برخی زیست شناسان معتقدند که نخستین گونه های حیات زمین 4میلیارد سال پیش در منافذ گرمایی بستر اقیانوس ها شکل گرفت. منشا پروتئین‌های پمپاژ کننده یون می‌تواند فرآیند شکل گیری حیات و تکامل آن را توضیح دهد.
مجید جویا: «سنگ، آب و مایع آلکالاین داغ سرشار از گاز هیدروژن که از منافذ اعماق آب بیرون می‌زند». این نسخه‌ای است که گروه کوچکی از دانشمندان برای چگونگی شکل‌گیری نخستین سلول‌ها روی زمین پیشنهاد داده‌اند. اکنون دو نفر از آنها جزئیاتی از فرضیه خود را در مورد نحوه تکامل احتمالی اولین سلول‌ها در این منافذ و فرارشان از زادگاه اولیه‌شان منتشر کرده‌اند.
به گزارش نیچر، نیک لین از یونیورسیتی کالج لندن و بیل مارتین از دانشگاه دوسلدورف آلمان، فکر می‌کنند که پاسخ سوال چگونگی آغاز حیات میکروبی در منشا پمپ‌های یونی سلولی نهفته است، یعنی پروتئین‌هایی که جریان یون‌ها را در غشای سلول مدیریت می‌کنند. غشا دیواره‌ای است که سلول را از دنیای خارج جدا می‌کند.
زندگی در سنگ
در تمام سلول‌های امروزی، آنزیمی به نام سنتاز ATP از انرژی حاصل از جریان یون‌ها در غشا برای تولید مولکول ذخیره‌کننده انرژی آ.ت.پ استفاده می‌کند. این فرایند حیاتی به فعال بودن پروتئین‌های پمپاژ کننده یون وابسته است که این جریان را تولید می‌کنند. ولی این تفسیر، مشکل مرغ یا تخم‌مرغ را پدید می‌آورد: سلول‌ها انرژی را با استفاده از پروتئین‌هایی که یون‌ها را به حرکت در می‌آورند ذخیره می‌کنند، ولی این پروتئین‌ها خود برای آغاز حرکت یون‌ها نیاز به انرژی اولیه دارند.
لین و مارتین چنین استدلال می‌کنند که آب آلکالاین اشباع شده از هیدروژن که در منافذ زیر آبی با آب اقیانوس مخطوط می‌شود، می‌تواند جریان طبیعی پروتون موجود در «دیواره» های باریک معدنی را در سنگ‌های غنی از کاتالیزورهای معدنی یون گوگرد تولید کنند. این مجموعه می‌تواند شرایط مناسبی را برای تبدیل دی‌اکسیدکربن و هیدروژن به مولکول‌های آلی حاوی کربن فراهم کند. این مولکول‌ها سپس می‌توانند با یکدیگر واکنش نشان داده و قطعات پایه‌ای حیات مانند نوکلئوتیدها و آمینواسیدها را شکل دهند.
سنگ‌های منافذ گرمایی در اعماق دریاها حاوی هزارتوهایی از این روزنه‌های ریز هستند که شرح دیواره‌هایشان را در پاراگراف بالا خواندیم. این روزنه‌ها می‌توانند به صورت «پیش‌سلول» عمل کنند، یعنی هم شارش پروتون (یون یک بار مثبت هیدروژن) را سبب شوند و هم مولکول‌های آلی ساده تشکیل شده را تغلیظ کنند، و به این ترتیب آنها را در نهایت برای تولید پروتئین‌های پیچیده و نوکلئوتید اسید آر. ان. ای آماده کنند. به ادعای لین و مارتین، این پیش‌سلول‌ها اولین گونه‌های حیات بودند.
فرض بر این است که پیش‌سلول‌های سنگی در ابتدا با غشاهای آلی سوراخ‌دار پوشانده شده باشند. اگر قرا بود سلول‌ها از منافذ فرار کنند و به جانداران آزاد در اقیانوس تبدیل شوند، این غشاها باید بسته می‌شدند. ولی بسته شدن غشا جریان طبیعی پروتون را قطع می‌کرد، چون به رغم این‌که یک سنتاز آ. ت. پ اجازه ورود پروتون به سلول را می‌دهد، چیزی برای پمپاژ کردن آنها به بیرون وجود نخواهد داشت، و غلظت پروتون‌ها در دو سوی غشا به سرعت به تعادل خواهد رسید. به گفته لین، بدون یک جریان یونی «آنها نیروی خود را از دست خواهند داد.»
پروتئین‌هایی که پروتون‌ها را به بیرون سلول پمپاژ می‌کنند می‌توانند این مسئله را حل کنند، ولی تا زمانی که غشا بسته نشود، هیچ فشاری برای رشد چنین پروتئین‌هایی وجود نخواهد داشت. لین می‌گوید: «آنها مجبور می‌شدند که در زمان کوتاهی یک سیستم پمپاژ پروتون را ایجاد کنند، که غیر ممکن است.»
میکروب‌های جدید
لین و مارتین فکر می‌کنند که پیش‌سلول‌ها به این دلیل توانستند از این بن‌بست خارج شوند که یک سیستم جابجایی معکوس سدیم پروتون را ایجاد کردند؛ پروتئین ساده‌ای که از جریان ورودی پروتون‌ها برای پمپاژ کردن یون‌های سدیم به بیرون سلول استفاده می‌کند. با رشد بیشتر غشای پیش‌سلول‌ها، آنها برای یون‌های بزرگ سدیم در مقابل پروتون‌های کوچک‌تر نفوذناپذیر شدند. این امر برای سلول‌هایی که پروتئین پمپاژ سدیم داشتند مفید بود، چون هنوز می‌توانستند برای تولید انرژی بر روی جریان طبیعی منفذ حساب کنند. سیستم‌های جابجایی معکوس، جریانی از سدیم را هم ایجاد می‌کردند، و هنگامی که غشای آنها کاملا تکمیل شد، سلول‌ها می‌توانستند انرژی خود را از جریان سدیم به دست بیاورند و بدون مشکلی از منفذ خارج شوند.
لین و مارتین برای فرضیه خود از باکتری‌هایی الهام گرفتند که امروزه در این شرایط بسیار سخت زندگی می‌کنند. لین می‌گوید: «به نظر می‌رسد که زیست شیمی آنها کاملا از شرایط این منافذ منتج شده باشد». آنها برای ایجاد جریان یون، به سیستم‌های جابجایی معکوس سدیم پروتون متکی هستند، و پروتئین‌های غشای آنها، همانند سنتاز آ.ت.پ، قابل مقایسه با جریان یون‌های سدیم یا پروتون‌هاست.
ولفگانگ نیچکه، زیست‌شیمیدان در مرکز ملی پژوهش‌های علمی فرانسه در مارسی، ایده استفاده از میکروب‌های امروزی برای خلق سناریوی دقیق منشا حیات میکروبی را تحسین می‌کند: «پژوهش در چارچوب سناریوی منافذ آلکالاین تجربی است، و در تضاد کامل با تقریبا هر فرضیه دیگری در مورد منشا حیات میکروبی قرار دارد. این مقاله برجسته است.»
