ที่มาของสิ่งมีชีวิตบนโลก – โลกถือกำเนิดขึ้นเมื่อราว 4,600 ล้านปีก่อน ในช่วงหลายล้านปีแรก พื้นผิวของดาวเคราะห์ดวงนี้มีอุณหภูมิที่ร้อนเหมือนนรก มิหนำซ้ำยังถูกดาวหางและดาวเคราะห์น้อยกระหน่ำชนอย่างหนักหน่วงอยู่บ่อยครั้ง จึงทำให้แทบจะไม่มีสิ่งมีชีวิตชนิดใดสามารถกำเนิดขึ้นได้ในสภาพภูมิประเทศเช่นนี้ ทว่า ราว ๆ 1,000 ล้านปีต่อมา โลกของเราไม่เพียงแค่มีสิ่งมีชีวิตดำรงอยู่เท่านั้น แต่พวกมันยังทิ้งหลักฐานการดำรงอยู่ไว้ในรูปฟอสซิลของพรมจุลชีพหรือแผ่นจุลินทรีย์ (microbial mat)
เกิดอะไรขึ้นกับโลกในช่วงเวลาหลายล้านปีนั้นกันแน่ แล้วสิ่งมีชีวิตสามารถกำเนิดขึ้นจากสสารที่ไร้ซึ่งชีวิตในช่วงเวลาราว 500 ล้านปีได้อย่างไร
“สภาพบรรยากาศของโลกในยุคที่สิ่งมีชีวิตถือกำเนิดขึ้นแตกต่างจากในปัจจุบันมาก ๆ ครับ” จิม คลีฟส์ (Jim Cleaves) หัวหน้าภาควิชาเคมีของมหาวิทยาลัยโฮวาร์ด ผู้ร่วมเขียนหนังสือเรื่อง A Brief History of Creation: Science and the Search for the Origin of Life กล่าว
คลีฟส์อธิบายต่อว่า ในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1950 แฮโรลด์ ยูรีย์ (Harold Urey) นักเคมีเจ้าของรางวัลโนเบลได้ตั้งข้อสังเกตว่า ชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ส่วนใหญ่ในระบบสุริยะมีไนโตรเจนและมีเทนเป็นองค์ประกอบ ยูรีย์อธิบายไว้ว่า การมีอยู่ของสิ่งมีชีวิตคือสิ่งที่ทำให้ชั้นบรรยากาศของโลกในยุคแรก ซึ่งมีองค์ประกอบเช่นเดียวกับดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ ในระบบสุริยะเกิดการเปลี่ยนแปลง จนมีองค์ประกอบของออกซิเจนสูงขึ้น นอกจากนี้ นักเคมีคนนี้ยังเสนอทฤษฎีว่า “ชั้นบรรยากาศในยุคแรกของโลกอาจสามารถสร้างสารประกอบอินทรีย์ซึ่งเป็นสารตั้งต้นของสิ่งมีชีวิตได้อย่างมีประสิทธิภาพ”
ยูรีย์มอบหมายให้ สแตนลีย์ มิลเลอร์ (Stanley Miller) นักศึกษาวิจัยของเขา พัฒนาการทดลองขึ้นเพื่อพิสูจน์ทฤษฎี ซึ่งต่อมากลายเป็นที่รู้จักในชื่อ การทดลองของมิลเลอร์-ยูรีย์ (Miller-Urey Experiment) ทั้งสองได้ทำการจำลองสภาวะบนโลกในยุคแรกขึ้นในระบบหลอดแก้วทดลองรูปร่างพิเศษ จากนั้นจึงทำการต้มน้ำในหลอดทดลองให้เดือดขึ้นไปรวมกับโมเลกุลของไฮโดรเจน มีเทน และแอมโมเนียที่อยู่ภายในหลอด หลังจากนั้น มิลเลอร์และยูรีย์จะทำการใส่กระแสไฟฟ้าเข้าไปเพื่อจำลองการเกิดฟ้าผ่าในชั้นบรรยากาศ และทิ้งให้หลอดทดลองเย็นตัวลงเพื่อให้ไอน้ำที่รวมกับโมเลกุลต่าง ๆ ควบแน่นและไหลย้อนกลับลงไปในน้ำเหมือนกับฝน
ผลการทดลองที่ได้นั้นน่าประหลาดใจมาก ภายในระยะเวลาเพียงหนึ่งสัปดาห์ “มหาสมุทรทดลอง” ในหลอดแก้วก็ได้เปลี่ยนเป็นสีน้ำตาลแดง เนื่องจากโมเลกุลต่าง ๆ รวมตัวกันเป็นกรดอะมิโนซึ่งเป็นส่วนประกอบตั้งต้นสำคัญของสิ่งมีชีวิต
อย่างไรก็ดี งานวิจัยต่อ ๆ มาชี้ว่า ชั้นบรรยากาศจำลองที่ใช้ในการทดลองของมิลเลอร์และยูรีย์มีองค์ประกอบแตกต่างจากชั้นบรรยากาศของโลกในยุคแรก กล่าวคือ ชั้นบรรยากาศที่มิลเลอร์จำลองขึ้นมีไนโตรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์เป็นส่วนประกอบหลักเช่นเดียวกับสภาวะบนโลกในยุคแรกก็จริง แต่นักวิทยาศาสตร์กลับพบว่า โลกในยุคนั้นมีปริมาณของไฮโดรเจนและมีเทนในชั้นบรรยากาศน้อยกว่าแบบจำลองที่ทั้งคู่สร้างขึ้น
อย่างไรก็ตาม หลักการและทฤษฎีที่มิลเลอร์ใช้ยังคงถูกพิจารณาว่าน่าเชื่อถือและถูกนำไปใช้ในวงกว้าง ทีมนักวิจัยที่พบว่าการทดลองของมิลเลอร์-ยูรีย์ยังมีจุดคลาดเคลื่อนได้นำการทดลองของทั้งสองไปปรับปรุง โดยใช้ส่วนประกอบตั้งต้นเหมือนเดิม แต่นอกจากการจำลองการเกิดฟ้าผ่าแล้ว นักวิทยาศาสตร์ในทีมยังทำการจำลองการชนของดาวเคราะห์น้อยและรังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ขึ้น
ผลลัพธ์ที่ได้จากการทดลองในครั้งนั้นคือ ไฮโดรเจนไซยาไนด์ ทีมนักวิจัยยังพบอีกว่า หากสารนี้ทำปฏิกิริยากับสารประกอบที่มีธาตุเหล็กซึ่งถูกน้ำพัดพาขึ้นมาจากเปลือกโลก จะเกิดเป็นสารเคมีชนิดต่าง ๆ เช่น น้ำตาล ขึ้น และสารเคมีเหล่านั้นอาจรวมกันจนกลายเป็นสายกรดไรโบนิวคลีอิกหรืออาร์เอ็นเอ (RNA) ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญของสิ่งมีชีวิตที่ทำหน้าที่เก็บข้อมูลทางพันธุกรรม บางที ณ จุดใดจุดหนึ่งในอดีต โมเลกุลของ RNA อาจจะเริ่มเพิ่มจำนวนตัวเองขึ้น และสิ่งมีชีวิตก็อาจจะเริ่มมีโอกาสที่จะเกิดขึ้นบนโลก
แล้วโมเลกุล RNA เหล่านี้พัฒนาจนกลายเป็นโครงสร้างเซลล์อันซับซ้อนที่มีเยื่อหุ้มเซลล์คอยห่อหุ้มปกป้องเอาไว้ได้อย่างไร
ส่วนประกอบที่สำคัญอาจจะเป็น โคเอเซอร์เวต (coacervate) หรืออนุภาคของเหลวขนาดเล็กซึ่งมีโปรตีนและกรดนิวคลีอิกเป็นองค์ประกอบ อนุภาคเหล่านี้สามารถรวมตัวเข้าด้วยกันได้เหมือนกับเซลล์ แต่ไม่จำเป็นต้องมีเยื่อหุ้มเซลล์ นักวิทยาศาสตร์หลายคนได้ตั้งสมมติฐานไว้ว่า อนุภาคของของเหลวดังกล่าวทำหน้าที่เป็นโปรโตเซลล์ (protocell) หรือเซลล์เริ่มแรกซึ่งเกิดจากการรวมตัวกันของโมเลกุล RNA และสารประกอบอินทรีย์อื่น ๆ
มีทฤษฎีหนึ่งสันนิษฐานไว้ว่า กรดอะมิโนและส่วนประกอบตั้งต้นอื่น ๆ ที่สำคัญของสิ่งมีชีวิต เช่น คาร์บอนและน้ำ อาจถูกส่งเข้ามายังโลกในช่วงยุคแรกเริ่ม เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์พบว่า ดาวหางและอุกกาบาตนั้นมีสารประกอบอินทรีย์บางชนิดที่คล้ายคลึงกับสารประกอบอินทรีย์บนโลก ดังนั้น การกระหน่ำชนโลกอย่างหนักหน่วงของทั้งดาวหางและดาวเคราะห์น้อยที่เกิดขึ้นก่อนหน้านี้ อาจเป็นปัจจัยที่ทำให้กรดอะมิโนบนโลกเพิ่มขึ้น
แจ็ค โซสตาก (Jack Szostak) นักเคมีเจ้าของรางวัลโนเบลจากมหาวิทยาลัยชิคาโก ซึ่งเป็นหัวหน้าโครงการวิจัยสหวิทยาการของทางมหาวิทยาลัยที่มีชื่อว่า The Origins of Life Initiative กล่าวว่า “ผลกระทบของดาวเคราะห์น้อยและดาวหางมีความสำคัญอย่างแน่นอนครับ”
โซสตากตั้งข้อสังเกตว่า ชั้นบรรยากาศของโลกในยุคแรกที่มีไนโตรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์เป็นส่วนประกอบหลัก อาจเอื้อให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีน้อยกว่าชั้นบรรยากาศจำลองของมิลเลอร์ที่มีไฮโดรเจน มีเทน และแอมโมเนียในปริมาณที่มากกว่า อย่างไรก็ตาม เขาอธิบายต่อว่า การที่โลกถูกวัตถุจากอวกาศที่มีขนาดไม่ใหญ่นักพุ่งเข้าชน จะทำให้ปริมาณของไฮโดรเจนและมีเทนในชั้นบรรยากาศเพิ่มสูงชั่วคราว จนทำให้เกิดสภาวะที่เอื้อต่อการสร้างสารประกอบชนิดต่าง ๆ ขึ้นในระยะหนึ่ง “มันเป็นสภาวะที่โลกมีแต่ได้กับได้ครับ” โซสตากกล่าวเสริม
อีกหนึ่งทฤษฎีที่นักวิทยาศาสตร์ตั้งข้อสันนิษฐานไว้คือ สิ่งมีชีวิตอาจมีจุดกำเนิดลึกลงไปถึงปล่องน้ำพุร้อนใต้ผืนทะเลลึกที่เรียกว่า ปล่องไฮโดรเทอร์มอร์ (hydrothermal vent) ทว่าโซสตากกลับไม่ยอมรับข้อสันนิษฐานนี้
“หากลองพิจารณาองค์ประกอบทางเคมีของการเปลี่ยนโมเลกุลพื้นฐานให้กลายเป็นโมเลกุลที่ซับซ้อนอย่างเช่น นิวคลีโอไทด์ และ RNA จะพบว่ามีหลายขั้นตอนในกระบวนการที่ต้องใช้รังสี UV จากดวงอาทิตย์เพื่อกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีขึ้นครับ พลังงานแสงอาทิตย์ถือเป็นแหล่งพลังงานที่ใหญ่ที่สุดบนโลก แม้กระทั่งในยุคแรกเริ่ม เพราะฉะนั้น ถ้ายังมีปฏิกิริยาทางเคมีหลายขั้นตอนที่ต้องใช้รังสี UV อยู่ ก็เป็นไปไม่ได้ว่า สิ่งมีชีวิตจะเกิดใต้ท้องทะเลลึกครับ” โซสตากอธิบาย
อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์บางกลุ่มยังคงเชื่อว่า สิ่งมีชีวิตบนโลกเกิดจากน้ำ
“เราจำเป็นจะต้องมีตัวทำละลายเพื่อทำให้ปฏิกิริยาทางเคมีเกิดขึ้น” คลีฟส์ชี้ พร้อมอธิบายต่อว่า “ของเหลวคือสิ่งที่จำเป็น ถ้าหากพูดถึงของเหลว ก็มีเพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่มีสถานะเสถียรบนพื้นผิวดาวเคราะห์ และแม้แต่ช่วงแรกของระบบสุริยะ น้ำก็เป็นของเหลวที่พบได้มากที่สุดครับ”
โซสตากแย้งว่า การที่สิ่งมีชีวิตจะเกิดขึ้นตามบริเวณบ่อน้ำตื้น ๆ หรือในบริเวณที่มีสภาพแวดล้อมคล้ายกับบ่อน้ำพุร้อนบนพื้นผิวโลกนั้นมีความเป็นไปได้สูงกว่าการที่สิ่งมีชีวิตจะเกิดขึ้นใต้ท้องทะเลลึก ทว่า แท้จริงแล้ว การปะทุของภูเขาไฟอย่างกว้างขวางเองก็อาจจะมีส่วนทำให้สิ่งมีชีวิตถือกำเนิดขึ้นบนโลก เพราะการปะทุของภูเขาไฟสามารถทำให้เกิดฟ้าผ่าในบริเวณใดบริเวณหนึ่งได้เป็นจำนวนมาก
แม้ว่าในวันนี้ ทุกชีวิตบนโลกจะมีบรรพบุรุษร่วมกันคือ จุลินทรีย์ลึกลับซึ่งอาจจะหายไปตามกาลเวลาเมื่อนานมาแล้ว แต่เมื่อย้อนกลับไปในอดีต สิ่งมีชีวิตอาจจะก่อกำเนิดขึ้นหลายครั้งในหลายรูปแบบ ณ หลายสถานที่ อย่างไรก็ตาม สิ่งมีชีวิตในยุคเริ่มแรกของโลกซึ่งเกิดขึ้นอย่างอิสระนั้น อาจจะถูกทำลายจากการพุ่งชนของดาวหางหรืออาจจะไม่สามารถวิวัฒนาการต่อไปได้ จนในที่สุดโมเลกุลของ RNA ซึ่งเป็นบรรพบุรุษของเราทุกคนได้ถือกำเนิดเกิดขึ้นบนโลก
“การกำเนิดของสิ่งมีชีวิตบนโลกเป็นอะไรที่คาดเดาไม่ค่อยได้จริง ๆ ครับ” คลีฟส์กล่าว
หากสิ่งมีชีวิตบนโลกเกิดขึ้นมาและถูกทำลายลงมากกว่าหนึ่งรอบก่อนที่มันจะเกิดขึ้นใหม่อีกครั้งและเริ่มพัฒนาตนเอง เราจะไม่มีวันรู้ได้เลยว่า ก่อนหน้านี้เกิดอะไรขึ้นกับสิ่งมีชีวิตเหล่านั้นบ้าง เพราะไม่สามารถสืบหาหลักฐานการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตที่นักวิทยาศาสตร์สมมุติขึ้นมาได้
โซสตากอธิบายว่า สิ่งมีชีวิตบนโลกอาจวิวัฒนาการไปในแนวทางที่แตกต่างจากเดิมโดยสิ้นเชิง หากเป็นเช่นนั้น เราอาจจะสูญเสียสิ่งมีชีวิตที่เราคุ้นเคยอย่างดอกไม้ ต้นไม้ ไดโนเสาร์ หรือมนุษย์ไปจากโลก กุญแจสำคัญที่จะทำให้เราเข้าใจกระบวนการอันซับซ้อนของการกำเนิดและวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตคือ การแทนที่คำถามแบบภาพรวมด้วยคำถามย่อย ๆ ที่ไม่ซับซ้อนมากนัก
“สิ่งมีชีวิตเป็นระบบที่ซับซ้อนขนาดที่ว่า แม้แต่แบคทีเรียธรรมดา ๆ หรือไวรัสก็ยังมีส่วนที่เคลื่อนไหวไปมาหลายพันส่วน ดังนั้น มันจึงเป็นเรื่องยากที่จะทำความเข้าใจว่า จู่ ๆ อะไรแบบนี้เกิดขึ้นมาบนโลกได้อย่างไร และคำตอบคือ ทุกอย่างไม่ได้เกิดขึ้นแบบปุบปับ เพราะกระบวนการการเกิดของสิ่งมีชีวิตจะพัฒนาความซับซ้อนไปทีละขั้นทีละตอนตอนครับ” เขากล่าว
แปล พรรณทิพา พรหมเกตุ