التاريخ التطوري للحياة
يتتبع التاريخ التطوري للحياة على الأرض العمليات التي تطورت من خلالها كلًا من الكائنات الحية والكائنات الحية الأحفورية منذ ظهور الحياة على كوكب الأرض حتى الوقت الحاضر. تكونت الأرض منذ حوالي 4.5 مليار سنة ويشير الدليل إلى أن الحياة ظهرت قبل 3.7 مليار سنة. تشير أوجه التشابه بين جميع أنواع الكائنات الحية المعروفة في الوقت الحاضر أنها اختلفت بشكل كبير من خلال عملية التطور من سلف مشترك. تشير التقييمات إلى أن أكثر من 99% من جميع الأنواع -تصل إلى أكثر من خمسة مليارات نوع- التي عاشت على كوكب الأرض قد انقرضت؛ كما توضح أيضًا إلى أن عدد الأنواع الأرضية الحالية تتراوح من 10 إلى 14 مليونًا، منها حوالي 1.9 تم تعيين أسمائها، و1.6 مليون تم توثيقها في قاعدة البيانات المركزية حتى الآن.
يبلغ عمر أقدم قطعة من نيزك موجودة على الأرض حوالي 4.54 مليار سنة، وهذا قد وضع العمر التقديري للأرض في ذلك الوقت. يمتلك القمر نفس تكوين قشرة الأرض ولكنه لا يحتوي على لُب غني بالحديد مثل لُب الأرض. يعتقد العديد من العلماء أنه بعد حوالي 40 مليون سنة من تكوين الأرض قد اصطدم بجسم بحجم المريخ ليلقى بجسم صخري في المدار ليتكون القمر. هناك فرضية أخرى وهي أن الأرض والقمر أخذا في الإندماج في نفس الوقت ولكن الأرض -التي تتمتع بجاذبية أقوي بكثير من جاذبية القمر- جذبت كل جسيمات الحديد في المنطقة تقريبًا.
تشير الأدلة أن القمر قد عانى في الفترة من 4 إلى 3.8 مليار سنة من قصف ثقيل بسب الحطام الذي خلفه تكوين النظام الشمسي، وكان ينبغي أن تكون الأرض قد تعرضت لقصف أكثر قوة بسبب جاذبيتها الأقوى.
الكائنات الحية التي تم التعرف عليها في وقت مبكر كانت دقيقة وتبدو الأحافير الخاصة بها وكأنها قضبان صغيرة يصعب جدًا التمييز بينها وبين البِنية التي تنشأ من خلال العمليات الفيزيائية اللاأحيائية. أقدم دليل متنازع عليه للحياة على الأرض يُفسر على أنه بكتيريا متحجرة تعود إلى 3 مليار سنة، وهناك اكتشافات أخرى في الصخور تعود إلى حوالي 3.5 مليار سنة قد تم تفسيرها على أنها بكتيريا.
الأدلة الجيوكيميائية يبدو أنها تشير أيضًا لوجود الحياة منذ 3.8 مليار سنة، ومع ذلك تم العثور على العمليات غير البيولوجية التي يمكن أن تنتج كل توقعات الحياة التي تم الإبلاغ عنها.
يعتقد علماء الأحياء أن جميع الكائنات الحية على الأرض يجب أن تتشارك في سلف شامل أخير واحد لأنه من المستحيل علميًا أن اثنين أو أكثر من الأنساب المختلفة يمكن أن يكونا قد طوروا بشكل مستقل العديد من الآليات البيوكيميائية المعقدة لجميع الكائنات الحية.
ترتكز الحياة على الأرض إلى الكربون والمياه.
الماء هو مذيب ممتاز وله خصائص أخرى مفيدة فحقيقة أن القطع الجليدية تطفو تمكن الكائنات الحية من البقاء تحتها في الشتاء، كما تحتوي جزيئاتها على شحنات كهربية موجبة وسالبة تمكنها من تشكيل نطاق أوسع من المركبات أكثر مما يمكن للمذيبات الأخرى تشكيله. المذيبات الجيدة الأخرى مثل الأمونيا تكون سائلة فقط في درجات الحرارة المنخفضة جدًا لدرجة أن التفاعلات الكيميائية قد تكون بطيئة للغاية للحفاظ على الحياة وتفتقر إلى المزايا الأخرى التي تتمتع بها المياه، ومع ذلك يمكن أن تكون الكائنات الحية المستندة إلى كيمياء حيوية افتراضية ممكنة على كواكب أخرى.
تركز الأبحاث القائمة حول كيفية ظهور الحياة من المواد الكيميائية غير الحية على ثلاث نقاط محتملة:حتى أبسط الأعضاء في نظام النطاقات الثلاث يستخدمون الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين(دنا) لتسجيل الذاكرة الوراثية، ومجموعة معقدة من جزيئات الدنا والبروتين لقراءة هذه التعليمات واستخدامها للنمو والإصلاح والتكرار الذاتي؛ كما أدى اكتشاف كون أن بعض جزيئات الحمض النووي الريبوزي(آر أن إيه) يمكن أن تحفز كلًا من النسخ المتماثل الخاص بهم وبناء البروتينات إلى افتراض أشكال الحياة السابقة المستندة كليًا على الحمض النووي الريبوزي. كان من الممكن أن تكون إنزيمات الحمض النووي الريبوزي(الرايبوزيمات) هذه قد كونت فرضية عالم الـحمض النووي الريبوزي والتي تنص بأنه كان هناك أفراد ولكن ليس هناك أنواع، حيث أن الطفرات والتحويلات الجينية كانت تعني أنه من المرجح أن يكون للنسل في كل جيل جينات مختلفة عن تلك الموجودة في آبائهم. في وقت لاحق تم استبدال الحمض النووي الريبوزي بالحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين لأنه أكثر استقرارًا، وبالتالي يمكن بناء مجموعات وراثية أطول وتوسيع نطاق القدرات التي يمكن للكائن الحي الواحد أن يمتلكها.
بالرغم من أن جزيئات الحمض النووي آر أن إيه القصيرة والمتماثلة ذاتيًا قد تم إنتاجها صناعيًا في المختبر، فقد أُثيرت الشكوك حول المكان الذي يمكن أن يحدث فيه تخليق طبيعي وغير بيولوجي للـ آر أن إيه.
أظهرت سلسلة من التجارب التي بدأت في عام 1997 أن المراحل المبكرة في تكوين البروتينات من المواد غير العضوية بما في ذلك أول أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين يمكن تحقيقها باستخدادم كبريتيد الحديد وكبريتيد النيكل كمحفزات.
تتطلب معظم درجات الحرارة المطلوبة للخطوات 100 درجة مئوية وضغوط معتدلة، على الرغم من أن مرحلة واحدة تتطلب 250 درجة مئوية وضغط يعادل ذلك الموجود تحت 7 كيلومترات من الصخور؛ ومن هنا اقترح أن تكوين التكيف الذاتي للبروتينات يمكن أن يحدث بالقرب من الفتحات الحرارية المائية.
الحمض النووي الريبوزي معقد وهناك شكوك حول ما إذا كان يمكن إنتاجه في البرية بطريقة غير بيولوجية. بعض الصلصال -لاسيما المونتموريلونيت- لها خصائص تجعلها مُعجلات معقولة لظهور آر أن إيه؛ فهي تنمو عن طريق التكرار الذاتي لنمطها البلوري حيث تخضع لنظرية الانتقاء الطبيعي، فأنواع الصلصال التي تنمو أسرع في بيئة معينة تصبح سائدة بسرعة ويمكنها تحفيز تكوين جزيئات آر أن إيه. بالرغم من أن هذه الفكرة لم تلقى الإجماع العلمي، إلا أنها مازالت تتمتع بدعم نشط.
لا توضح فرضية "التبذر الشامل" كيف نشأت الحياة في المقام الأول، ولكنها ببساطة تدرس إمكانية ظهورها من مكان آخر غير الأرض. تعود فكرة أن الحياة على الأرض جاءت من أماكن أخرى في الكون على الأقل إلى الفيلسوف اليوناني أناكسيماندر في القرن السادس قبل الميلاد. تم اقتراحها في القرن العشرين من قِبل الكيميائي الفيزيائي سفانت أرهنيوس، ومن قِبل علماء الفلك فريد هويل وشاندرا ويكراماسينغ، وعالم الأحياء الجزيئي فرانسيس كاريك، والكيميائي ليسلي أورغل.
قد تكون الحياة جاءت من مكان آخر في نظامنا الشمسي عن طريق شظايا تبعثرت في الفضاء بواسطة نيزك كبير، وفي هذه الحالة فإن المصادر المعقولة هي المريخ والزهرة؛ أو من مكان خارج المجموعة الشمسية ولكن بالوسائل الطبيعية.
أثبتت التجارب في مدار الأرض المنخفض أن بعض جراثيم البوغ يمكن أن تنجو من صدمة قذفها في الفضاء، ويمكن أن تنجو من التعرض لإشعاع الفضاء الخارجي لمدة 5.7 سنة على الأقل. ينقسم العلماء حول احتمالية الحياة الناشئة بشكل مستقل على المريخ، أو على الكواكب الأخرى في مجرتنا.
الحصائر الميكروبية هي مستعمرات متعددة الطبقات ومتعددة الأنواع من البكتيريا والكائنات الحية الأخرى التي لا يزيد سمكها عن بضعة مليمترات إلا أنها لا تزال تحتوي على نطاق واسع من البيئات الكيميائية، كل منها يؤيد مجموعة مختلفة من الكائنات الدقيقة. إلى حد ما، تشكل كل حصيرة سلسلتها الغذائية الخاصة حيث أن المنتجات الثانوية لكل مجموعة من الكائنات الحية الدقيقة تعمل بشكل عام كغذاء للمجموعات المتجاورة.
الستروماتوليت هي دعائم شُيدت على أساس أن الكائنات الحية الدقيقة في الحصائر تهاجر ببطء إلى الأعلى لتتجنب خنقها بالرواسب المترسبة عليها بالماء. كان هناك جدل قوي حول صحة الحفريات المزعومة من قبل 3 مليار سنة، وكان النقاد يناقشون ان مايسمى بالستروماتوليت يمكن أن تكون تشكلت من خلال العمليات غير البيولوجية. وفي عام 2006، تم الإبلاغ عن اكتشاف آخر للستروماتوليت في نفس المكان في استراليا، في صخور مؤرخة إلى 3.5 مليار سنة.
في الحصائر الحديثة تحت الماء، تتكون الطبقة العليا غالباً من البكتيريا الزرقاء الضوئية التي تخلق بيئة غنية بالأكسجين، في حين أن الطبقة السفلية خالية من الأكسجين وغالباً ما يهيمن عليها كبريتيد الهيدروجين المنبعث من الكائنات الحية التي تعيش هناك. تشير التقديرات إلى أن ظهور التمثيل الضوئي بالأكسجين من قبل البكتيريا في الحصائر أدى إلى زيادة الإنتاجية البيولوجية بعامل يتراوح بين 100 و 1000، وأن العامل المختزل المستخدم في عملية التركيب الضوئي الأكسجينى هو الماء، وهو أكثر وفرة بكثير من عوامل الاختزال المنتجة جيولوجياً التي تتطلبها عملية التمثيل الضوئي غير الأكسجينية السابقة؛ من هذه النقطة فصاعدًا، أنتجت الحياة نفسها الكثير من الموارد التي تحتاجها أكثر من العمليات الجيوكيميائية. يعتبر الأكسجين سام للكائنات التي لا تتكيف معه، ولكنه يزيد بشكل كبير من كفاءة التمثيل الغذائي للكائنات المتكيفة معه.
أصبح الأكسجين مكونًا مهمًا في الغلاف الجوي للأرض منذ حوالي 2.4 مليار سنة؛ وعلى الرغم من أن حقيقيات النواة قد تكون موجودة في وقت مبكر، إلا أن الأكسجين في الغلاف الجوي كان شرطًا أساسيًا لتطور أكثر الخلايا حقيقية النواة تعقيدًا، والتي من خلالها تم بناء جميع الكائنات متعددة الخلايا. كانت الحدود بين الطبقات الغنية بالأكسجين والخالية من الأكسجين في الحصائر الميكروبية قد ارتفعت عند إغلاق التمثيل الضوئي في الليل، ثم تهبط عند استئنافها في اليوم التالي. كان من شأن هذا أن يخلق ضغط تطوري للكائنات الحية في هذه المنطقة الوسيطة لاكتساب القدرة على تحمل الأكسجين ثم استخدامه، ربما عن طريق التعايش الداخلي حيث يعيش كائن حي داخل آخر ويستفيد كلاهما من ارتباطهما.
قد تكون حقيقيات النواة موجودة منذ فترة طويلة قبل تواجد الأكسجين في الغلاف الجي، ولكن معظم حقيقيات النواة الحديثة تتطلب أكسجين لتستخدمه الميتوكوندريا لتعزيز إنتاج الأدينوزين ثلاثي الفوسفات، وإمداد جميع الخلايا المعروفة بالطاقة الداخلية.
هناك جدل حول متى ظهرت حقيقيات النواة لأول مرة، وقد يشير وجود مادة الستيرانيز في الطفل الصفحي الأسترالي إلى أن حقيقيات النواة موجودة منذ 2.7 مليار سنة. ومع ذلك، خلصت إحدى التحليلات عام 2008 إلى أن هذه المواد الكيمائية وُجدت في الصخور التي يقل عمرها عن 2.2 مليار سنة ولا تثبت شيئًا عن أصول حقيقة النواة. تم الإبلاغ عن طحالب في صخور يبلغ عمرها 1.85 مليار سنة، كما تم العثور على مجموعة متنوعة من الطحالب الأحفورية في الصخور مؤرخة بين 1.5 و 1.4 مليار سنة. أقدم أحافير معروفة للفطريات تعود إلى 1.43 مليار سنة.
يُعتقد أن البلاستيدات قد نشأت من البكتريا الزرقاء المتعادلة.
الخصائص المميزة للتكاثر الجنسي في حقيقيات النواة هي الانقسام المنصف والتخصيب. هناك الكثير من إعادة التركيب الجيني في هذا النوع من التكاثر، حيث يتلقى النسل 50% من جيناته من كل والد؛ على عكس التكاثر اللاجنسي الذي لا يشمل إعادة تركيب. تتبادل البكتريا الحمض النووي عن طريق الاقتران البكتيري، وتشمل فوائده مقاومة المضادات الحيوية والسموم الأخرى، والقدرة على استخدام طرق أيض جديدة. ومع ذلك، فإن الاقتران ليس وسيلة للتكاثر ولا يقتصر على أعضاء من نفس النوع، حيث هناك حالات تنقل فيها البكتريا الحمض النووي للنباتات والحيوانات.
من ناحية أخرى، يكون التحول البكتيري هو تكيف لنقل الحمض النووي بين البكتريا من نفس النوع، ويعتبر عملية معقدة تشمل منتجات العديد من الجينات البكتيرية. تحدث هذه العملية بشكل طبيعي فيما لا يقل عن 67 نوعًا من الكائنات بدائية النواة، وقد يكون التكاثر الجنسي في حقيقيات النواة قد تطور من التحول البكتيري.
تقترح فرضية الملكة الحمراء أن التكاثر الجنسي يوفر الحماية ضد الطفيليات، لأنه من الأسهل للطفيليات أن تطور وسائل التغلب على دفاعات الاستنساخ المطابقة جينيًا من تلك الأنواع الجنسية التي تقدم أهدافًا متحركة، وهناك بعض الأدلة التجريبية حول هذا. ومع ذلك، لا يزال هناك شك حول ما إذا كانت ستشرح بقاء الأنواع الجنسية في حالة وجود أنواع استنساخ مماثلة، حيث أن إحدى الحيوانات المستنسخة قد تنجو من هجمات الطفيليات لفترة تكفي للتخلص من الأنواع الجنسية.
تطور تعدد الخلايا بشكل مستقل في الكائنات المختلفة مثل الإسفنجيات، والفطريات، والنباتات، والطحالب البنية، والبكتريا الزرقاء، والعفن الغروي، والجرثومة المخاطية.
قد تشمل المزايا الأولية لتعدد الخلايا على مشاركة أكثر فاعلية للمواد المغذية التي يتم هضمها خارج الخلية،ومقاومة متزايدة لمحاولات الافتراس، والقدرة على مقاومة التيارات من خلال التعلق بسطح ثابت، والقدرة على الوصول إلى أعلى من أجل الحصول على ضوء الشمس لعملية التمثيل الضوئي، والقدرة على خلق بيئة داخلية تعطي الحماية ضد البيئة الخارجية، وإعطاء الفرصة لمجموعة من الخلايا لتتصرف بذكاء من خلال تبادل المعلومات. من شأن هذه الميزات أن توفر أيضًا فرصًا للكائنات الحية الأخرى من أجل التنويع، وذلك من خلال خلق بيئات أكثر تنوعًا من الحصائر الميكروبية المسطحة.
تعدد الخلايا مع تمايزها مفيد للكائن الحي ككل ولكنه غير ملائم من وجهة نظر الخلايا الفردية، والتي يفقد معظمها الفرصة لإعادة إنتاج نفسها. في الكائن متعدد الخلايا اللاجنسي، يمكن للخلايا التي تحتفظ بالقدرة على التكاثر أن تختزل الكائن الحي إلى كتلة من الخلايا غير المتباينة، ولكن التكاثر الجنسي يزيل هذه الخلايا من الجيل القادم، وبالتالي يبدو أنه شرط أساسي لتعدد الخلايا.
إن الأحافير النباتية في فرنسا -والتي تعود إلى 2.1 مليار سنة- هي أقدم الكائنات الأحفورية ومتعددة الخلايا المعروفة، وقد يكون لديها خلايا متمايزة. هناك أحافير آخرى متعددة الخلايا -كوينجشانيا- مؤرخة إلى 1.7 مليار سنة، ويبدو أنها تتكون من خلايا متطابقة. وتعتبر الطحالب الحمراء المسماه بانجيومورفا -المؤرخة إلى 1.2 مليار سنة- هي أول كائن حي معروف لديه خلايا متمايزة ومتخصصة.
الحيوانات عبارة عن حقيقيات نواة متعددة الخلايا، وتتميز عن النباتات والطحالب والفطريات بوجود جدار خلوي، وتعتبر جميع الحيوانات متحركة في مراحل معينة من الحياة.
جميع الحيوانات باستسناء الإسفنجيات لها أجسام متباينة لأنسجة منفصلة، بما في ذلك العضلات التي تحرك أجزاء من الحيوان عن طريق انقباضها، بالإضافة إلى الأنسجة العصبية التي تنقل وتعالج الإشارات.