساسية للحياة؟ & # x0201d. جعلت هذه النتائج دراسة الحياة في البيئات القاسية واحدة من أكثر مجالات البحث إثارة ، ويمكن أن تخبرنا كثيرًا عن أساسيات الحياة.

توفر الآليات التي تتكيف بها الكائنات الحية المختلفة مع البيئات القاسية منظورًا فريدًا للخصائص الأساسية للعمليات البيولوجية ، مثل الحدود البيوكيميائية لاستقرار الجزيئات الكبيرة والتعليمات الجينية لبناء الجزيئات الكبيرة التي تستقر في واحد أو أكثر من الظروف القاسية. تقدم هذه الكائنات الحية تنوعًا استقلابيًا واسعًا ومتعدد الاستخدامات مقرونًا بقدرات فسيولوجية غير عادية لاستعمار البيئات القاسية. بالإضافة إلى المسار الأيضي المألوف لعملية التمثيل الضوئي ، تمتلك الكائنات القاسية عمليات أيض تعتمد على الميثان والكبريت وحتى الحديد.

على الرغم من أن الاستراتيجيات الجزيئية المستخدمة للبقاء في مثل هذه البيئات لم يتم توضيحها بالكامل بعد ، فمن المعروف أن هذه الكائنات قد تكيفت مع الجزيئات الحيوية والمسارات البيوكيميائية الخاصة التي لها أهمية كبيرة لأغراض التكنولوجيا الحيوية. إن ثباتها ونشاطها في الظروف القاسية يجعلها بدائل مفيدة للجزيئات الوسيطة القابلة للتغير. هذا ينطبق بشكل خاص على إنزيماتهم ، التي تظل نشطة محفزًا في ظل درجات الحرارة القصوى ، والملوحة ، ودرجة الحموضة ، وظروف المذيبات. ومن المثير للاهتمام ، أن بعض هذه الإنزيمات تُظهر تعدد الخلايا (بمعنى آخر.، الاستقرار والنشاط في أكثر من حالة متطرفة) التي تجعل استخدامها على نطاق واسع في التكنولوجيا الحيوية الصناعية ممكنًا.

من منظور تطوري وتطور ، فإن الإنجاز المهم الذي ظهر من الدراسات التي شملت المتطرفين هو أن بعض هذه الكائنات تشكل كتلة على قاعدة شجرة الحياة. العديد من الكائنات القاسية ، ولا سيما محبي الحرارة الفائقة ، تقع بالقرب من & # x0201cuniversal السلف & # x0201d لجميع الكائنات الحية على الأرض. لهذا السبب ، فإن المتطرفين مهمون للدراسات التطورية المتعلقة بأصول الحياة. من المهم أيضًا الإشارة إلى أن المجال الثالث للحياة ، وهو الأركيا ، قد تم اكتشافه جزئيًا بسبب الدراسات الأولى على الكائنات الحية المتطرفة ، مع عواقب وخيمة على علم الأحياء التطوري.

علاوة على ذلك ، أصبحت دراسة البيئات القاسية مجالًا رئيسيًا للبحث في علم الأحياء الفلكي. يسمح فهم بيولوجيا الكائنات الحية المتطرفة وأنظمتها البيئية بتطوير فرضيات تتعلق بالظروف المطلوبة لأصل وتطور الحياة في مكان آخر من الكون. وبالتالي ، يمكن اعتبار الكائنات الحية المتطرفة ككائنات نموذجية عند استكشاف وجود حياة خارج كوكب الأرض في كواكب وأقمار النظام الشمسي وما بعده. على سبيل المثال ، قد تكون الكائنات الحية الدقيقة المكتشفة في قلب الجليد المستعاد من عمق بحيرة فوستوك وغيرها من البحيرات تحت الجليدية المعمرة من القارة القطبية الجنوبية بمثابة نماذج للبحث عن الحياة في كوكب المشتري والقمر أوروبا. قد تكون النظم البيئية الميكروبية الموجودة في البيئات القاسية مثل صحراء أتاكاما والوديان الجافة في أنتاركتيكا وريو تينتو مماثلة لأشكال الحياة المحتملة التي تتكيف مع ظروف المريخ. وبالمثل ، فإن الكائنات الحية الدقيقة شديدة الحرارة الموجودة في الينابيع الساخنة والمنافذ الحرارية المائية والمواقع الأخرى التي يتم تسخينها بواسطة النشاط البركاني في المناطق الأرضية أو البحرية قد تشبه أشكال الحياة المحتملة الموجودة في البيئات الأخرى خارج كوكب الأرض. في الآونة الأخيرة ، أدى إدخال تقنيات جديدة مثل التحليل الطيفي لرامان في البحث عن علامات الحياة باستخدام الكائنات الحية المتطرفة كنماذج إلى فتح آفاق أخرى قد تكون مفيدة جدًا في علم الأحياء الفلكي.

مع هذه الاكتشافات الرائدة والتطورات الحديثة في عالم الكائنات الخارجية ، والتي لها آثار عميقة على مختلف فروع علوم الحياة ، نمت معرفتنا بالمحيط الحيوي وتوسعت الحدود المفترضة للحياة. ومع ذلك ، على الرغم من التطورات الأخيرة ، إلا أننا ما زلنا في بداية استكشاف وتوصيف عالم عشاق الرياضة المتطرفة. يناقش هذا العدد الخاص العديد من جوانب هذه الكائنات الرائعة ، ويستكشف موائلها ، والتنوع البيولوجي ، والبيئة ، والتطور ، وعلم الوراثة ، والكيمياء الحيوية ، وتطبيقات التكنولوجيا الحيوية في مجموعة من المراجعات المثيرة والمقالات الأصلية التي كتبها كبار الخبراء ومجموعات البحث في هذا المجال. أود أن أشكر المؤلفين والمؤلفين المشاركين على تقديم هذه المساهمات الشيقة. كما أشكر مكتب التحرير والعديد من المراجعين على مساعدتهم القيمة في مراجعة المخطوطات.


لا يمكنك دائمًا تصديق دماغك

إذا كنت مثل معظم الناس ، فإن عقلك مليء بالثرثرة المستمرة للأفكار والمعتقدات والذكريات ، والتي تكون في الغالب سلبية ومن طفولتك. هذه المادة عادة ما تكون أقل من وعيك الواعي ، ولا يمكن قياسها أو استرجاعها بشكل مباشر ، ومع ذلك فهي حقيقية للغاية ولها تأثير كبير على حياتك وسعادتك.

في أنت لست دماغك، جيفري شوارتز ، دكتوراه في الطب وريبيكا جلادنج ، دكتوراه في الطب ، يطلقون على هذه "رسائل الدماغ الخادعة" التي يعرفونها على أنها:

أي فكرة خاطئة أو غير دقيقة أو دافع أو رغبة أو رغبة غير مفيدة أو مشتتة للانتباه تأخذك بعيدًا عن أهدافك ونواياك الحقيقية في الحياة.

تشكل الرسائل المخادعة المخادعة حلقة مفرغة يمكن أن تلحق خسائر مدمرة بحياة الناس مما يؤدي إلى الاكتئاب والقلق ومشاكل العلاقات والعزلة والإدمان والعادات غير الصحية والمزيد.

تبدأ الدورة بفكرة تسبب لك الانزعاج وتبعدك عن أهدافك وقيمك. يتم إنشاء هذه الأفكار كجزء من عقلك التلقائي ، وغالبًا ما يشار إليها بالحديث الذاتي السلبي أو الناقد الداخلي ، وتتكون من ذكريات ضمنية ومعتقدات مكتسبة من ماضيك. بعض رسائل الدماغ الخادعة الشائعة هي:

  • يجب أن أمتلك / لا يجب أن أمتلك ...
  • أنا شخص سيء.
  • أنا لا أستحق أن أكون سعيدا.
  • انا لست جيد بما فيه الكفاية.
  • لا أستطيع أن أفعل هذا / أجعله… ..
  • أريد الهروب.

قد يكون الفكر مصحوبًا بإحساس جسدي أو حالة عاطفية. على سبيل المثال:

  • قصف القلب
  • الفراشات
  • التعرق
  • قلق
  • الشعور باليأس / العجز
  • الرغبة في شيء ما أو الرغبة في التصرف

في محاولة لتخفيف الإحساس أو العاطفة غير السارة ، عادة ما تتصرف بطرق تلقائية اعتيادية. في كثير من الحالات ، قد لا تكون مدركًا لرد فعلك أو الدوافع وراءه. قد تتضمن بعض الاستجابات المعتادة:

  • تعاطي المخدرات أو الكحول
  • الأكل / اتباع نظام غذائي / تطهير
  • التسوق / إنفاق الأموال / المقامرة
  • الجنس القهري
  • سلوكيات التجنب
  • فحص شيء ما بشكل متكرر (بريد إلكتروني ، نصوص ، أقفال الأبواب)
  • الإفراط في التفكير أو القلق

يميز المؤلفون بين المشاعر والأحاسيس العاطفية ويؤكدون على أهمية معرفة الفرق. لأغراضهم ، تستند المشاعر إلى حدث حقيقي يتناسب مع ما يحدث ولا ينبغي تجنبه ، ولكن من ذوي الخبرة والمعالجة البناءة. الإحساس العاطفي هو شعور مبني على رسالة دماغ خادعة ويقودك إلى التصرف بطرق غير صحية. إنه مثل الفرق بين الشعور بالحزن لأن حيوانك الأليف مات والشعور بالحزن لأنك تشعر بأنك غير محبوب ولا أحد يهتم بك. (انظر المدونة: ما الفرق بين المشاعر والعواطف)


محتويات

لطالما كان تعريف الحياة تحديًا للعلماء والفلاسفة ، مع طرح العديد من التعريفات المتنوعة. [16] [17] [18] يرجع هذا جزئيًا إلى أن الحياة عملية وليست مادة. [19] [20] [21] هذا معقد بسبب نقص المعرفة بخصائص الكائنات الحية ، إن وجدت ، التي قد تكون قد تطورت خارج الأرض. [22] [23] كما تم طرح التعريفات الفلسفية للحياة ، مع وجود صعوبات مماثلة في كيفية التمييز بين الكائنات الحية وغير الحية. [24] تم أيضًا وصف ومناقشة التعريفات القانونية للحياة ، على الرغم من أنها تركز بشكل عام على قرار إعلان وفاة الإنسان ، والتداعيات القانونية لهذا القرار. [25] تم تجميع ما يصل إلى 123 تعريفًا للحياة. [26] يبدو أن هناك تعريفًا واحدًا تفضله وكالة ناسا: "نظام كيميائي قائم بذاته وقادر على التطور الدارويني." [27] [28] [29] [30] ببساطة ، الحياة هي "مادة يمكن أن تتكاثر وتتطور حسب ما يمليه البقاء". [31] [32] [33]

مادة الاحياء

نظرًا لعدم وجود تعريف واضح للحياة ، فإن معظم التعريفات الحالية في علم الأحياء وصفية. تعتبر الحياة سمة من سمات الشيء الذي يحافظ على وجوده أو يعززه أو يعزز وجوده في بيئة معينة. تُظهر هذه الخاصية كل أو معظم السمات التالية: [18] [34] [35] [36] [37] [38] [39]

  1. الاستتباب: تنظيم البيئة الداخلية للحفاظ على حالة ثابتة مثل التعرق لخفض درجة الحرارة
  2. منظمة: كونها مكونة هيكليا من خلية واحدة أو أكثر - الوحدات الأساسية للحياة
  3. الأيض: تحويل الطاقة عن طريق تحويل المواد الكيميائية والطاقة إلى مكونات خلوية (الابتنائية) وتحلل المواد العضوية (تقويض). تتطلب الكائنات الحية الطاقة للحفاظ على التنظيم الداخلي (التوازن الداخلي) ولإنتاج الظواهر الأخرى المرتبطة بالحياة.
  4. نمو: الحفاظ على معدل أعلى من الابتنائية من تقويض. يزداد حجم الكائن الحي المتنامي في جميع أجزائه ، بدلاً من مجرد تراكم المادة.
  5. التكيف: القدرة على التغيير بمرور الوقت استجابةً للبيئة. تعد هذه القدرة أساسية لعملية التطور ويتم تحديدها من خلال وراثة الكائن الحي ونظامه الغذائي والعوامل الخارجية.
  6. الاستجابة للمنبهات: يمكن أن تتخذ الاستجابة أشكالًا عديدة ، من تقلص كائن حي وحيد الخلية إلى مواد كيميائية خارجية ، إلى تفاعلات معقدة تشمل جميع حواس الكائنات متعددة الخلايا. غالبًا ما يتم التعبير عن الاستجابة بالحركة على سبيل المثال ، أوراق نبات تتجه نحو الشمس (اتجاه ضوئي) ، والانجذاب الكيميائي.
  7. التكاثر: القدرة على إنتاج كائنات فردية جديدة ، إما لاجنسيًا من كائن أب وحيد أو جنسيًا من كائنين أصليين.

هذه العمليات المعقدة ، التي تسمى الوظائف الفسيولوجية ، لها قواعد فيزيائية وكيميائية أساسية ، بالإضافة إلى آليات إرسال الإشارات والتحكم الضرورية للحفاظ على الحياة.

التعريفات البديلة

من منظور فيزيائي ، الكائنات الحية عبارة عن أنظمة ديناميكية حرارية ذات بنية جزيئية منظمة يمكنها إعادة إنتاج نفسها والتطور وفقًا لما يقتضيه البقاء على قيد الحياة. [40] [41] من الناحية الديناميكية الحرارية ، تم وصف الحياة على أنها نظام مفتوح يستخدم التدرجات في محيطه لإنشاء نسخ غير كاملة من نفسه. [42] طريقة أخرى لوضع هذا هو تعريف الحياة على أنها "نظام كيميائي قائم بذاته وقادر على الخضوع للتطور الدارويني" ، وهو تعريف اعتمدته لجنة ناسا في محاولة لتعريف الحياة لأغراض علم الأحياء الخارجية ، بناءً على اقتراح كارل ساجان. [43] [44] [45] تتمثل إحدى نقاط القوة الرئيسية لهذا التعريف في أنه يميز الحياة بالعملية التطورية بدلاً من تركيبها الكيميائي. [46]

يتبنى آخرون وجهة نظر منهجية لا تعتمد بالضرورة على الكيمياء الجزيئية.أحد التعريفات النظامية للحياة هو أن الكائنات الحية ذاتية التنظيم وذاتية التكوين (ذاتية الإنتاج). تشمل الاختلافات في هذا التعريف تعريف ستيوارت كوفمان كعامل مستقل أو نظام متعدد العوامل قادر على إعادة إنتاج نفسه أو إنتاج نفسه ، وإكمال دورة عمل ديناميكية حرارية واحدة على الأقل. [47] تم توسيع هذا التعريف من خلال ظهور وظائف جديدة بمرور الوقت. [48]

الفيروسات

ما إذا كان ينبغي اعتبار الفيروسات حية أم لا أمرًا مثيرًا للجدل. غالبًا ما يُنظر إليهم على أنهم مجرد نسخ مكررة لترميز الجينات بدلاً من أشكال الحياة. [49] وُصفت بأنها "كائنات على حافة الحياة" [50] لأنها تمتلك الجينات ، وتتطور عن طريق الانتقاء الطبيعي ، [51] [52] وتتكاثر عن طريق إنشاء نسخ متعددة من نفسها من خلال التجميع الذاتي. ومع ذلك ، لا يتم التمثيل الغذائي للفيروسات وتتطلب خلية مضيفة لإنتاج منتجات جديدة. التجميع الذاتي للفيروس داخل الخلايا المضيفة له آثار على دراسة أصل الحياة ، لأنه قد يدعم الفرضية القائلة بأن الحياة يمكن أن تكون قد بدأت كجزيئات عضوية ذاتية التجميع. [53] [54] [55]

الفيزياء الحيوية

لتعكس الحد الأدنى من الظواهر المطلوبة ، تم اقتراح تعريفات بيولوجية أخرى للحياة ، [56] والعديد منها يعتمد على أنظمة كيميائية. علق علماء الفيزياء الحيوية بأن الكائنات الحية تعمل على الانتروبيا السلبية. [57] [58] وبعبارة أخرى ، يمكن النظر إلى العمليات الحية على أنها تأخير في الانتشار أو التشتت التلقائي للطاقة الداخلية للجزيئات البيولوجية نحو المزيد من الدول المجهرية المحتملة. [16] بمزيد من التفصيل ، وفقًا لعلماء الفيزياء مثل جون برنال وإروين شرودنجر ويوجين وينر وجون أفيري ، تعتبر الحياة عضوًا في فئة الظواهر المفتوحة أو النظم المستمرة القادرة على تقليل إنتروبياها الداخلية على حساب المواد أو الطاقة الحرة المأخوذة من البيئة ثم يتم رفضها لاحقًا في شكل متحلل. [59] [60] ظهور وزيادة شعبية المحاكاة الحيوية أو التقليد الحيوي (تصميم وإنتاج المواد والهياكل والأنظمة المصممة على الكيانات والعمليات البيولوجية) من المرجح أن يعيد تعريف الحدود بين الحياة الطبيعية والاصطناعية. [61]

نظريات النظم الحية

الأنظمة الحية هي كائنات حية مفتوحة ذاتية التنظيم تتفاعل مع بيئتها. يتم الحفاظ على هذه الأنظمة من خلال تدفق المعلومات والطاقة والمادة.

عرّف بوديسا وكوبيشكين وشميدت الحياة الخلوية كوحدة تنظيمية ترتكز على أربع ركائز / ركائز أساسية: (1) الطاقة ، (2) التمثيل الغذائي ، (3) المعلومات و (4) الشكل. هذا النظام قادر على تنظيم ومراقبة التمثيل الغذائي وإمدادات الطاقة ويحتوي على نظام فرعي واحد على الأقل يعمل كحامل للمعلومات (المعلومات الجينية). الخلايا كوحدات ذاتية الاستدامة هي أجزاء من مجموعات سكانية مختلفة تشارك في العملية المفتوحة أحادية الاتجاه والتي لا رجعة فيها والمعروفة باسم التطور. [62]

اقترح بعض العلماء في العقود القليلة الماضية أن نظرية الأنظمة الحية العامة مطلوبة لشرح طبيعة الحياة. [63] ستنشأ مثل هذه النظرية العامة من العلوم البيئية والبيولوجية وتحاول رسم خريطة للمبادئ العامة لكيفية عمل جميع الأنظمة الحية. بدلاً من فحص الظواهر من خلال محاولة تقسيم الأشياء إلى مكونات ، تستكشف نظرية الأنظمة الحية العامة الظواهر من حيث الأنماط الديناميكية لعلاقات الكائنات الحية مع بيئتها. [64]

فرضية جايا

فكرة أن الأرض على قيد الحياة موجودة في الفلسفة والدين ، ولكن أول مناقشة علمية لها كانت من قبل العالم الاسكتلندي جيمس هوتون. في عام 1785 ، صرح أن الأرض كانت كائنًا خارقًا وأن دراستها المناسبة يجب أن تكون علم وظائف الأعضاء. يعتبر هوتون والد الجيولوجيا ، لكن فكرته عن الأرض الحية تم نسيانها في الاختزالية الشديدة في القرن التاسع عشر. [65]: 10 تشير فرضية Gaia ، التي اقترحها العالم جيمس لوفلوك في الستينيات ، [66] [67] إلى أن الحياة على الأرض تعمل ككائن حي واحد يحدد ويحافظ على الظروف البيئية اللازمة لبقائه. [65] كانت هذه الفرضية بمثابة أحد أسس علم نظام الأرض الحديث.

عدم الانكسار

كرس روبرت روزين جزءًا كبيرًا من حياته المهنية ، من عام 1958 [68] فصاعدًا ، لتطوير نظرية شاملة للحياة كنظام معقد منظم ذاتيًا ، "مغلق للسببية الفعالة" [69] عرّف مكون النظام بأنه "وحدة من التنظيم جزء له وظيفة ، أي علاقة محددة بين الجزء والكل ". وحدد "عدم تجزئة المكونات في الكائن الحي" على أنها الاختلاف الأساسي بين الأنظمة الحية و "الآلات البيولوجية". لخص آرائه في كتابه الحياة نفسها. [70] يمكن العثور على أفكار مماثلة في الكتاب الأنظمة الحية [71] بواسطة جيمس جرير ميلر.

الحياة كممتلكات للنظم البيئية

تتعامل رؤية الأنظمة للحياة مع التدفقات البيئية والتدفقات البيولوجية معًا على أنها "تأثير متبادل" ، [72] ويمكن القول إن العلاقة المتبادلة مع البيئة مهمة لفهم الحياة كما هي لفهم النظم البيئية. كما أوضح هارولد جيه موروويتز (1992) ، الحياة هي خاصية لنظام بيئي وليس كائنًا أو نوعًا واحدًا. [73] يجادل بأن التعريف البيئي للحياة أفضل من التعريف الكيميائي الحيوي أو الفيزيائي. يسلط روبرت أولانوفيتش (2009) الضوء على التبادلية باعتبارها المفتاح لفهم السلوك النظامي المولِّد للنظام للحياة والنظم البيئية. [74]

بيولوجيا الأنظمة المعقدة

بيولوجيا الأنظمة المعقدة (CSB) هو مجال علمي يدرس ظهور التعقيد في الكائنات الحية الوظيفية من وجهة نظر نظرية الأنظمة الديناميكية. [75] وغالبًا ما يُطلق على الأخير أيضًا اسم بيولوجيا الأنظمة ويهدف إلى فهم الجوانب الأساسية للحياة. يهتم نهج وثيق الصلة بـ CSB وبيولوجيا الأنظمة يسمى علم الأحياء العلائقي بشكل أساسي بفهم عمليات الحياة من حيث العلاقات الأكثر أهمية ، وفئات هذه العلاقات بين المكونات الوظيفية الأساسية للكائنات الحية متعددة الخلايا ، وقد تم تعريف هذا على أنه "قاطع" علم الأحياء "، أو تمثيل نموذجي للكائنات كنظرية تصنيفية للعلاقات البيولوجية ، بالإضافة إلى طوبولوجيا جبرية للتنظيم الوظيفي للكائنات الحية من حيث شبكاتها الديناميكية المعقدة من العمليات الأيضية والجينية والتخلقية ومسارات الإشارات. [76] [77] تركز المناهج البديلة ولكنها وثيقة الصلة على الترابط بين القيود ، حيث يمكن أن تكون القيود إما جزيئية ، مثل الإنزيمات ، أو مجهرية ، مثل هندسة العظام أو نظام الأوعية الدموية. [78]

ديناميكية داروينية

لقد قيل أيضًا أن تطور النظام في الأنظمة الحية وأنظمة فيزيائية معينة تخضع لمبدأ أساسي مشترك يسمى الديناميكية الداروينية. [79] [80] تمت صياغة الديناميكية الداروينية من خلال النظر أولاً في كيفية إنشاء الترتيب العياني في نظام غير بيولوجي بسيط بعيدًا عن التوازن الديناميكي الحراري ، ثم توسيع النظر إلى جزيئات RNA القصيرة والمتكررة. تم التوصل إلى أن عملية إنشاء الأوامر الأساسية متشابهة بشكل أساسي لكلا النوعين من الأنظمة. [79]

نظرية المشغل

يقترح تعريف منهجي آخر يسمى نظرية المشغل أن "الحياة هي مصطلح عام لوجود الإغلاق النموذجي الموجود في الكائنات الحية ، فإن الإغلاق النموذجي هو غشاء ومجموعة تحفيز ذاتي في الخلية" [81] وأن الكائن الحي هو أي نظام به مؤسسة تتوافق مع نوع المشغل الذي يكون على الأقل معقدًا مثل الخلية. [82] [83] [84] [85] يمكن أيضًا تصميم الحياة على أنها شبكة من ردود الفعل السلبية السفلية للآليات التنظيمية التابعة لردود فعل إيجابية متفوقة تكونت من خلال إمكانية التوسع والتكاثر. [86]

المادية

كانت بعض النظريات المبكرة للحياة مادية ، معتبرة أن كل ما هو موجود هو المادة ، وأن الحياة مجرد شكل معقد أو ترتيب للمادة. جادل إمبيدوكليس (430 قبل الميلاد) بأن كل شيء في الكون يتكون من مزيج من أربعة "عناصر" أبدية أو "جذور الكل": الأرض والماء والهواء والنار. يتم تفسير كل التغيير من خلال ترتيب وإعادة ترتيب هذه العناصر الأربعة. تحدث الأشكال المختلفة للحياة عن طريق مزيج مناسب من العناصر. [87]

اعتقد ديموقريطس (460 قبل الميلاد) أن السمة الأساسية للحياة هي امتلاك الروح (روح). مثل غيره من الكتاب القدامى ، كان يحاول شرح ما يجعل شيئًا ما معيشة شيء. كان تفسيره هو أن الذرات النارية تصنع الروح بنفس الطريقة تمامًا التي تفسر بها الذرات والفراغ أي شيء آخر. يشرح بالتفصيل النار بسبب العلاقة الظاهرة بين الحياة والحرارة ، ولأن النار تتحرك. [88]

عالم أفلاطون للأشكال الأبدية وغير المتغيرة ، الممثل بشكل غير كامل في المادة بواسطة حرفي إلهي ، يتناقض بشكل حاد مع ميكانيكي مختلف Weltanschauungen ، والتي كانت الذرية ، بحلول القرن الرابع على الأقل ، هي الأبرز. استمر هذا النقاش في جميع أنحاء العالم القديم. حصلت الآلية الذرية على رصاصة في الذراع من أبيقور. بينما تبنى الرواقيون الغائية الإلهية. يبدو الاختيار بسيطًا: إما إظهار كيف يمكن لعالم منظم ومنتظم أن ينشأ من عمليات غير موجهة ، أو يضخ الذكاء في النظام. [89]

تم إحياء المادية الميكانيكية التي نشأت في اليونان القديمة ومراجعتها من قبل الفيلسوف الفرنسي رينيه ديكارت (1596-1650) ، الذي رأى أن الحيوانات والبشر عبارة عن مجموعات من الأجزاء التي تعمل معًا كآلة. تم تطوير هذه الفكرة بشكل أكبر بواسطة Julien Offray de La Mettrie (1709-1750) في كتابه آلة لوم. [90]

في القرن التاسع عشر ، شجع التقدم في نظرية الخلية في علم الأحياء على هذا الرأي. النظرية التطورية لتشارلز داروين (1859) هي تفسير آلي لأصل الأنواع عن طريق الانتقاء الطبيعي. [91]

في بداية القرن العشرين ، روج ستيفان ليدوك (1853-1939) لفكرة أن العمليات البيولوجية يمكن فهمها من حيث الفيزياء والكيمياء ، وأن نموها يشبه نمو البلورات غير العضوية المغمورة في محاليل سيليكات الصوديوم. أفكاره الواردة في كتابه لا biologie synthétique [92] تم فصله على نطاق واسع خلال حياته ، ولكنه أدى إلى تجدد الاهتمام بعمل راسل وبارج وزملائه. [93]

Hylomorphism

Hylomorphism هي نظرية أعرب عنها لأول مرة الفيلسوف اليوناني أرسطو (322 قبل الميلاد). كان تطبيق hylomorphism في علم الأحياء مهمًا لأرسطو ، وقد تمت تغطية علم الأحياء على نطاق واسع في كتاباته الموجودة. من وجهة النظر هذه ، كل شيء في الكون المادي له مادة وشكل ، وشكل الكائن الحي هو روحه (اليونانية روح، لاتيني الأنيما). هناك ثلاثة أنواع من الأرواح: الروح الخضرية من النباتات ، مما يجعلها تنمو وتتحلل وتغذي نفسها ، ولكنها لا تسبب الحركة والإحساس روح الحيوان، مما يجعل الحيوانات تتحرك وتشعر و الروح العقلانية، وهو مصدر الوعي والتفكير الذي (يعتقد أرسطو) موجود فقط في الإنسان. [94] كل روح عليا لها كل صفات الطبقات الدنيا. يعتقد أرسطو أنه في حين أن المادة يمكن أن توجد بدون شكل ، فإن الشكل لا يمكن أن يوجد بدون المادة ، وبالتالي لا يمكن للروح أن توجد بدون الجسد. [95]

يتوافق هذا الحساب مع التفسيرات الغائية للحياة ، والتي تفسر الظواهر من حيث الهدف أو الهدف. وهكذا ، فإن بياض معطف الدب القطبي يفسر من خلال الغرض من التمويه. يتعارض اتجاه السببية (من المستقبل إلى الماضي) مع الدليل العلمي للانتقاء الطبيعي ، والذي يفسر النتيجة من حيث سبب سابق. لا يتم شرح السمات البيولوجية من خلال النظر إلى النتائج المثلى في المستقبل ، ولكن من خلال النظر في التاريخ التطوري السابق للأنواع ، مما أدى إلى الانتقاء الطبيعي للسمات المعنية. [96]

التوليد التلقائي

كان التولد التلقائي هو الاعتقاد بأن الكائنات الحية يمكن أن تتشكل دون أن تنحدر من كائنات حية مماثلة. عادة ، كانت الفكرة هي أن أشكالًا معينة مثل البراغيث يمكن أن تنشأ من مادة غير حية مثل الغبار أو الجيل الموسمي المفترض من الفئران والحشرات من الطين أو القمامة. [97]

اقترح أرسطو نظرية التوليد التلقائي ، [98] الذي جمع ووسع أعمال الفلاسفة الطبيعيين السابقين والتفسيرات القديمة المختلفة لظهور الكائنات التي سيطرت عليها لمدة ألفي عام. تم تبديده بشكل حاسم من خلال تجارب لويس باستير في عام 1859 ، الذي توسع في تحقيقات أسلافه مثل فرانشيسكو ريدي. [99] [100] لم يعد عدم دعم الأفكار التقليدية للولادة التلقائية أمرًا مثيرًا للجدل بين علماء الأحياء. [101] [102] [103]

الحيوية

الحيوية هي الاعتقاد بأن مبدأ الحياة غير مادي. نشأ هذا مع جورج إرنست ستال (القرن السابع عشر) ، وظل يتمتع بشعبية حتى منتصف القرن التاسع عشر. وقد ناشدت فلاسفة مثل هنري بيرجسون وفريدريك نيتشه وويلهلم ديلثي ، [104] علماء التشريح مثل كزافييه بيشات والكيميائيين مثل جوستوس فون ليبيج. [105] تضمنت الحيوية فكرة وجود اختلاف جوهري بين المواد العضوية وغير العضوية ، والاعتقاد بأن المواد العضوية لا يمكن اشتقاقها إلا من الكائنات الحية. تم دحض هذا في عام 1828 ، عندما أعد فريدريش فولر اليوريا من مواد غير عضوية. [106] يعتبر توليف Wöhler نقطة البداية للكيمياء العضوية الحديثة. إنه ذو أهمية تاريخية لأنه لأول مرة تم إنتاج مركب عضوي في تفاعلات غير عضوية. [105]

خلال خمسينيات القرن التاسع عشر ، أظهر هيرمان فون هيلمهولتز ، الذي توقعه يوليوس روبرت فون ماير ، أنه لا توجد طاقة مفقودة في حركة العضلات ، مما يشير إلى عدم وجود "قوى حيوية" ضرورية لتحريك العضلات. [107] أدت هذه النتائج إلى التخلي عن الاهتمام العلمي بالنظريات الحيوية ، خاصة بعد إثبات بوكنر أن التخمر الكحولي يمكن أن يحدث في مستخلصات الخميرة الخالية من الخلايا. [108] ومع ذلك ، لا يزال الاعتقاد موجودًا في النظريات العلمية الزائفة مثل المعالجة المثلية ، التي تفسر الأمراض والمرض على أنها ناتجة عن اضطرابات في القوة الحيوية الافتراضية أو قوة الحياة. [109]

يبلغ عمر الأرض حوالي 4.54 مليار سنة. [110] [111] [112] تشير الأدلة إلى أن الحياة على الأرض كانت موجودة منذ 3.5 مليار سنة على الأقل ، [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] ] مع أقدم الآثار المادية للحياة التي يعود تاريخها إلى 3.7 مليار سنة [122] [123] [124] ومع ذلك ، فإن بعض النظريات ، مثل نظرية القصف الثقيل المتأخر ، تشير إلى أن الحياة على الأرض ربما بدأت في وقت مبكر ، في وقت مبكر من 4.1 قبل 4.4 مليار سنة ، [113] [114] [115] [116] [117] وربما تكون الكيمياء المؤدية إلى الحياة قد بدأت بعد وقت قصير من الانفجار العظيم ، قبل 13.8 مليار سنة ، خلال حقبة كان فيها الكون 10 فقط - 17 مليون سنة. [125] [126] [127]

أكثر من 99٪ من جميع أنواع أشكال الحياة ، والتي تصل إلى أكثر من خمسة مليارات نوع ، [128] التي عاشت على الأرض تشير التقديرات إلى أنها انقرضت. [129] [130]

على الرغم من أن عدد أنواع أشكال الحياة المصنفة على الأرض يتراوح بين 1.2 مليون و 2 مليون ، [131] [132] فإن العدد الإجمالي للأنواع في الكوكب غير مؤكد. تتراوح التقديرات من 8 ملايين إلى 100 مليون ، [131] [132] مع نطاق أضيق يتراوح بين 10 و 14 مليونًا ، [131] لكنها قد تصل إلى 1 تريليون (مع واحد في الألف فقط من واحد بالمائة من الأنواع موصوف) وفقًا لدراسات أُجريت في مايو 2016. [133] [134] يقدر العدد الإجمالي لأزواج قواعد الحمض النووي ذات الصلة على الأرض بـ 5.0 × 10 37 ويزن 50 مليار طن. [135] وبالمقارنة ، قُدرت الكتلة الإجمالية للغلاف الحيوي بما يصل إلى 4 تريليون طن من الكربون (تريليون طن من الكربون). [١٣٦] في يوليو 2016 ، أفاد العلماء بتحديد مجموعة من 355 جينًا من آخر سلف مشترك عالمي (LUCA) لجميع الكائنات الحية التي تعيش على الأرض. [137]

تشترك جميع أشكال الحياة المعروفة في الآليات الجزيئية الأساسية ، مما يعكس أصلها المشترك بناءً على هذه الملاحظات ، وتحاول الفرضيات حول أصل الحياة إيجاد آلية تشرح تكوين سلف مشترك عالمي ، من الجزيئات العضوية البسيطة عبر الحياة ما قبل الخلوية إلى الخلايا الأولية و الأيض. تم تقسيم النماذج إلى فئتي "الجينات أولاً" و "التمثيل الغذائي أولاً" ، لكن الاتجاه الأخير هو ظهور نماذج هجينة تجمع بين الفئتين. [138]

لا يوجد إجماع علمي حالي حول كيفية نشأة الحياة. ومع ذلك ، فإن معظم النماذج العلمية المقبولة مبنية على تجربة Miller-Urey وأعمال Sidney Fox ، والتي تُظهر أن الظروف على الأرض البدائية تفضل التفاعلات الكيميائية التي تصنع الأحماض الأمينية والمركبات العضوية الأخرى من السلائف غير العضوية ، [139] وتتشكل الدهون الفوسفورية تلقائيًا طبقات الدهون الثنائية ، وهي البنية الأساسية لغشاء الخلية.

تقوم الكائنات الحية بتصنيع البروتينات ، وهي عبارة عن بوليمرات من الأحماض الأمينية باستخدام تعليمات مشفرة بواسطة الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA). يستلزم تخليق البروتين بوليمرات حمض نووي وسيط (RNA). أحد الاحتمالات لكيفية بدء الحياة هو أن الجينات نشأت أولاً ، تليها البروتينات [140] ، البديل هو أن البروتينات تأتي أولاً ثم الجينات. [141]

ومع ذلك ، نظرًا لأن كلا من الجينات والبروتينات مطلوبان لإنتاج الآخر ، فإن مشكلة التفكير في أيهما يأتي أولاً تشبه مشكلة الدجاجة أو البيضة. تبنى معظم العلماء الفرضية القائلة بأنه بسبب ذلك ، من غير المحتمل أن تكون الجينات والبروتينات قد نشأت بشكل مستقل. [142]

لذلك ، هناك احتمال ، اقترحه فرانسيس كريك لأول مرة ، [143] وهو أن الحياة الأولى كانت مبنية على الحمض النووي الريبي ، [142] الذي يمتلك خصائص تشبه الحمض النووي لتخزين المعلومات والخصائص التحفيزية لبعض البروتينات. وهذا ما يسمى بفرضية عالم الحمض النووي الريبي (RNA) ، وهي مدعومة بالملاحظة التي مفادها أن العديد من المكونات الأكثر أهمية للخلايا (تلك التي تتطور بشكل أبطأ) تتكون في الغالب أو بالكامل من الحمض النووي الريبي. أيضًا ، العديد من العوامل المساعدة الحاسمة (ATP ، Acetyl-CoA ، NADH ، إلخ) هي إما نيوكليوتيدات أو مواد مرتبطة بها بوضوح. لم تكن الخصائص التحفيزية للـ RNA قد تم توضيحها بعد عند اقتراح الفرضية لأول مرة ، [144] ولكن تم تأكيدها من قبل توماس تشيك في عام 1986. [145]

تتمثل إحدى مشكلات فرضية عالم الحمض النووي الريبي في أن تخليق الحمض النووي الريبي من سلائف غير عضوية بسيطة أكثر صعوبة من الجزيئات العضوية الأخرى. أحد أسباب ذلك هو أن سلائف الحمض النووي الريبي مستقرة جدًا وتتفاعل مع بعضها البعض ببطء شديد في ظل الظروف المحيطة ، كما تم اقتراح أن الكائنات الحية تتكون من جزيئات أخرى قبل الحمض النووي الريبي. [146] ومع ذلك ، فإن التوليف الناجح لبعض جزيئات الحمض النووي الريبي في ظل الظروف التي كانت موجودة قبل الحياة على الأرض قد تم تحقيقه عن طريق إضافة سلائف بديلة بترتيب محدد مع وجود سلائف الفوسفات خلال التفاعل. [147] تجعل هذه الدراسة فرضية عالم الحمض النووي الريبي أكثر منطقية. [148]

أظهرت النتائج الجيولوجية في عام 2013 أن أنواع الفوسفور التفاعلي (مثل الفوسفيت) كانت بكثرة في المحيط قبل 3.5 Ga ، وأن Schreibersite يتفاعل بسهولة مع الجلسرين المائي لتوليد الفوسفيت والجلسرين 3-فوسفات. [149] يُفترض أن النيازك المحتوية على شريبيرسيت من القصف الثقيل المتأخر يمكن أن توفر فوسفورًا مخفضًا مبكرًا ، والذي يمكن أن يتفاعل مع الجزيئات العضوية البريبايوتيك لتكوين جزيئات حيوية فسفرة ، مثل الحمض النووي الريبي. [149]

في عام 2009 ، أظهرت التجارب التطور الدارويني لنظام مكون من عنصرين من إنزيمات الحمض النووي الريبي (الريبوزيمات) في المختبر. [150] تم تنفيذ العمل في مختبر جيرالد جويس ، الذي ذكر "هذا هو المثال الأول ، خارج علم الأحياء ، للتكيف التطوري في نظام وراثي جزيئي." [151]

قد تكون مركبات البريبايوتيك قد نشأت خارج كوكب الأرض. تشير نتائج وكالة ناسا في عام 2011 ، استنادًا إلى الدراسات التي أجريت على النيازك الموجودة على الأرض ، إلى أن مكونات الحمض النووي والحمض النووي الريبي (الأدينين والجوانين والجزيئات العضوية ذات الصلة) قد تتشكل في الفضاء الخارجي. [152] [153] [154] [155]

في مارس 2015 ، أفاد علماء ناسا أنه لأول مرة ، تم تكوين مركبات عضوية معقدة من الحمض النووي والحمض النووي الريبي ، بما في ذلك اليوراسيل والسيتوزين والثايمين ، في المختبر في ظروف الفضاء الخارجي ، باستخدام مواد كيميائية ابتدائية ، مثل بيريميدين ، وجدت في النيازك. قد يكون البيريميدين ، مثل الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAHs) ، المادة الكيميائية الأكثر ثراءً بالكربون الموجودة في الكون ، قد تكون قد تشكلت في عمالقة حمراء أو في سحب الغبار والغاز بين النجوم ، وفقًا للعلماء. [156]

وفقًا لفرضية البانسبيرميا ، قد توجد الحياة المجهرية - الموزعة بواسطة النيازك والكويكبات وغيرها من أجسام النظام الشمسي الصغيرة - في جميع أنحاء الكون. [157] [158]

تنوع الحياة على الأرض هو نتيجة التفاعل الديناميكي بين الفرصة الجينية ، والقدرة الأيضية ، والتحديات البيئية ، [159] والتعايش. [160] [161] [162] طوال فترة وجودها ، سيطرت الكائنات الحية الدقيقة على بيئة الأرض الصالحة للسكن وتعرضت لعملية التمثيل الغذائي والتطور. نتيجة لهذه الأنشطة الميكروبية ، تغيرت البيئة الفيزيائية والكيميائية على الأرض على نطاق زمني جيولوجي ، مما أثر على مسار تطور الحياة اللاحقة. [159] على سبيل المثال ، تسبب إطلاق الأكسجين الجزيئي بواسطة البكتيريا الزرقاء كمنتج ثانوي لعملية التمثيل الضوئي في إحداث تغيرات عالمية في بيئة الأرض. نظرًا لأن الأكسجين كان سامًا لمعظم أشكال الحياة على الأرض في ذلك الوقت ، فقد شكل ذلك تحديات تطورية جديدة ، وأدى في النهاية إلى تكوين الأنواع النباتية والحيوانية الرئيسية على الأرض. هذا التفاعل بين الكائنات الحية وبيئتها هو سمة متأصلة في الأنظمة الحية. [159]

المحيط الحيوي

المحيط الحيوي هو المجموع العالمي لجميع النظم البيئية. يمكن أيضًا وصفها بأنها منطقة الحياة على الأرض ، وهي نظام مغلق (بصرف النظر عن الإشعاع الشمسي والكوني والحرارة من باطن الأرض) ، وهي ذاتية التنظيم إلى حد كبير. [163] من خلال التعريف الفيزيولوجي الحيوي الأكثر عمومية ، فإن المحيط الحيوي هو النظام الإيكولوجي العالمي الذي يدمج جميع الكائنات الحية وعلاقاتها ، بما في ذلك تفاعلها مع عناصر الغلاف الصخري والغلاف الأرضي والغلاف المائي والغلاف الجوي.

تعيش أشكال الحياة في كل جزء من المحيط الحيوي للأرض ، بما في ذلك التربة والينابيع الحارة وداخل الصخور التي لا تقل عن 19 كم (12 ميل) تحت الأرض ، وأعمق أجزاء المحيط ، وما لا يقل عن 64 كم (40 ميل) في الغلاف الجوي. . [164] [165] [166] في ظل ظروف اختبار معينة ، لوحظ أن أشكال الحياة تزدهر في شبه انعدام الوزن في الفضاء [167] [168] وتعيش في فراغ الفضاء الخارجي. [169] [170] يبدو أن أشكال الحياة تزدهر في خندق ماريانا ، أعمق بقعة في محيطات الأرض. [171] [172] أفاد باحثون آخرون بدراسات ذات صلة تفيد بأن أشكال الحياة تزدهر داخل الصخور حتى 580 مترًا (1900 قدم 0.36 ميل) تحت قاع البحر تحت 2590 مترًا (8.500 قدم 1.61 ميل) من المحيط قبالة سواحل شمال غرب الولايات المتحدة. ، [171] [173] وكذلك 2400 م (7900 قدم 1.5 ميل) تحت قاع البحر قبالة اليابان. [١٧٤] في أغسطس 2014 ، أكد العلماء وجود أشكال حياة تعيش على ارتفاع 800 متر (2600 قدم 0.50 ميل) تحت جليد القارة القطبية الجنوبية. [175] [176] وفقًا لأحد الباحثين ، "يمكنك العثور على الميكروبات في كل مكان - فهي قابلة للتكيف للغاية مع الظروف ، وتعيش أينما كانت." [171]

يُفترض أن المحيط الحيوي قد تطور ، بدءًا من عملية biopoesis (الحياة التي نشأت بشكل طبيعي من مادة غير حية ، مثل المركبات العضوية البسيطة) أو التكوُّن الحيوي (الحياة التي نشأت من مادة حية) ، منذ حوالي 3.5 مليار سنة على الأقل. [177] [178] يتضمن أقدم دليل على وجود الحياة على الأرض الجرافيت الحيوي الموجود في صخور ما وراء التكوين عمرها 3.7 مليار عام من غرب جرينلاند [122] وحفريات حصرية ميكروبية وجدت في 3.48 مليار سنة من الحجر الرملي من غرب أستراليا. [123] [124] وفي الآونة الأخيرة ، في عام 2015 ، تم العثور على "بقايا الحياة الحيوية" في صخور عمرها 4.1 مليار سنة في غرب أستراليا. [114] [115] في عام 2017 ، تم الإعلان عن اكتشاف كائنات دقيقة متحجرة مفترضة (أو أحافير دقيقة) في رواسب تنفيس حراري مائي في حزام نوفواجيتوك في كيبيك بكندا والتي كان عمرها 4.28 مليار سنة ، وهو أقدم سجل للحياة على الأرض ، مما يشير إلى "الظهور الفوري تقريبًا للحياة" بعد تكوين المحيطات قبل 4.4 مليار سنة ، ولم يمض وقت طويل على تكوين الأرض قبل 4.54 مليار سنة. [1] [2] [3] [4] وفقًا لعالم الأحياء ستيفن بلير هيدجز ، "إذا نشأت الحياة بسرعة نسبيًا على الأرض ، فقد تكون شائعة في الكون." [114]

بشكل عام ، المحيطات الحيوية هي أي أنظمة مغلقة ذاتية التنظيم تحتوي على أنظمة بيئية. يتضمن ذلك الغلاف الحيوي الاصطناعي مثل Biosphere 2 و BIOS-3 ، وربما الكواكب أو الأقمار الأخرى. [179]

مجموعة من التسامح

المكونات الخاملة للنظام البيئي هي العوامل الفيزيائية والكيميائية الضرورية للحياة - الطاقة (ضوء الشمس أو الطاقة الكيميائية) ، والمياه والحرارة والغلاف الجوي والجاذبية والمغذيات والحماية من الأشعة فوق البنفسجية. [١٨٠] في معظم النظم البيئية ، تختلف الظروف خلال النهار ومن موسم إلى آخر. للعيش في معظم النظم البيئية ، إذن ، يجب أن تكون الكائنات الحية قادرة على البقاء على قيد الحياة في مجموعة من الظروف ، تسمى "نطاق التحمل". [181] في الخارج توجد "مناطق الإجهاد الفسيولوجي" ، حيث يكون البقاء والتكاثر ممكنًا ولكن ليس على النحو الأمثل. ما وراء هذه المناطق توجد "مناطق التعصب" ، حيث يكون البقاء على قيد الحياة وتكاثر هذا الكائن الحي أمرًا مستبعدًا أو مستحيلًا. الكائنات الحية التي لديها نطاق واسع من التسامح موزعة على نطاق أوسع من الكائنات الحية ذات المدى الضيق من التسامح. [181]

المتطرفون

للبقاء على قيد الحياة ، يمكن للكائنات الحية الدقيقة المختارة أن تتخذ أشكالًا تمكنها من مقاومة التجمد ، والجفاف الكامل ، والجوع ، والمستويات العالية من التعرض للإشعاع ، وغيرها من التحديات الفيزيائية أو الكيميائية. قد تعيش هذه الكائنات الدقيقة على قيد الحياة من التعرض لمثل هذه الظروف لأسابيع أو شهور أو سنوات أو حتى قرون. [159] الكائنات المتطرفة هي أشكال الحياة الميكروبية التي تزدهر خارج النطاقات التي توجد فيها الحياة بشكل شائع. [182] يتفوقون في استغلال مصادر الطاقة غير المألوفة. بينما تتكون جميع الكائنات الحية من جزيئات متطابقة تقريبًا ، فإن التطور قد مكّن هذه الميكروبات من التعامل مع هذا النطاق الواسع من الظروف الفيزيائية والكيميائية. توصيف البنية والتنوع الأيضي للمجتمعات الميكروبية في مثل هذه البيئات القاسية مستمر. [183]

تزدهر أشكال الحياة الميكروبية حتى في خندق ماريانا ، أعمق بقعة في محيطات الأرض. [171] [172] تزدهر الميكروبات أيضًا داخل الصخور التي يصل ارتفاعها إلى 1900 قدم (580 م) تحت قاع البحر تحت 8.500 قدم (2600 م) من المحيط. [171] [173] وجدت بعثات البرنامج الدولي لاكتشاف المحيطات حياة أحادية الخلية في رواسب تبلغ 120 درجة مئوية على بعد 1.2 كم تحت قاع البحر في منطقة نانكاي تروغ. [184]

يعد التحقيق في ثبات وتنوع الحياة على الأرض ، [182] بالإضافة إلى فهم الأنظمة الجزيئية التي تستخدمها بعض الكائنات الحية للبقاء على قيد الحياة في مثل هذه الحالات المتطرفة ، أمرًا مهمًا للبحث عن الحياة خارج الأرض. [159] على سبيل المثال ، يمكن أن يعيش الحزاز لمدة شهر في بيئة محاكاة على كوكب المريخ. [185] [186]

العناصر الكيميائية

تتطلب جميع أشكال الحياة بعض العناصر الكيميائية الأساسية اللازمة للعمل الكيميائي الحيوي. وتشمل هذه الكربون ، والهيدروجين ، والنيتروجين ، والأكسجين ، والفوسفور ، والكبريت - المغذيات الأساسية لجميع الكائنات الحية [187] - التي غالبًا ما يتم تمثيلها بالاختصار CHNOPS. تشكل هذه معًا الأحماض النووية والبروتينات والدهون ، وهي الجزء الأكبر من المادة الحية. تشتمل خمسة من هذه العناصر الستة على المكونات الكيميائية للحمض النووي ، باستثناء الكبريت. هذا الأخير هو أحد مكونات الأحماض الأمينية السيستين والميثيونين. أكثر هذه العناصر وفرة من الناحية البيولوجية هو الكربون ، الذي له السمة المرغوبة لتشكيل روابط تساهمية متعددة ومستقرة. يسمح هذا للجزيئات القائمة على الكربون (العضوية) بتكوين مجموعة متنوعة هائلة من الترتيبات الكيميائية. [188] تم اقتراح أنواع افتراضية بديلة للكيمياء الحيوية التي تقضي على واحد أو أكثر من هذه العناصر ، أو تستبدل عنصرًا بعنصر غير موجود في القائمة ، أو تغير الخصائص الكيميائية المطلوبة أو الخصائص الكيميائية الأخرى. [189] [190]

حمض Deoxyribonucleic هو جزيء يحمل معظم التعليمات الجينية المستخدمة في نمو وتطور وعمل وتكاثر جميع الكائنات الحية المعروفة والعديد من الفيروسات. الحمض النووي والحمض النووي الريبي هما أحماض نووية إلى جانب البروتينات والكربوهيدرات المعقدة ، وهما أحد الأنواع الثلاثة الرئيسية للجزيئات الكبيرة الضرورية لجميع أشكال الحياة المعروفة. تتكون معظم جزيئات الحمض النووي من شريطين من البوليمر الحيوي ملفوفين حول بعضهما البعض لتشكيل حلزون مزدوج. تُعرف خيوطا الحمض النووي باسم عديد النيوكليوتيدات لأنها تتكون من وحدات أبسط تسمى النيوكليوتيدات. [191] يتكون كل نوكليوتيد من نوكليوبيز يحتوي على النيتروجين - إما السيتوزين (C) ، أو الجوانين (G) ، أو الأدينين (A) ، أو الثايمين (T) - بالإضافة إلى سكر يسمى deoxyribose ومجموعة الفوسفات. ترتبط النيوكليوتيدات ببعضها البعض في سلسلة بواسطة روابط تساهمية بين سكر نيوكليوتيد وفوسفات النوكليوتيد التالي ، مما ينتج عنه عمود فقري متناوب بين السكر والفوسفات. وفقًا لقواعد الاقتران الأساسي (A مع T و C مع G) ، تربط الروابط الهيدروجينية القواعد النيتروجينية لخيوط البولي نيوكليوتيد المنفصلة لتكوين DNA مزدوج الشريطة. يقدر المبلغ الإجمالي لأزواج قواعد الحمض النووي ذات الصلة على الأرض بـ 5.0 × 10 37 ، ويزن 50 مليار طن. [135] وبالمقارنة ، قُدرت الكتلة الإجمالية للغلاف الحيوي بما يصل إلى 4 تريليون طن من الكربون (تريليون طن من الكربون). [136]

يخزن الحمض النووي المعلومات البيولوجية. إن العمود الفقري للحمض النووي مقاوم للانقسام ، وكلا خيوط البنية مزدوجة الشريطة تخزن نفس المعلومات البيولوجية. يتم تكرار المعلومات البيولوجية حيث يتم فصل الخيوط. جزء كبير من الحمض النووي (أكثر من 98 ٪ للبشر) غير مشفر ، مما يعني أن هذه الأقسام لا تعمل كنماذج لتسلسل البروتين.

يعمل شريطا الحمض النووي في اتجاهين متعاكسين مع بعضهما البعض ، وبالتالي فإنهما غير متوازيين. يرتبط بكل سكر بأربعة أنواع من القواعد النووية (بشكل غير رسمي ، القواعد). إن تسلسل هذه القواعد النووية الأربعة على طول العمود الفقري هو الذي يشفر المعلومات البيولوجية. بموجب الكود الجيني ، تُترجم خيوط الحمض النووي الريبي لتحديد تسلسل الأحماض الأمينية داخل البروتينات. يتم إنشاء خيوط RNA هذه في البداية باستخدام خيوط DNA كقالب في عملية تسمى النسخ.

داخل الخلايا ، يتم تنظيم الحمض النووي في هياكل طويلة تسمى الكروموسومات. أثناء انقسام الخلية ، يتم تكرار هذه الكروموسومات في عملية تكرار الحمض النووي ، مما يوفر لكل خلية مجموعتها الكاملة من الكروموسومات. تخزن الكائنات حقيقية النواة (الحيوانات والنباتات والفطريات والطلائعيات) معظم حمضها النووي داخل نواة الخلية وبعض حمضها النووي في عضيات ، مثل الميتوكوندريا أو البلاستيدات الخضراء. [192] في المقابل ، فإن بدائيات النوى (البكتيريا والعتائق) تخزن الحمض النووي الخاص بها فقط في السيتوبلازم. داخل الكروموسومات ، تضغط بروتينات الكروماتين مثل الهستونات وتنظم الحمض النووي. توجه هذه الهياكل المدمجة التفاعلات بين الحمض النووي والبروتينات الأخرى ، مما يساعد على التحكم في أجزاء الحمض النووي التي يتم نسخها.

تم عزل الحمض النووي لأول مرة بواسطة فريدريش ميشر في عام 1869. [193] تم تحديد هيكله الجزيئي بواسطة جيمس واتسون وفرانسيس كريك في عام 1953 ، حيث استُرشد في جهودهما في بناء النموذج ببيانات حيود الأشعة السينية التي حصلت عليها روزاليند فرانكلين. [194]

العصور القديمة

تم إجراء أول محاولة معروفة لتصنيف الكائنات الحية بواسطة الفيلسوف اليوناني أرسطو (384-322 قبل الميلاد) ، الذي صنف جميع الكائنات الحية المعروفة في ذلك الوقت إما على أنها نبات أو حيوان ، بناءً على قدرتها على الحركة بشكل أساسي. كما ميز الحيوانات التي تحتوي على دم من حيوانات بدون دم (أو على الأقل بدون دم أحمر) ، والتي يمكن مقارنتها بمفاهيم الفقاريات واللافقاريات على التوالي ، وقسم الحيوانات المصابة بالدماء إلى خمس مجموعات: الحيوانات الرباعية الولود (الثدييات) ، البيوض الرباعية (الثدييات). الزواحف والبرمائيات) والطيور والأسماك والحيتان. تم تقسيم الحيوانات غير الدموية أيضًا إلى خمس مجموعات: رأسيات الأرجل ، والقشريات ، والحشرات (والتي تضمنت العناكب ، والعقارب ، والمئويات ، بالإضافة إلى ما نطلق عليه الحشرات اليوم) ، والحيوانات المقشرة (مثل معظم الرخويات وشوكيات الجلد) ، و " zoophytes "(حيوانات تشبه النباتات). على الرغم من أن عمل أرسطو في علم الحيوان لم يخلو من الأخطاء ، إلا أنه كان أعظم توليف بيولوجي في ذلك الوقت وظل السلطة النهائية لقرون عديدة بعد وفاته. [195]

لينيان

كشف التنقيب في الأمريكتين عن أعداد كبيرة من النباتات والحيوانات الجديدة التي تحتاج إلى أوصاف وتصنيف. في الجزء الأخير من القرن السادس عشر وبداية القرن السابع عشر ، بدأت الدراسة الدقيقة للحيوانات وتم توسيعها تدريجيًا حتى شكلت مجموعة كافية من المعرفة لتكون بمثابة أساس تشريحي للتصنيف.

في أواخر الأربعينيات من القرن الثامن عشر ، قدم كارل لينيوس نظامه للتسميات ذات الحدين لتصنيف الأنواع. حاول لينيوس تحسين التكوين وتقليل طول الأسماء متعددة الكلمات المستخدمة سابقًا عن طريق إلغاء الخطاب غير الضروري ، وإدخال مصطلحات وصفية جديدة وتحديد معناها بدقة. [196] يتكون تصنيف لينيوس من ثمانية مستويات: المجالات ، والممالك ، والشعبة ، والطبقة ، والترتيب ، والعائلة ، والجنس ، والأنواع.

تم التعامل مع الفطريات في الأصل كنباتات. لفترة قصيرة ، صنفهم لينيوس في تصنيف Vermes في Animalia ، لكنه أعادهم لاحقًا إلى Plantae. صنف كوبلاند الفطريات في كتابه Protoctista ، وبالتالي تجنب المشكلة جزئيًا مع الاعتراف بوضعها الخاص. [197] تم حل المشكلة في النهاية بواسطة ويتاكر ، عندما أعطاهم مملكتهم الخاصة في نظام الممالك الخمس. يظهر التاريخ التطوري أن الفطريات ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالحيوانات أكثر من ارتباطها بالنباتات. [198]

عندما أتاحت الاكتشافات الجديدة إجراء دراسة تفصيلية للخلايا والكائنات الحية الدقيقة ، تم الكشف عن مجموعات جديدة من الحياة ، وتم إنشاء مجالات بيولوجيا الخلية وعلم الأحياء الدقيقة. تم وصف هذه الكائنات الجديدة في الأصل بشكل منفصل في البروتوزوا كحيوانات و protophyta / thallophyta كنباتات ، ولكن تم توحيدها من قبل Haeckel في المملكة Protista لاحقًا ، تم تقسيم بدائيات النوى في مملكة Monera ، والتي سيتم تقسيمها في النهاية إلى مجموعتين منفصلتين ، البكتيريا والعتائق. أدى ذلك إلى نظام الممالك الست ، وفي النهاية إلى نظام المجالات الثلاثة الحالي ، والذي يعتمد على العلاقات التطورية. [199] ومع ذلك ، فإن تصنيف حقيقيات النوى ، وخاصة من الطلائعيات ، لا يزال مثيرًا للجدل. [200]

مع تطور علم الأحياء الدقيقة والبيولوجيا الجزيئية وعلم الفيروسات ، تم اكتشاف عوامل التكاثر غير الخلوية ، مثل الفيروسات وأشباه الفيروسات. ما إذا كانت هذه الفيروسات تعتبر حية أم لا ، فقد كانت مسألة نقاش تفتقر الفيروسات إلى خصائص الحياة مثل أغشية الخلايا والتمثيل الغذائي والقدرة على النمو أو الاستجابة لبيئاتها. لا يزال من الممكن تصنيف الفيروسات إلى "أنواع" بناءً على بيولوجيتها وعلم الوراثة الخاص بها ، لكن العديد من جوانب هذا التصنيف تظل مثيرة للجدل. [201]

في مايو 2016 ، أفاد العلماء أن 1 تريليون نوع يقدر وجودها على الأرض حاليًا مع وصف واحد في المائة فقط من واحد في المائة. [133]

تم تعديل نظام Linnaean الأصلي بمرور الوقت على النحو التالي:

لينيوس
1735 [202]
هيكل
1866 [203]
تشاتون
1925 [204]
كوبلاند
1938 [205]
ويتاكر
1969 [206]
Woese et al.
1990 [199]
كافاليير سميث
1998 [207]
كافاليير سميث
2015 [208]
2 ممالك 3 ممالك 2 إمبراطوريتين 4 ممالك 5 ممالك 3 مجالات 2 إمبراطوريتين و 6 ممالك إمبراطوريتان و 7 ممالك
(لم يعالج) الطلائعيات بروكاريوتا مونيرا مونيرا بكتيريا بكتيريا بكتيريا
العتيقة العتيقة
حقيقيات النوى بروتوكتيستا الطلائعيات يوكاريا الكائنات الاوليه الكائنات الاوليه
كروميستا كروميستا
فيجيتابيليا النبات النبات النبات النبات النبات
الفطريات الفطريات الفطريات
الحيوان الحيوان الحيوان الحيوان الحيوان الحيوان

كلادي

في الستينيات ظهرت cladistics: نظام يقوم بترتيب الأصناف على أساس clades في شجرة تطورية أو شجرة النشوء والتطور. [209]

الخلايا هي الوحدة الأساسية للتركيب في كل كائن حي ، وتنشأ جميع الخلايا من خلايا موجودة مسبقًا عن طريق الانقسام. صاغ هنري دوتروشيه ، وثيودور شوان ، ورودولف فيرشو وآخرين نظرية الخلية خلال أوائل القرن التاسع عشر ، ثم أصبحت مقبولة على نطاق واسع. [210] يعتمد نشاط الكائن الحي على النشاط الكلي لخلاياه ، حيث يحدث تدفق الطاقة داخلها وفيما بينها. تحتوي الخلايا على معلومات وراثية يتم ترحيلها كرمز جيني أثناء انقسام الخلية. [211]

هناك نوعان أساسيان من الخلايا. تفتقر بدائيات النوى إلى النواة والعضيات الأخرى المرتبطة بالغشاء ، على الرغم من أنها تحتوي على دنا دائري وريبوسومات. البكتيريا والأركيا مجالان من بدائيات النوى. النوع الأساسي الآخر من الخلايا هو حقيقيات النوى ، التي لها نوى مميزة مرتبطة بغشاء نووي وعضيات مرتبطة بالغشاء ، بما في ذلك الميتوكوندريا ، والبلاستيدات الخضراء ، والجسيمات الحالة ، والشبكة الإندوبلازمية الخشنة والملساء ، والفجوات. بالإضافة إلى ذلك ، لديهم كروموسومات منظمة تخزن المواد الوراثية. جميع أنواع الكائنات الحية المعقدة الكبيرة هي حقيقيات النوى ، بما في ذلك الحيوانات والنباتات والفطريات ، على الرغم من أن معظم أنواع حقيقيات النوى عبارة عن كائنات دقيقة أولية. [212] النموذج التقليدي هو أن حقيقيات النوى تطورت من بدائيات النوى ، مع تكوين العضيات الرئيسية لحقيقيات النوى من خلال التعايش الداخلي بين البكتيريا والسلف حقيقيات النوى. [213]

تعتمد الآليات الجزيئية لبيولوجيا الخلية على البروتينات. يتم تصنيع معظم هذه بواسطة الريبوسومات من خلال عملية محفزة بالإنزيم تسمى التخليق الحيوي للبروتين. يتم تجميع سلسلة من الأحماض الأمينية وضمها معًا بناءً على التعبير الجيني للحمض النووي للخلية. [214] في الخلايا حقيقية النواة ، يمكن بعد ذلك نقل هذه البروتينات ومعالجتها من خلال جهاز جولجي استعدادًا لإرسالها إلى وجهتها. [215]

تتكاثر الخلايا من خلال عملية انقسام الخلية حيث تنقسم الخلية الأم إلى خليتين أو أكثر من الخلايا الوليدة. بالنسبة إلى بدائيات النوى ، يحدث انقسام الخلية من خلال عملية انشطار يتم فيها تكرار الحمض النووي ، ثم يتم ربط النسختين بأجزاء من غشاء الخلية. في حقيقيات النوى ، يتم اتباع عملية أكثر تعقيدًا للانقسام. ومع ذلك ، فإن النتيجة النهائية هي نفسها النسخ الخلوية الناتجة متطابقة مع بعضها البعض والخلية الأصلية (باستثناء الطفرات) ، وكلاهما قادر على الانقسام الإضافي بعد فترة الطور البيني. [216]

قد تكون الكائنات متعددة الخلايا قد تطورت أولاً من خلال تكوين مستعمرات من الخلايا المتطابقة. يمكن أن تشكل هذه الخلايا كائنات مجموعة من خلال التصاق الخلية. يمكن للأفراد في المستعمرة البقاء على قيد الحياة بمفردهم ، في حين أن أعضاء الكائن الحي متعدد الخلايا الحقيقي قد طوروا تخصصات ، مما يجعلهم يعتمدون على باقي الكائن الحي من أجل البقاء. تتشكل هذه الكائنات بشكل نسبي أو من خلية جرثومية واحدة قادرة على تكوين مختلف الخلايا المتخصصة التي تشكل الكائن الحي البالغ. يسمح هذا التخصص للكائنات متعددة الخلايا باستغلال الموارد بشكل أكثر كفاءة من الخلايا المفردة. [217] في يناير 2016 ، أفاد العلماء أنه منذ حوالي 800 مليون سنة ، قد يكون تغيير جيني طفيف في جزيء واحد ، يسمى GK-PID ، قد سمح للكائنات الحية بالانتقال من كائن خلية واحدة إلى واحدة من العديد من الخلايا. [218]

طورت الخلايا طرقًا لإدراك بيئتها المكروية والاستجابة لها ، وبالتالي تعزيز قدرتها على التكيف. تعمل الإشارات الخلوية على تنسيق الأنشطة الخلوية ، وبالتالي فهي تحكم الوظائف الأساسية للكائنات متعددة الخلايا. يمكن أن يحدث التشوير بين الخلايا من خلال الاتصال الخلوي المباشر باستخدام إشارات الجوكستاكرين ، أو بشكل غير مباشر من خلال تبادل العوامل كما هو الحال في نظام الغدد الصماء. في الكائنات الحية الأكثر تعقيدًا ، يمكن أن يحدث تنسيق الأنشطة من خلال الجهاز العصبي المخصص. [219]

على الرغم من تأكيد الحياة على الأرض فقط ، يعتقد الكثيرون أن الحياة خارج كوكب الأرض ليست معقولة فحسب ، بل محتملة أو حتمية. [220] [221] يتم فحص الكواكب والأقمار الأخرى في النظام الشمسي وأنظمة الكواكب الأخرى بحثًا عن أدلة على دعم الحياة البسيطة ذات مرة ، وتحاول مشاريع مثل SETI اكتشاف الإرسال اللاسلكي من الحضارات الفضائية المحتملة. تشمل المواقع الأخرى داخل النظام الشمسي التي قد تستضيف الحياة الميكروبية تحت سطح المريخ ، والغلاف الجوي العلوي لكوكب الزهرة ، [222] والمحيطات الجوفية على بعض أقمار الكواكب العملاقة. [223] [224] خارج النظام الشمسي ، تُعرف المنطقة المحيطة بنجم تسلسل رئيسي آخر يمكن أن تدعم حياة شبيهة بالأرض على كوكب شبيه بالأرض باسم المنطقة الصالحة للسكن. يختلف نصف القطر الداخلي والخارجي لهذه المنطقة باختلاف لمعان النجم ، كما هو الحال مع الفاصل الزمني الذي تبقى فيه المنطقة. النجوم الأكثر ضخامة من الشمس لها منطقة صالحة للسكن أكبر ، لكنها تبقى على "التسلسل الرئيسي" الشبيه بالشمس لتطور النجوم لفترة زمنية أقصر. تواجه الأقزام الحمراء الصغيرة مشكلة معاكسة ، مع وجود منطقة صالحة للسكن أصغر تخضع لمستويات أعلى من النشاط المغناطيسي وتأثيرات انغلاق المد والجزر من المدارات القريبة. ومن ثم ، فإن النجوم في نطاق الكتلة المتوسطة مثل الشمس قد يكون لديها احتمالية أكبر لتطور حياة شبيهة بالأرض. [225] قد يؤثر موقع النجم داخل المجرة أيضًا على احتمالية تشكل الحياة. النجوم في المناطق التي بها وفرة أكبر من العناصر الأثقل التي يمكن أن تشكل كواكب ، إلى جانب معدل منخفض من أحداث المستعر الأعظم التي قد تضر بالموائل ، من المتوقع أن يكون لها احتمال أكبر لاستضافة كواكب ذات حياة معقدة. [226] تُستخدم متغيرات معادلة دريك لمناقشة الظروف في أنظمة الكواكب حيث من المرجح أن توجد الحضارة. [227] ومع ذلك ، فإن استخدام المعادلة للتنبؤ بكمية الحياة خارج كوكب الأرض أمر صعب لأن العديد من المتغيرات غير معروفة ، وتعمل المعادلة كمرآة أكثر لما يعتقده مستخدمها بالفعل. نتيجة لذلك ، يمكن تقدير عدد الحضارات في المجرة على أنه منخفض مثل 9.1 × 10 13 ، مما يشير إلى قيمة دنيا تبلغ 1 ، أو تصل إلى 15.6 مليون (0.156 × 10 9) للحسابات ، انظر معادلة دريك.

الحياة الاصطناعية هي محاكاة لأي جانب من جوانب الحياة ، كما هو الحال من خلال أجهزة الكمبيوتر أو الروبوتات أو الكيمياء الحيوية. [228] تحاكي دراسة الحياة الاصطناعية علم الأحياء التقليدي من خلال إعادة تكوين بعض جوانب الظواهر البيولوجية. يدرس العلماء منطق الأنظمة الحية من خلال إنشاء بيئات اصطناعية - سعياً لفهم معالجة المعلومات المعقدة التي تحدد مثل هذه الأنظمة. في حين أن الحياة ، بحكم تعريفها ، هي حياة حية ، يشار إلى الحياة الاصطناعية عمومًا على أنها بيانات محصورة في البيئة الرقمية والوجود.

تعد البيولوجيا التركيبية مجالًا جديدًا للتكنولوجيا الحيوية يجمع بين العلوم والهندسة البيولوجية. الهدف المشترك هو تصميم وبناء وظائف وأنظمة بيولوجية جديدة غير موجودة في الطبيعة. تشمل البيولوجيا التركيبية إعادة تعريف واسعة النطاق للتكنولوجيا الحيوية وتوسيعها ، مع تحقيق الأهداف النهائية المتمثلة في القدرة على تصميم وبناء أنظمة بيولوجية مُهندَسة تعالج المعلومات ، وتعالج المواد الكيميائية ، وتصنع المواد والهياكل ، وتنتج الطاقة ، وتوفر الغذاء ، وتحافظ على صحة الإنسان وتعززها. البيئة. [229]

الموت هو الإنهاء الدائم لجميع الوظائف الحيوية أو عمليات الحياة في كائن أو خلية. [230] [231] يمكن أن يحدث نتيجة حادث أو حالة طبية أو تفاعل بيولوجي أو سوء تغذية أو تسمم أو شيخوخة أو انتحار. بعد الموت ، تعود بقايا الكائن الحي إلى الدورة الكيميائية الجيولوجية الحيوية. يمكن أن تستهلك الكائنات الحية من قبل حيوان مفترس أو زبال ، ويمكن بعد ذلك أن تتحلل المواد العضوية المتبقية من خلال الكائنات الحية التي تعيد تدوير المخلفات ، وتعيدها إلى البيئة لإعادة استخدامها في السلسلة الغذائية.

أحد التحديات في تعريف الموت هو تمييزه عن الحياة. يبدو أن الموت يشير إلى اللحظة التي تنتهي فيها الحياة ، أو عندما تبدأ الحالة التي تلي الحياة. [231] ومع ذلك ، فإن تحديد وقت حدوث الوفاة أمر صعب ، لأن توقف وظائف الحياة غالبًا لا يكون متزامنًا عبر أنظمة الأعضاء. [232] لذلك يتطلب هذا التحديد رسم خطوط مفاهيمية بين الحياة والموت. ومع ذلك ، فإن هذا يمثل مشكلة ، لأن هناك القليل من الإجماع حول كيفية تعريف الحياة. لطالما كانت طبيعة الموت منذ آلاف السنين الشغل الشاغل للتقاليد الدينية في العالم وللتحقيق الفلسفي. تحافظ العديد من الأديان على الإيمان إما بنوع من الحياة الآخرة أو التناسخ للروح ، أو قيامة الجسد في وقت لاحق.

انقراض

الانقراض هو العملية التي من خلالها تموت مجموعة من الأصناف أو الأنواع ، مما يقلل من التنوع البيولوجي. [233] تعتبر لحظة الانقراض بشكل عام موت آخر فرد من هذا النوع. نظرًا لأن النطاق المحتمل للأنواع قد يكون كبيرًا جدًا ، فإن تحديد هذه اللحظة أمر صعب ، وعادة ما يتم ذلك بأثر رجعي بعد فترة من الغياب الواضح. تنقرض الأنواع عندما لا تعود قادرة على البقاء في الموائل المتغيرة أو ضد المنافسة المتفوقة. في تاريخ الأرض ، انقرض أكثر من 99٪ من جميع الأنواع التي عاشت على الإطلاق [234] [128] [129] [130] ومع ذلك ، ربما تكون الانقراضات الجماعية قد سرعت التطور من خلال توفير الفرص لمجموعات جديدة من الكائنات الحية للتنوع. [235]

الحفريات

الأحافير هي بقايا أو آثار محفوظة لحيوانات ونباتات وكائنات أخرى من الماضي البعيد. يُعرف مجموع الأحافير ، المكتشفة وغير المكتشفة ، ووضعها في التكوينات الصخرية والطبقات الرسوبية المحتوية على أحافير باسم سجل الحفريات. تسمى العينة المحفوظة الحفرية إذا كانت أقدم من التاريخ التعسفي قبل 10000 عام. [236] وبالتالي ، تتراوح الحفريات في العمر من الأصغر في بداية عصر الهولوسين إلى الأقدم من العصر الأركي ، حتى 3.4 مليار سنة. [237] [238]


الأسطورة الثالثة: القوة تكتسب استراتيجيًا ، لا تعطى

أحد الأسباب الرئيسية لفشل الميكافيليين هو أنهم وقعوا ضحية لأسطورة ثالثة عن السلطة. إنهم يعتقدون خطأً أن القوة تُكتسب استراتيجيًا بألعاب خادعة وبتأليب الآخرين ضد بعضهم البعض. هنا فشل مكيافيلي في تقدير حقيقة مهمة في تطور التسلسلات الهرمية البشرية: أنه مع زيادة الذكاء الاجتماعي ، يمكن للمرؤوسين تشكيل تحالفات قوية وتقييد تصرفات من هم في السلطة. أصبحت القوة بشكل متزايد تعتمد على تصرفات وأحكام أعضاء المجموعة الآخرين. قوة الشخص لا تقل قوة عن المكانة التي يمنحها الآخرون لذلك الشخص.

كتب عالم الاجتماع إرفينج جوفمان ببصيرة رائعة حول الاحترام - الطريقة التي نمنح بها القوة للآخرين مع الشرف والنثر الرسمي وغير المباشر والعرض المتواضع غير اللفظي للإحراج. يمكننا أن نعطي القوة للآخرين ببساطة من خلال أن نكون مهذبين باحترام.

لقد وجد بحثي الخاص أن الأشخاص يحددون غريزيًا الأفراد الذين قد يقوضون مصالح المجموعة ، ويمنعون هؤلاء الأشخاص من الصعود في السلطة ، من خلال ما نسميه "خطاب السمعة". في بحثنا على مجموعات مختلفة ، طلبنا من أعضاء المجموعة التحدث بصراحة عن سمعة الأعضاء الآخرين والانخراط في النميمة. لقد وجدنا أن الميكافيليين يكتسبون سمعة طيبة بسرعة كأفراد يتصرفون بطرق معادية لمصالح الآخرين ، وهذه السمعة تعمل كسقف زجاجي ، مما يمنعهم من صعود السلطة. في الواقع ، أثر هذا الجانب من سلوكهم على سمعتهم أكثر من أخلاقهم الجنسية أو عاداتهم الترفيهية أو رغبتهم في الالتزام بالتقاليد الاجتماعية الجماعية.

يلاحظ مكيافيلي في كتابه الأمير:

"أي رجل يحاول أن يكون صالحًا طوال الوقت لا بد أن يفسد بين الأعداد الكبيرة غير الصالحة. ومن ثم فإن الأمير الذي يريد الحفاظ على سلطته يجب أن يتعلم كيف لا يكون جيدًا ، وأن يستخدم تلك المعرفة ، أو يمتنع عن استخدامها ، كما تتطلب الضرورة ".

ويضيف: "يجب على الأمير ، قبل كل شيء ، أن يسعى دائمًا في كل عمل ليكسب لنفسه سمعة كونه رجلًا عظيمًا ورائعًا." على النقيض من ذلك ، فإن العديد من التقاليد الشرقية ، مثل الطاوية والكونفوشيوسية ، تمجد القائد المتواضع ، الشخص الذي يتعامل مع الأتباع ويمارس الذكاء الاجتماعي. على حد تعبير الفيلسوف الطاوي لاو-تزو ، "لقيادة الناس ، امشوا خلفهم". قارن هذه النصيحة بنصيحة مكيافيللي ، واحكم عليها مقابل سنوات من البحث العلمي. يشير العلم إلى لاو-تزو.


هل نشأت الحياة على الأرض بالفعل على سطح المريخ؟

مع ورود أنباء الأسبوع الماضي عن اكتشاف مسبار كيوريوسيتي على المريخ التابع لوكالة ناسا جزيئات عضوية "صلبة" في صخور رسوبية عمرها 3 مليارات عام على بعد خمسة سنتيمترات من السطح ، يعتقد عالم كوكبي بارز واحد على الأقل أن الجدل حول ما إذا كان المريخ قد زرع الأرض لأول مرة مع الحياة أو العكس سيكثف فقط.

تُظهر هذه الصورة الذاتية ذات الزاوية المنخفضة لمركبة Curiosity Mars التابعة لوكالة ناسا المركبة في الموقع الذي منه. [+] وصلت لأسفل للتنقيب في هدف صخري يسمى "جلد الغزال" على جبل شارب السفلي.

ظهرت النتائج في عدد الأسبوع الماضي من المجلة علم جنبًا إلى جنب مع ورقة ثانية أشارت إلى أن كيوريوسيتي قد اكتشفت أيضًا تغيرات موسمية في كميات ضئيلة من غاز الميثان الجوي في المريخ.

لكن يبقى السؤال البالغ 64 ألف دولار: إذا نشأت الحياة على المريخ ، فهل فعلت ذلك بشكل مستقل؟ أو هل قام أحد الكواكب بزرع الآخر من خلال التبادل النيزكي للمواد العضوية أو حتى الكائنات الحية؟ قال لي جوناثان لونين ، عالم الكواكب بجامعة كورنيل ، إن هذا هو اللغز النهائي.

لأنه كما جادل بعض علماء الأحياء الفلكية منذ فترة طويلة ، إذا وجدنا دليلًا على أن الحياة نشأت بشكل مستقل على المريخ - فقط الكوكب التالي خارجًا ، فمن المنطقي فقط أن نستنتج أن الحياة في الكون شائعة جدًا بالفعل.

قال لي لونين: "ضرب الفضول الذهب العضوي في غيل كريتر لأنه كان في يوم من الأيام بيئة بحيرة ، حيث كان من الممكن أن تتركز المواد العضوية في الرواسب".

أفادت وكالة ناسا أن بعض الجزيئات التي تم تحديدها تشمل الثيوفين والبنزين والتولوين وسلاسل الكربون الصغيرة ، مثل البروبان أو البيوتين.

أخبرني لونين أن الكبريت السائد في هذه المواد العضوية يعمل على استقرارها ، مما يعزز بشكل كبير من إمكانية بقائهم على قيد الحياة في التربة لمليارات السنين.

يقول لونين إنه بالنظر إلى الأدلة على البيئات الصالحة للسكن والتي ربما استمرت لمئات الملايين من السنين ، ربما تكون الحياة قد بدأت على المريخ. ويقول إن تبادل الميكروبات مع الأرض من خلال الاصطدامات الكبيرة ، في وقت مبكر من تاريخ المريخ ، ربما أدى إلى تلويث الكوكبين.

لكن هل نشأت الحياة على كوكبنا أولاً على كوكب المريخ؟

قال لونين "هذه هي المعضلة". "المريخ والأرض قريبان بما يكفي لتبادل الكثير من المواد على مدى عمر النظام الشمسي."

ولكن كما أشرت هنا سابقًا ، يعتقد بعض الباحثين أن كلاً من الأشعة فوق البنفسجية الصادرة عن الشمس الفتية والأشعة الكونية المجرية من المحتمل أن تدمر الحياة الميكروبية في الفراغ غير المحمي في الفضاء. وحتى لو نجت الحياة الميكروبية من الرحلة إلى الأرض ، فمن المشكوك فيه أنها كانت ستنجو من الرحلة عبر الغلاف الجوي للأرض ثم تكيفت مع موطنها الجديد.

ومع ذلك ، يرد لونين بأنه من السابق لأوانه تحديد ما إذا كانت الكائنات الحية قد تمت مشاركتها أم لا. وحتى لو وجدنا الحياة ، فإن هذه الحجج ستستمر ما لم نجد خلية حية. على الرغم من أنه يشير إلى أن هذا غير مرجح للغاية ، إلا أنه يقول إنه سيكون مطلوبًا للباحثين أن يكونوا قادرين على دراسة الكيمياء الحيوية للحياة المفترضة على المريخ.

هذا هو السبب في أنني مهتم بشدة بقمر إنسيلادوس التابع لكوكب زحل ، فهو بعيد بما يكفي لدرجة أن الانتقال بين الكواكب لأي حياة قديمة من هذا القبيل إلى النظام الشمسي الداخلي كان من الممكن أن يكون أقل احتمالًا ، كما يقول لونين.

على الرغم من أن وكالة ناسا تقول إنه على الرغم من أن كيوريوسيتي لم تحدد مصدر الجزيئات العضوية ، فإن البيانات التي جمعتها المركبة تكشف أن غيل كريتر احتفظ ذات مرة بجميع المكونات اللازمة للحياة.

ما الذي نفتقده في بحثنا الحالي عن الحياة القديمة و / أو الموجودة على المريخ؟

يقول لونين إن قياس النسبة النظيرية للكربون في الميثان الغازي - وهو قياس يتطلب حساسية كبيرة - من شأنه أن يساعد في تقييد ما إذا كان هذا الميثان ينتج عن تفاعل الماء مع ثاني أكسيد الكربون والصخور أو عن طريق علم الأحياء.

يقول لونين إن المركبة الجوالة المريخ 2020 التابعة لوكالة ناسا والتي يجب أن تهبط على سطح المريخ في عام 2021 ، لديها حمولة أداة يمكنها اكتشاف المركبات العضوية والبحث عن المؤشرات الكيميائية والتصويرية للحياة بمقاييس ملليمتر. ويشتمل برنامج ExoMars التابع لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) على قياسات مدارية مستمرة للمساعدة في رسم خريطة لغاز الميثان في المريخ ، كما يقول. ستبحث المركبة الجوالة ExoMars أيضًا عن الحياة في العينات التي سيتم استردادها من التدريبات التي يبلغ طولها ستة أقدام.

قال لونين: "سيكون هذا متابعة ممتازة لـ Curiosity".

الجزء الداخلي من Gale Crater من Vera Rubin Ridge ، كما تراه كاميرا Curiosity's mastcam.

أما كيف كان شكل شاطئ بحيرة غيل كريتر القديم؟

منذ حوالي 3.1 إلى 3.billion سنة ، يقول Lunine إن المنطقة كانت ستمتلئ بالمياه السائلة ، مع تيارات تغذي بحيرة كالديرا من المنطقة المحيطة. كان من الممكن أن يكون للمريخ سماء أكثر زرقة وجوًا أكثر سمكًا ، لكن مقدار ما لا يزال محل نقاش ، كما يقول. ولكن حتى في ذروة كوكب المريخ في علم الأحياء الفلكية ، أشار إلى أن Gale Crater لن تستحضر صورًا لـ "فضاء كاريبي".

على الرغم من ذلك ، فإن اكتشاف المواد العضوية المعقدة القريبة من السطح والتي نجت من أكثر من مليار سنة من النطاقات الزمنية "مذهل" ، كما أخبرني مارك ليمون ، عالم الغلاف الجوي في جامعة تكساس إيه آند أمبير في كوليج ستيشن وعضو في فريق كيوريوسيتي العلمي.

قال لي ليمون: "أتخيل أن معظم المواد العضوية لم تكن لتنجو ، لذا فإن المعنى الضمني هو أنه كان من الممكن أن يكون هناك المزيد".


الفراغ الكمي: أقل من صفر طاقة

الطاقة هي الكمية التي يجب أن تكون دائمًا موجبة - على الأقل هذا ما يخبرنا به حدسنا. إذا تمت إزالة كل جسيم من حجم معين حتى لا يتبقى شيء يمكن أن يحمل طاقة ، فهذا يعني أنه تم الوصول إلى الحد الأقصى. أم هل هو كذلك؟ هل مازال من الممكن استخلاص الطاقة حتى من الفراغ؟

أظهرت فيزياء الكم مرارًا وتكرارًا أنها تتعارض مع حدسنا - وهذا صحيح أيضًا في هذه الحالة. في ظل ظروف معينة ، يُسمح بالطاقات السلبية ، على الأقل في نطاق معين من المكان والزمان. قام فريق بحث دولي في TU Vienna و Universit & eacute libre de Bruxelles (بلجيكا) و IIT Kanpur (الهند) بالتحقيق في مدى إمكانية الطاقة السلبية. اتضح أنه بغض النظر عن النظريات الكمومية التي يتم أخذها في الاعتبار ، وبغض النظر عن التناظرات التي يُفترض أنها تحمل في الكون ، هناك دائمًا حدود معينة لـ "استعارة" الطاقة. محليا ، يمكن أن تكون الطاقة أقل من الصفر ، ولكن مثل الأموال المقترضة من البنك ، يجب "إعادة" هذه الطاقة في النهاية.

الجاذبية البغيضة

يقول البروفيسور دانيال جروميلر من معهد الفيزياء النظرية في جامعة فيينا (فيينا): "في نظرية النسبية العامة ، نفترض عادةً أن الطاقة أكبر من الصفر ، في جميع الأوقات وفي كل مكان في الكون". هذا له نتيجة مهمة جدًا للجاذبية: الطاقة مرتبطة بالكتلة عبر الصيغة E = mc & sup2. وبالتالي فإن الطاقة السالبة تعني أيضًا كتلة سالبة. تجذب الكتل الإيجابية بعضها البعض ، ولكن مع الكتلة السالبة ، يمكن أن تصبح الجاذبية فجأة قوة دافعة.

ومع ذلك ، فإن نظرية الكم تسمح بالطاقة السلبية. يقول دانيال غروميلر: "وفقًا لفيزياء الكم ، من الممكن اقتراض الطاقة من فراغ في مكان معين ، مثل المال من أحد البنوك". "لفترة طويلة ، لم نتحدث الآن عن الحد الأقصى لمبلغ هذا النوع من ائتمان الطاقة وحول معدلات الفائدة المحتملة التي يجب دفعها. الافتراضات المختلفة حول هذه" الفائدة "(المعروفة في الأدبيات باسم" الفائدة الكمية ") لديها تم نشره ، ولكن لم يتم الاتفاق على نتيجة شاملة.

يحدد ما يسمى ب "حالة الطاقة الكمية الفارغة" (QNEC) ، والتي تم إثباتها في عام 2017 ، حدودًا معينة لـ "استعارة" الطاقة من خلال ربط نظرية النسبية والفيزياء الكمومية: وبالتالي ، يُسمح باستخدام طاقة أصغر من الصفر ، ولكن فقط في نطاق معين ولفترة معينة فقط. يعتمد مقدار الطاقة التي يمكن استعارتها من الفراغ قبل استنفاد حد الائتمان النشط على كمية فيزيائية كمية ، ما يسمى إنتروبيا التشابك.

يقول دانيال جروميلر: "بمعنى ما ، فإن إنتروبيا التشابك هي مقياس لمدى قوة تحكم فيزياء الكم سلوك نظام ما". "إذا كان التشابك الكمي يلعب دورًا حاسمًا في نقطة ما في الفضاء ، على سبيل المثال بالقرب من حافة ثقب أسود ، فيمكن أن يحدث تدفق طاقة سلبي لفترة معينة ، وتصبح الطاقات السلبية ممكنة في تلك المنطقة."

أصبح Grumiller الآن قادرًا على تعميم هذه الحسابات الخاصة مع Max Riegler و Pulastya Parekh. أكمل ماكس ريجلر أطروحته في المجموعة البحثية لدانيال جروميلر في TU Wien ويعمل الآن كباحث ما بعد الدكتوراة في جامعة هارفارد. كان Pulastya Parekh من معهد IIT في كانبور (الهند) ضيفًا في معهد Erwin Schr & oumldinger وفي TU Wien.

يقول غروميلر: "أشارت جميع الاعتبارات السابقة دائمًا إلى نظريات الكم التي تتبع تناظرات النسبية الخاصة. لكننا تمكنا الآن من إظهار أن هذه العلاقة بين الطاقة السلبية والتشابك الكمومي هي ظاهرة أكثر عمومية". شروط الطاقة التي تحظر بوضوح استخراج كميات لا حصر لها من الطاقة من الفراغ صالحة لنظريات الكم المختلفة للغاية ، بغض النظر عن التماثلات.

قانون الحفاظ على الطاقة لا يمكن خداعها

بالطبع ، هذا لا علاقة له بـ "الآلات فوق الوحدة" التي يُزعم أنها تولد الطاقة من لا شيء ، كما يتم تقديمها مرارًا وتكرارًا في الدوائر الباطنية. "حقيقة أن الطبيعة تسمح بطاقة أقل من الصفر لفترة معينة من الوقت في مكان معين لا يعني أن قانون الحفاظ على الطاقة قد انتهك ،" يؤكد دانيال غروميلر. "من أجل تمكين تدفق الطاقة السلبية في موقع معين ، يجب أن يكون هناك تدفقات طاقة إيجابية تعويضية في المنطقة المجاورة مباشرة."

حتى لو كان الأمر أكثر تعقيدًا إلى حد ما مما كان يعتقد سابقًا ، فلا يمكن الحصول على الطاقة من لا شيء ، على الرغم من أنها يمكن أن تصبح سلبية. تضع نتائج البحث الجديدة الآن قيودًا مشددة على الطاقة السالبة ، وبالتالي ربطها بالخصائص الأساسية لميكانيكا الكم.


5 سوبر زيكا

الآن ، تعلم العالم بأسره الخوف من فيروس زيكا. العيوب الخلقية المزعجة التي يسببها المرض مخيفة بدرجة كافية ، لكن الفيروس والقدرة على التحور السريع هو سبب آخر للقلق. يتغير بشكل أسرع مما يمكننا اكتشافه بسبب قدرته على امتصاص الحمض النووي الغريب.

وفقًا لباحثي جامعة باكنغهام ، فإن هذا & rsquos أكثر خطورة مما ندرك. وهم يعتقدون أن التفسير الوحيد للفيروس و [رسقوو] التكيفات العشوائية و [مدش] مثل القدرة المفاجئة على الانتقال عن طريق الاتصال الجنسي و [مدش] امتصاص الحمض النووي الغريبة.

بدعوى أن الميكروبات الفضائية يتم إيصالها باستمرار إلى الأرض عن طريق الحطام الفضائي ، يعتقد الباحثون أن زيكا يستخدم الجينات خارج كوكب الأرض لتعزيز نفسه. ويقولون إنه ما لم يتم اتخاذ إجراء ، فإن الفيروس سوف يتحور ويخرج عن السيطرة ويهدد البشرية. لذا أه اعتبر نفسك حذرًا.


يقول الفيزيائيون إنهم تلاعبوا بـ "العدم الخالص" ولاحظوا التداعيات

وفقًا لميكانيكا الكم ، فإن الفراغ ليس فارغًا على الإطلاق. إنها في الواقع مليئة بالطاقة الكمومية والجسيمات التي تومض وتخرج من الوجود للحظة عابرة - إشارات غريبة تُعرف باسم التقلبات الكمومية.

لعقود من الزمان ، لم يكن هناك سوى دليل غير مباشر على هذه التقلبات ، ولكن في عام 2015 ، ادعى الباحثون أنهم اكتشفوا التقلبات النظرية بشكل مباشر. والآن يقول نفس الفريق إنهم قطعوا خطوة أبعد ، بعد أن تلاعبوا بالفراغ نفسه ، واكتشفوا التغييرات في هذه الإشارات الغريبة في الفراغ.

نحن ندخل منطقة الفيزياء عالية المستوى هنا ، ولكن ما هو مهم حقًا في هذه التجربة هو أنه إذا تم تأكيد هذه النتائج ، فربما يكون الباحثون قد فتحوا للتو طريقة لرصد عالم الكم وفحصه واختباره دون التدخل في هو - هي.

هذا مهم ، لأن واحدة من أكبر مشاكل ميكانيكا الكم - وفهمنا لها - هي أنه في كل مرة نقيس ونلاحظ نظامًا كميًا ، فإننا ندمره ، وهو أمر لا يبشر بالخير عندما نريد استخلاص ما يحدث بالفعل في عالم الكم.

هذا هو المكان الذي يأتي فيه الفراغ الكمومي.

بادئ ذي بدء ، دعونا نفكر في الفراغ بالطريقة الكلاسيكية - فضاء خالٍ تمامًا من المادة ، وبأقل طاقة ممكنة. لا توجد جسيمات هناك ، ولا شيء يتعارض مع الفيزياء البحتة.

لكن نتيجة ثانوية لأحد المبادئ الأساسية في ميكانيكا الكم ، مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ ، ينص على أن هناك حدًا لمقدار ما يمكننا معرفته عن الجسيمات الكمومية ، ونتيجة لذلك ، الفراغ ليس فارغًا ، إنه في الواقع مزدحم به. طاقتها الغريبة ، ومليئة بأزواج الجسيمات المضادة التي تظهر وتختفي بشكل عشوائي.

تشبه هذه الجسيمات "الافتراضية" أكثر من كونها مادة فيزيائية ، لذلك لا يمكنك عادةً اكتشافها. لكن على الرغم من أنها غير مرئية ، مثل معظم الأشياء في العالم الكمي ، إلا أنها تؤثر بمهارة على العالم الحقيقي.

تنتج هذه التقلبات الكمية مجالات كهربائية متذبذبة عشوائيًا يمكن أن تؤثر على الإلكترونات ، وهي الطريقة التي أظهر بها العلماء وجودها بشكل غير مباشر لأول مرة في الأربعينيات.

لعقود من الزمان ، كان هذا كل ما كان علينا أن نواصله.

بعد ذلك ، في عام 2015 ، ادعى فريق بقيادة ألفريد لايتنستورفر من جامعة كونستانز في ألمانيا أنهم اكتشفوا هذه التقلبات بشكل مباشر ، من خلال مراقبة تأثيرها على الموجة الضوئية. تم نشر النتائج في علم.

للقيام بذلك ، أطلقوا نبضة ليزر قصيرة للغاية - تدوم فقط بضع فمتوثانية ، أي جزء من المليون من المليار من الثانية - في فراغ ، وتمكنوا من رؤية تغييرات طفيفة في استقطاب الضوء. قالوا إن هذه التغييرات كانت ناجمة مباشرة عن التقلبات الكمية.

إنه ادعاء لا يزال قيد المناقشة ، لكن الباحثين نقلوا الآن تجربتهم إلى المستوى التالي عن طريق "الضغط" على الفراغ ، ويقولون إنهم تمكنوا من ملاحظة التغييرات الغريبة في التقلبات الكمية نتيجة لذلك.

هذا ليس مجرد دليل إضافي على وجود هذه التقلبات الكمومية - إنه يشير أيضًا إلى أنهم توصلوا إلى طريقة لمراقبة التجارب في العالم الكمي دون العبث بالنتائج ، وهو أمر من شأنه عادةً تدمير الحالة الكمومية. .

قال لايتنستورفر: "يمكننا تحليل الحالات الكمومية دون تغييرها في التقريب الأول".

عادة عندما تبحث عن تأثيرات التقلبات الكمومية على جسيم ضوئي واحد ، يجب عليك اكتشاف هذا الجسيم الخفيف ، أو تضخيمه ، من أجل رؤية التأثير. وهذا من شأنه إزالة "التوقيع الكمي" المتبقي على ذلك الفوتون ، وهو مشابه لما فعله الفريق في تجربة 2015.

هذه المرة ، بدلًا من النظر إلى التغيرات في التقلبات الكمية عن طريق امتصاص وتضخيم فوتونات الضوء ، درس الفريق الضوء على المجال الزمني.

يبدو هذا غريبًا ، ولكن في الفراغ ، يتصرف المكان والزمان بنفس الطريقة ، لذلك من الممكن فحص أحدهما لمعرفة المزيد عن الآخر.

عند القيام بذلك ، رأى الفريق أنه عندما `` ضغطوا '' الفراغ ، كان الأمر أشبه بعصر بالون ، وأعادوا توزيع التقلبات الكمومية الغريبة بداخله.

في بعض النقاط ، أصبحت التقلبات أعلى بكثير من الضوضاء الخلفية للفراغ غير المعصور ، وفي بعض الأجزاء ، كانت أكثر هدوءًا.

يقارن لايتنستورفر هذا بازدحام مروري - عندما يكون هناك عنق زجاجة تتراكم خلفه السيارات ، أمام تلك النقطة ، ستنخفض كثافة السيارات مرة أخرى.

يحدث الشيء نفسه في الفراغ ، إلى حد ما - عندما يتم ضغط الفراغ في مكان واحد ، يتغير توزيع التقلبات الكمومية ، ويمكن أن تتسارع أو تبطئ نتيجة لذلك.

يمكن قياس هذا التأثير على المجال الزمني ، والذي يمكنك رؤيته أدناه مرسومًا على الزمكان. النتوء في المنتصف هو "الضغط" في الفراغ:

كما ترون ، نتيجة للضغط ، هناك بعض الإشارات الضوئية في التقلبات.

لكن شيئًا غريبًا آخر يحدث أيضًا ، حيث يبدو أن التقلبات في بعض الأماكن تنخفض إلى ما دون مستوى ضوضاء الخلفية ، وهو أقل من الحالة الأرضية للفضاء الفارغ ، وهو ما يسميه العلماء "ظاهرة مذهلة".

"نظرًا لأن تقنية القياس الجديدة لا يتعين عليها امتصاص الفوتونات المراد قياسها أو تضخيمها ، فمن الممكن الكشف مباشرة عن ضوضاء الخلفية الكهرومغناطيسية للفراغ ، وبالتالي أيضًا الانحرافات المتحكم فيها عن هذه الحالة الأرضية ، التي أنشأها الباحثون ،" بيان صحفي.

يقوم الفريق الآن باختبار مدى دقة أسلوبهم ومقدار ما يمكنهم التعلم منه.

على الرغم من أن النتائج مثيرة للإعجاب حتى الآن ، إلا أنه لا يزال هناك احتمال أن يكون الفريق قد حقق فقط ما يسمى بالقياس الضعيف - وهو نوع من القياس لا يزعج الحالة الكمومية ، ولكنه في الواقع لا يخبر الباحثين كثيرًا عن نظام الكم.

إذا تمكنوا من تعلم المزيد باستخدام هذه التقنية ، فإنهم يريدون الاستمرار في استخدامها لاستكشاف "الحالة الكمومية للضوء" ، وهي السلوك غير المرئي للضوء على المستوى الكمي الذي بدأنا للتو في فهمه.

هناك حاجة إلى مزيد من التحقق لتكرار نتائج الفريق وإظهار أن تجربتهم تعمل حقًا. لكنها خطوة أولى رائعة جدًا.


العلماء يخلقون شكل حياة "غريب" بشفرة وراثية اصطناعية

لأول مرة ، ابتكر الباحثون كائنًا حيًا جديدًا يعتمد على الإشريكية القولونية التي تمر عبر الحمض النووي المصطنع.

/> من اليسار إلى اليمين ، تراكيب A- و B- و Z-DNA. زيفريس / ويكيبيديا

حقق العلماء تقدمًا كبيرًا في فهم كيفية تغيير الطبيعة الأساسية للحياة ، وقد فعلوا ذلك من خلال إنشاء شكل حياة اصطناعي جزئيًا لأول مرة يمر عبر الحمض النووي المصمم في المختبر.

جاء العمل ، الذي نُشر على الإنترنت في مجلة Nature يوم الأربعاء ، من معهد سكريبس للأبحاث في لا جولا ، كاليفورنيا ، وتمحور حول سلالة معدلة من بكتيريا الإشريكية القولونية التي اندمجت مع نيوكليوتيدات مخلقة كيميائيًا وتمكنت من تكرار طبيعتها الطبيعية. والمكونات الاصطناعية أثناء التكاثر.

طوال تاريخ الحياة على الأرض ، كانت الشفرة الوراثية لجميع الكائنات الحية موحدة ، بدءًا من أبسط أنواع البكتيريا وصولًا إلى البشر ، مما يعني أن الكود الجيني يتكون من نفس النيوكليوتيدات الأربعة المسمى A ، C ، T ، و G. تنضم هذه النيوكليوتيدات لتكوين أزواج قاعدية تُستخدم في تكوين الجينات التي تستخدمها الخلايا لإنتاج البروتينات.

ابتكر الباحثون في سكريبس نوعين من النيوكليوتيدات الجديدة ، X و Y ، ودمجهما في بكتيريا الإشريكية القولونية. كان الكائن الحي قادرًا على التكاثر بشكل طبيعي باستخدام ستة - بدلاً من الأربعة - نيوكليوتيدات ، مما يعني أنه انتقل وراثيًا على طول أول مزيج من الحمض النووي البشري والطبيعي.

قال فلويد روميسبيرج ، الذي ترأس فريق باحث سكريبس ، لصحيفة نيويورك تايمز: "هذا له آثار مهمة جدًا على فهمنا للحياة". "لقد اعتقد الناس لوقت طويل أن الحمض النووي كان على ما هو عليه لأنه كان يجب أن يكون ، وأنه بطريقة ما الجزيء المثالي."

قصص ذات الصلة

لا يمكن فقط استخدام هذه الكائنات التي تم إنشاؤها صناعياً لتوليد أدوية جديدة لأن الأزواج الأساسية هي مصدر البروتينات ، ولكن لها أيضًا تطبيقات في فهم الحياة نفسها ، من استدامة الأشكال الغريبة التي تختلف عن تركيبتنا الجينية إلى أسرار الأرض. بناء الكائن الحي.

نظرًا لأن هذا الاختراق يمكن أن يؤثر على أكثر من مجرد البحث البيولوجي ، فمن المرجح أن يواجه المجال - المسمى البيولوجيا التركيبية - انتقادات قاسية من أولئك الذين يخشون أن العبث ببناء الوجود يمكن أن يكون خطوة بعيدة جدًا بالنسبة للعلم. يُشار أحيانًا إلى المجموعة الفرعية للبيولوجيا التركيبية التي تركز على إبداعات غير مألوفة للطبيعة ذات الأبجدية الجينية الموسعة باسم علم الأحياء الغريبة.

قال جيم توماس من مجموعة ETC ، وهي منظمة كندية للدفاع عن حقوق الإنسان ، لصحيفة نيويورك تايمز: "قد يكون وصول شكل الحياة" الأجنبي "غير المسبوق هذا مع مرور الوقت آثار أخلاقية وقانونية وتنظيمية بعيدة المدى". "بينما يخترع علماء الأحياء الاصطناعية طرقًا جديدة للقرد مع أساسيات الحياة ، لم تتمكن الحكومات حتى من تجميع أساسيات الإشراف أو التقييم أو التنظيم لهذا المجال المتصاعد."

لإنشاء كائن حي معدل من شأنه التكاثر ، كان على فريق Romesberg أولاً إنشاء نيوكليوتيدات صناعية مستقرة بدرجة كافية. جاء إنشاء المتغيرات X و Y فقط بعد تجربة 300 نوع. يتزاوج النوكليوتيدات X مع Y ، تمامًا كما يفعل A مع T و C مع G في الحمض النووي الطبيعي. من غير الواضح ما إذا كان الكائن شبه الاصطناعي يمكنه الحفاظ على شفرة جينية أكثر اتساعًا ، مما يعني العديد من الأزواج التركيبية ، وما إذا كان هناك أي تقييد قائم على الوقت.

بقدر القلق بشأن سلالات البكتيريا التي لم يسبق لها مثيل والتي تهرب إلى البرية ، شدد روميسبيرج على أن هذا الكائن الذي تم إنشاؤه حديثًا لا يمكن أن يصيب أي شيء أبدًا. لمواصلة إنتاج النيوكليوتيدات الاصطناعية ، اضطر الباحثون إلى تغذية البكتيريا بالمواد الكيميائية اللازمة وإلا ستتوقف عن إنتاج الزوجين X و Y.

تأتي النتائج التي توصل إليها روميسبيرج وزملاؤه بعد عقود من العمل في مجال البيولوجيا التركيبية ، وقد تركت النتائج منذ فترة طويلة حدود البحث الأكاديمي. تحاول شركة Synthorx ، التابعة لـ Romesberg ، تصميم تقنية إدارة للفيروسات تعتمد على عدم قدرة أشكال الحياة الاصطناعية على إعادة إنتاج النيوكليوتيدات الاصطناعية بدون المواد الكيميائية المناسبة ، مما يعني أنه يمكن استخدامها لإنشاء استجابة الجهاز المناعي أثناء منعها من الانتشار. .

إلى جانب هذه التطبيقات الفورية ، تتمثل الخطوات التالية في معرفة ما إذا كان يمكن دمج النيوكليوتيدات المُصنَّعة في الحمض النووي الريبي للكائنات الحية واستخدامها لإنتاج بروتينات جديدة ، بالإضافة إلى اكتشاف ما إذا كان يمكن استخدام الخلايا المعدلة وراثيًا لمساعدة الكائنات الحية على إعادة إنتاج تلك التركيبات. النيوكليوتيدات من تلقاء نفسها.


شاهد الفيديو: رووووعه لاتهتم بالبشر الله يعلم مافي قلبك من اروع ماسمعت للدكتور محمد نوح (أغسطس 2022).