#آنتروپی
آب سرد چگونه به تکامل حیات چند سلولی پیچیده کمک کرد
#قسمت_دوم
پارادوکس منجمد
زمانی که سیمپسون در اواخر دهه ۱۹۹۰ در مقطع کارشناسی تحصیل می‌کرد، ایده زمین گوی برفی سر زبان‌ها افتاده بود. در سال ۱۹۹۲، جوزف کیرشوینک ژئوشیمیدان به این موضوع اشاره کرد که شواهد زمین‌شناسی نشان می‌دهد در گذشته‌های دور زمین، رویداد یخبندان جهانی رخ داده است. وی همچنین الگویی ارائه کرد که نشان می‌داد چگونه یخ‌ها دوباره ذوب شدند. در سال ۱۹۹۸، پل هافمن، زمین‌شناس از دانشگاه هاروارد و همکارانش با مطالعه ذخایر رسوبی در نامیبیا تایید کردند که سنگ‌ها حضور یخچال‌ها را در گرم‌ترین مناطق جهان در حدود ۷۰۰ میلیون سال پیش نشان می‌دهند. از همان زمان، برای سیمپسون زمان‌بندی عصر زمین گوی برفی چالش‌برانگیز بود. او می‌گوید: «پارادوکسی کامل برایم بود. با توجه به تکامل چشمگیری که در آن زمان رخ می‌داد، باورکردنی نبود که زمین در آن دوران یخ‌زده باشد. پیش از عصر زمین گوی برفی، فسیل‌ها کوچک هستند اما پس از آن بزرگ و پیچیده می‌شوند.» تعیین دقیق زمان پیدایش حیوانات دشوار است، اما تخمین‌های حاصل از ساعت‌های مولکولی (که از نرخ جهش برای تخمین گذر زمان استفاده می‌کنند) نشان می‌دهد آخرین جد مشترک حیوانات چندسلولی در دورانی معروف به زمین گوی برفی استورتین، یعنی بین ۷۱۷ میلیون تا ۶۶۰ میلیون سال پیش ظاهر شده است. جانوران چندسلولی بزرگ و واضح، ده‌ها میلیون سال پس از اینکه زمین پس از یک دوره گوی برفی کوتاه‌تر، گرم شد و یخ‌ها آب شدند، در حدود ۶۳۵ میلیون سال پیش، در سوابق فسیلی ظاهر می‌شوند. با کاهش دما چگالی و ویسکوزیته مولکول‌های آب افزایش می‌یابد و حرکت برای موجودات ریز دشوار می‌شود. این پارادوکس، یعنی سیاره‌ای که ظاهرا شرایط نامساعدی برای حیات دارد، اما موجب جهش تکاملی چشمگیری می‌شود، همچنان در طول تحصیل و زندگی حرفه‌ای سیمپسون او را سردرگم کرده بود. او در سال ۲۰۱۸ به عنوان استادیار به بینشی تازه دراینباره دست پیدا کرد: با سردتر شدن آب دریا، ویسکوزیته آن افزایش می‌یابد. در شرایط زمین گوی برفی، ویسکوزیته آب اقیانوس‌ها دو یا حتی چهار برابر قبل از انجماد سیاره زمین بود. سیمپسون دراینباره کنجکاو بود که ارگانیسم‌های میکروسکوپی موجود در اقیانوس‌ها در طول زمین گوی برفی چه رفتارهایی داشتند. شاید درنهایت مشخص می‌شد اصلا پارادوکسی در کار نیست. برای موجودات تک‌سلولی بسیار کوچک، آب چسبناک‌تر مشکلات بزرگی ایجاد می‌کند. باکتری‌ها ازطریق فرایند انتشار، یعنی حرکت مواد مغذی درون آب از ناحیه‌ی با غلظت بالا به نواحی با غلظت پایین تغذیه می‌کنند و معمولا منتظر می‌مانند غذا به آن‌ها برسد. با‌این‌حال، در دماهای پایین، انتشار کند می‌شود و سرعت و میزان جابه‌جایی مواد مغذی کاهش پیدا می‌کند. برای سلول‌ها، زندگی در مایع سرد و دارای ویسکوزیته بالاتر به معنای غذای کمتر است. حتی موجودات بسیار کوچکی مانند سلول‌های تاژک‌دار که می‌توانند خود را در آب به پیش برانند، در آب سرد کندتر حرکت می‌کنند. درنتیجه، کمتر با غذا برخورد می‌کنند. از طرف دیگر، ارگانیسم بزرگ‌تر بدون مشکل زیاد می‌تواند در آب دارای ویسکوزیته بالا حرکت کند. دسته‌ای از سلول‌ها از مزیت اینرسی برخوردار خواهند بود؛ یعنی جرم ترکیبی‌شان به اندازه‌ای بزرگ است که به آن‌ها امکان دهد در مایع غلیظ‌تر حرکت کنند. سیمپسون می‌گوید: «در یک نقطه دیگر آن قدر بزرگ هستید که غلظت مایع اهمیتی نخواهد داشت.» سیمپسون در سال ۲۰۲۱ فرضیه خود را دراینباره منتشر کرد که ویسکوزیته آب دوره زمین گوی برفی فشار قابل‌توجهی بر توانایی تغذیه موجودات زنده در آن زمان وارد کرد و موجب شد برخی از آن‌ها به حیات چندسلولی تکامل پیدا کنند. وی سپس با همکارانش در موسسه سنتا فه، مدل‌های ریاضی از موجودات کوچکی طراحی کرد که در مایعات غلیظ و غلیظ‌تر زندگی می‌کردند؛ ازجمله سلول‌های تکی که ازطریق انتشار تغذیه می‌کردند و سلول‌های خودپیش‌برنده‌ای که با حرکت در محیط اطراف غذا می‌یافتند.در مدل‌هایی که شرح آن‌ها در پایان سال ۲۰۲۳ در پایگاه‌داده بایو‌آرکایو بارگذاری و به‌تازگی در مجله‌ی مجموعه مقالات انجمن سلطنتی منتشر شد، موجودات ریزی که با تکیه بر فرایند انتشار تغذیه می‌کردند با کاهش اندازه به مایعات غلیظ‌تر واکنش نشان دادند. سلول‌های خود پیش‌برنده که این توانایی برایشان تعریف شده بود که در صورت نیاز به هم بچسبند، گروه‌های چندسلولی بزرگ و بزرگ‌تری را تشکیل دادند. این امر نشان می‌داد اگر در زمانی که زمین گوی برفی رخ داد، ارگانیسم‌های چندسلولی یا حداقل موجوداتی با توانایی ایجاد حالت چندسلولی وجود داشتند، مایع غلیظ‌تر می‌توانسته موجب شود آن‌ها بزرگ‌تر شوند.
🌐منبع زومیت
_لینک مقاله
@entropy_ph
آب سرد چگونه به تکامل حیات چند سلولی پیچیده کمک کرد
#قسمت_دوم
پارادوکس منجمد
زمانی که سیمپسون در اواخر دهه ۱۹۹۰ در مقطع کارشناسی تحصیل می‌کرد، ایده زمین گوی برفی سر زبان‌ها افتاده بود. در سال ۱۹۹۲، جوزف کیرشوینک ژئوشیمیدان به این موضوع اشاره کرد که شواهد زمین‌شناسی نشان می‌دهد در گذشته‌های دور زمین، رویداد یخبندان جهانی رخ داده است. وی همچنین الگویی ارائه کرد که نشان می‌داد چگونه یخ‌ها دوباره ذوب شدند. در سال ۱۹۹۸، پل هافمن، زمین‌شناس از دانشگاه هاروارد و همکارانش با مطالعه ذخایر رسوبی در نامیبیا تایید کردند که سنگ‌ها حضور یخچال‌ها را در گرم‌ترین مناطق جهان در حدود ۷۰۰ میلیون سال پیش نشان می‌دهند. از همان زمان، برای سیمپسون زمان‌بندی عصر زمین گوی برفی چالش‌برانگیز بود. او می‌گوید: «پارادوکسی کامل برایم بود. با توجه به تکامل چشمگیری که در آن زمان رخ می‌داد، باورکردنی نبود که زمین در آن دوران یخ‌زده باشد. پیش از عصر زمین گوی برفی، فسیل‌ها کوچک هستند اما پس از آن بزرگ و پیچیده می‌شوند.» تعیین دقیق زمان پیدایش حیوانات دشوار است، اما تخمین‌های حاصل از ساعت‌های مولکولی (که از نرخ جهش برای تخمین گذر زمان استفاده می‌کنند) نشان می‌دهد آخرین جد مشترک حیوانات چندسلولی در دورانی معروف به زمین گوی برفی استورتین، یعنی بین ۷۱۷ میلیون تا ۶۶۰ میلیون سال پیش ظاهر شده است. جانوران چندسلولی بزرگ و واضح، ده‌ها میلیون سال پس از اینکه زمین پس از یک دوره گوی برفی کوتاه‌تر، گرم شد و یخ‌ها آب شدند، در حدود ۶۳۵ میلیون سال پیش، در سوابق فسیلی ظاهر می‌شوند. با کاهش دما چگالی و ویسکوزیته مولکول‌های آب افزایش می‌یابد و حرکت برای موجودات ریز دشوار می‌شود. این پارادوکس، یعنی سیاره‌ای که ظاهرا شرایط نامساعدی برای حیات دارد، اما موجب جهش تکاملی چشمگیری می‌شود، همچنان در طول تحصیل و زندگی حرفه‌ای سیمپسون او را سردرگم کرده بود. او در سال ۲۰۱۸ به عنوان استادیار به بینشی تازه دراینباره دست پیدا کرد: با سردتر شدن آب دریا، ویسکوزیته آن افزایش می‌یابد. در شرایط زمین گوی برفی، ویسکوزیته آب اقیانوس‌ها دو یا حتی چهار برابر قبل از انجماد سیاره زمین بود. سیمپسون دراینباره کنجکاو بود که ارگانیسم‌های میکروسکوپی موجود در اقیانوس‌ها در طول زمین گوی برفی چه رفتارهایی داشتند. شاید درنهایت مشخص می‌شد اصلا پارادوکسی در کار نیست. برای موجودات تک‌سلولی بسیار کوچک، آب چسبناک‌تر مشکلات بزرگی ایجاد می‌کند. باکتری‌ها ازطریق فرایند انتشار، یعنی حرکت مواد مغذی درون آب از ناحیه‌ی با غلظت بالا به نواحی با غلظت پایین تغذیه می‌کنند و معمولا منتظر می‌مانند غذا به آن‌ها برسد. با‌این‌حال، در دماهای پایین، انتشار کند می‌شود و سرعت و میزان جابه‌جایی مواد مغذی کاهش پیدا می‌کند. برای سلول‌ها، زندگی در مایع سرد و دارای ویسکوزیته بالاتر به معنای غذای کمتر است. حتی موجودات بسیار کوچکی مانند سلول‌های تاژک‌دار که می‌توانند خود را در آب به پیش برانند، در آب سرد کندتر حرکت می‌کنند. درنتیجه، کمتر با غذا برخورد می‌کنند. از طرف دیگر، ارگانیسم بزرگ‌تر بدون مشکل زیاد می‌تواند در آب دارای ویسکوزیته بالا حرکت کند. دسته‌ای از سلول‌ها از مزیت اینرسی برخوردار خواهند بود؛ یعنی جرم ترکیبی‌شان به اندازه‌ای بزرگ است که به آن‌ها امکان دهد در مایع غلیظ‌تر حرکت کنند. سیمپسون می‌گوید: «در یک نقطه دیگر آن قدر بزرگ هستید که غلظت مایع اهمیتی نخواهد داشت.» سیمپسون در سال ۲۰۲۱ فرضیه خود را دراینباره منتشر کرد که ویسکوزیته آب دوره زمین گوی برفی فشار قابل‌توجهی بر توانایی تغذیه موجودات زنده در آن زمان وارد کرد و موجب شد برخی از آن‌ها به حیات چندسلولی تکامل پیدا کنند. وی سپس با همکارانش در موسسه سنتا فه، مدل‌های ریاضی از موجودات کوچکی طراحی کرد که در مایعات غلیظ و غلیظ‌تر زندگی می‌کردند؛ ازجمله سلول‌های تکی که ازطریق انتشار تغذیه می‌کردند و سلول‌های خودپیش‌برنده‌ای که با حرکت در محیط اطراف غذا می‌یافتند.در مدل‌هایی که شرح آن‌ها در پایان سال ۲۰۲۳ در پایگاه‌داده بایو‌آرکایو بارگذاری و به‌تازگی در مجله‌ی مجموعه مقالات انجمن سلطنتی منتشر شد، موجودات ریزی که با تکیه بر فرایند انتشار تغذیه می‌کردند با کاهش اندازه به مایعات غلیظ‌تر واکنش نشان دادند. سلول‌های خود پیش‌برنده که این توانایی برایشان تعریف شده بود که در صورت نیاز به هم بچسبند، گروه‌های چندسلولی بزرگ و بزرگ‌تری را تشکیل دادند. این امر نشان می‌داد اگر در زمانی که زمین گوی برفی رخ داد، ارگانیسم‌های چندسلولی یا حداقل موجوداتی با توانایی ایجاد حالت چندسلولی وجود داشتند، مایع غلیظ‌تر می‌توانسته موجب شود آن‌ها بزرگ‌تر شوند.
🌐منبع زومیت
_لینک مقاله
@entropy_ph