راز شیمیایی حیات باستانی مریخ در مأموریت روزالیند فرانکلین

تصور کنید بتوان تنها با یک اثر انگشت شیمیایی، سنگی بی‌جان را از بقایای جهانی میکروبی که مدت‌ها پیش ناپدید شده جدا کرد. این همان کارآگاهی علمی پرریسکی است که مریخ‌نورد روزالیند فرانکلین پس از رسیدن به مریخ با آن روبه‌رو خواهد شد.

شهاب‌سنگ مورچیسون در سال ۱۹۶۹ در استرالیا سقوط کرد و به قطعات فراوانی شکست. این شهاب‌سنگ به گروه کندریت‌های کربنی تعلق دارد. چنین شهاب‌سنگ‌هایی از بکرترین نمونه‌های شناخته‌شده به شمار می‌روند. 

چرا مولکول‌های کایرال در جست‌وجوی حیات باستانی اهمیت دارند

مریخ امروز بیابانی خشک، شکننده و آفتاب‌سوخته است. اما میلیاردها سال پیش شرایط دیگری داشت: گرم‌تر و مرطوب‌تر بود و جو ضخیم‌تری آن را می‌پوشاند. این شرایط اولیه شاید به شکل‌گیری و رشد حیات ساده کمک کرده باشد. مسئله اینجاست که مولکول‌های آلی می‌توانند از دو مسیر کاملا متفاوت پدید آیند: از راه زیست‌شناسی یا از راه شیمی معمولی. پس چگونه می‌توان این دو را از هم تشخیص داد؟

یکی از پاسخ‌های امیدبخش در کایرالیته نهفته است. برخی مولکول‌های آلی در دو شکل آینه‌ای به نام انانتیومر وجود دارند، درست مانند دست چپ و دست راست. سامانه‌های زنده روی زمین معمولا یکی از این دو دست‌سانی را بر دیگری ترجیح می‌دهند. این جهت‌مندی در بقایای زیستی باقی می‌ماند و مهم‌تر از آن، می‌تواند به‌عنوان یک زیست‌نشانگر عمل کند. اگر در مریخ مقدار بسیار بیشتری از یک انانتیومر نسبت به دیگری پیدا شود، سرنخی قدرتمند خواهد بود که شاید روزی حیات، شیمی آن سیاره را هدایت کرده است.

مریخ‌نورد روزالیند فرانکلین متعلق به آژانس فضایی اروپا از ابزار مؤما برای جست‌وجوی حیات باستانی مریخ از طریق تحلیل مولکول‌های آلی کایرال استفاده خواهد کرد.

مؤما چگونه زبان شیمیایی مریخ را می‌خواند

مریخ‌نورد روزالیند فرانکلین در برنامه اگزومارس، ابزار تحلیلگر مولکول‌های آلی مریخ یا مؤما را حمل می‌کند؛ ابزاری که برای بوکشیدن، جداسازی و شناسایی مواد آلی پیچیده طراحی شده است. مؤما یک ابزار واحد نیست، بلکه مجموعه‌ای از تجهیزات است: کروماتوگراف گازی، طیف‌سنج جرمی، کوره‌های میکروسکوپی برای تبخیر نمونه‌های سنگی و یک لیزر برای برانگیزش. این مجموعه به ابزار اجازه می‌دهد ترکیبات فرار را از نمونه‌های گرم‌شده استخراج کند و سپس دوقلوهای مولکولی را بر اساس برهم‌کنششان با ستونی دارای پوشش ویژه از هم جدا سازد.

جداسازی انانتیومرها کاری ظریف است. هر شکل آینه‌ای با پوشش ستون کمی متفاوت برهم‌کنش می‌کند، بنابراین در زمان‌های متفاوتی از ستون خارج می‌شود. تشخیص این تفاوت‌ها برای مولکول‌هایی که بزرگ، از نظر شیمیایی پایدار و احتمالا در مریخ کمیاب هستند، از نظر فنی بسیار دشوار است. در همین‌جاست که پژوهش‌های اخیر گروه‌هایی از گوتینگن، نیس و مؤسسه ماکس پلانک اهمیت پیدا می‌کند: آن‌ها ستون‌هایی مشابه مؤما را روی مواد واقعی شهاب‌سنگی آزمایش کردند و موفق شدند دو هیدروکربن سرسخت، یعنی پریستان و فیتان، را جدا کنند.

آزمایش مؤما روی میهمانی آشنا از فضا

برای شبیه‌سازی نمونه‌های مریخی، گروه پژوهشی به سراغ شهاب‌سنگ مورچیسون رفت؛ سنگی فضایی و غنی از کربن که در سال ۱۹۶۹ به زمین افتاد و سال‌هاست به دلیل ذخیره ارزشمند ترکیبات آلی خود مورد توجه قرار دارد. شهاب‌سنگ‌هایی مانند مورچیسون مجموعه‌ای از ترکیبات باستانی را حمل می‌کنند که در آغاز شکل‌گیری منظومه شمسی پدید آمده‌اند؛ در عین حال پس از فرود روی زمین نیز آلودگی‌هایی را به خود جذب می‌کنند. همین ترکیب، این شهاب‌سنگ را هم به یک نمونه جانشین سودمند و هم به موردی پیچیده برای آزمایش تبدیل می‌کند.

دانشمندان بر پریستان و فیتان تمرکز کردند، دو هیدروکربن زنجیره‌بلند که روی زمین اغلب با تجزیه زیستی مرتبط دانسته می‌شوند. در سیاره ما، این مولکول‌ها زمانی که از موجودات زنده سرچشمه گرفته باشند، معمولا غلبه یکی از شکل‌های کایرال را نشان می‌دهند. در سنتزهای غیرزیستی، یا زمانی که دگرگونی شدید زمین‌شناختی نشانه‌های زیستی را پاک کرده باشد، انانتیومرها معمولا در مقادیر تقریبا برابر دیده می‌شوند.

این گروه با استفاده از نسخه‌های آزمایشگاهی مویرگ‌های جداسازی مؤما، به جداسازی کایرال پریستان و فیتان دست یافت؛ دستاوردی فنی و مهم، زیرا این مولکول‌ها از نظر شیمیایی کم‌واکنش‌اند و جدا کردنشان بسیار دشوار است. این آزمایش‌ها هم حساسیت و هم دقتی را نشان دادند که مؤما برای بررسی سنگ‌های مریخی به آن نیاز خواهد داشت.

اما داده‌ها نکته‌ای غیرمنتظره در خود داشتند. قطعات مورچیسون نشان دادند که پریستان و فیتان در میان انانتیومرهای خود نسبت‌هایی برابر دارند. این ترکیب متقارن با انتظارها درباره آلودگی ناشی از زیست‌توده در محل فرود شهاب‌سنگ سازگار نبود. در عوض، این توازن به مسیر دیگری برای آلودگی اشاره می‌کرد.

آلودگی، جو زمین و نشانه‌ای غیرمنتظره

این گروه پیشنهاد کرد که آئروسل‌های جوی، یعنی ذرات ریزی که از سوختن سوخت‌های فسیلی و دیگر فرایندهای صنعتی مدرن تولید می‌شوند، هنگام عبور شهاب‌سنگ از جو و سپس قرار گرفتن آن روی سطح زمین، مواد آلی بیشتری را روی آن نشانده‌اند. به بیان دیگر، بخشی از مواد آلی موجود در مورچیسون ممکن است مدت‌ها پس از شکل‌گیری سنگ در فضا، از طریق برهم‌کنش با هوای زمین به آن رسیده باشد.

اندازه‌گیری‌های مقایسه‌ای این دیدگاه را تقویت کرد. پریستان و فیتانی که در شیل‌های نفتی و مواد مرتبط با نفت حفظ شده‌اند، پس از دفن طولانی و فرایندهای حرارتی، معمولا هرگونه دست‌سانی زیستی اولیه را از دست می‌دهند. گرما و فشار در پوسته زمین نشانه‌های کایرال را برهم می‌زند. اگر آئروسل‌های ناشی از احتراق حامل مولکول‌های مشتق از نفت باشند، می‌توانند پریستان و فیتان راسمیک، یعنی متوازن، را به سطح شهاب‌سنگ‌ها اضافه کنند و هرگونه عدم تقارن باستانی را پنهان سازند.

این یافته فقط حاشیه‌ای برای کار آزمایشگاهی نیست. این نتیجه هشداری مهم برای اکتشاف مریخ دارد: مسیرهای آلودگی اهمیت دارند، حتی برای سنگ‌هایی که از فضا آمده‌اند. ابزارها باید نه‌تنها مولکول‌ها، بلکه زمینه و تاریخچه آن‌ها را نیز آشکار کنند. توانایی مؤما در تفکیک انانتیومرها، آن هم با حساسیتی که در این آزمایش‌ها نشان داده شد، برای تفسیر هرگونه عدم تعادل کایرال در نمونه‌های مریخی حیاتی خواهد بود.

این یافته برای روزالیند فرانکلین و اگزومارس چه معنایی دارد

مأموریت پیش‌روی روزالیند فرانکلین که اکنون فرود آن در مریخ برای سال ۲۰۳۰ در منطقه غنی از رس اکسی‌آ پلانوم برنامه‌ریزی شده است، قصد دارد رسوباتی را جمع‌آوری و تحلیل کند که زمانی در تماس با آب روان بوده‌اند. کانی‌های رسی مواد آلی را به‌خوبی حفظ می‌کنند. اگر حیات روزی ردپایی شیمیایی برجا گذاشته باشد، رس‌ها از بهترین مکان‌ها برای جست‌وجوی آن هستند.

روش اعتبارسنجی‌شده مؤما مزیتی روشن فراهم می‌کند: این ابزار می‌تواند انانتیومرهای مولکول‌هایی را که در شرایط سخت دوام می‌آورند، جدا و اندازه‌گیری کند. اگر روزالیند فرانکلین در پریستان، فیتان یا ترکیبات مرتبط با آن‌ها یک فزونی کایرال قوی تشخیص دهد، این نتیجه نشانه‌ای بسیار مهم خواهد بود که می‌تواند از فرایندهای زیستی حکایت کند. در مقابل، توزیع راسمیک به منشأ غیرزیستی یا دگرگونی گسترده پس از رسوب‌گذاری اشاره خواهد داشت.

نکته عملی دیگری نیز وجود دارد. مطالعه مورچیسون نشان می‌دهد که آلودگی از منابع مدرن زمینی واقعی است و می‌تواند نشانه‌های باستانی را تقلید یا پنهان کند. برای حفاظت سیاره‌ای و مدیریت نمونه‌ها، درس روشن است: پروتکل‌های پاکیزگی و تفسیرهای آگاه از آلودگی باید بخشی جدایی‌ناپذیر از هر ادعایی درباره حیات فراتر از زمین باشند.

دیدگاه کارشناس

دکتر النا مورنو، شیمی‌دان سیاره‌ای و دانشمند پیشین ابزار در یک مأموریت مریخی، دیدگاهی عمل‌گرایانه ارائه داد: «کایرالیته یکی از بهترین فرصت‌های ما برای تمایز میان حیات و شیمی است، اما راه‌حل جادویی نیست. ترکیب زمینه، یعنی خود سنگ، محیط کانی‌شناختی آن، تاریخچه حرارتی و اندازه‌گیری‌های دقیق کایرال است که به ما امکان می‌دهد استدلالی قانع‌کننده بسازیم.» او افزود که پیش از طرح هر ادعای خارق‌العاده، راستی‌آزمایی با روش‌های مستقل ضروری خواهد بود.

از سال ۲۰۳۰، مریخ‌نورد روزالیند فرانکلینِ آژانس فضایی اروپا قرار است جست‌وجوی ردپاهای حیات در مریخ را آغاز کند. 

پیامدهایی فراتر از مریخ

دامنه این نتایج فراتر می‌رود. اگر مواد آلی حمل‌شده با آئروسل‌ها بتوانند شیمی سطحی شهاب‌سنگ‌ها را روی زمین تغییر دهند، فرایندهای مشابه نیز ممکن است نمونه‌های جمع‌آوری‌شده از جهان‌های دیگر و بازگردانده‌شده به زمین را تحت تأثیر قرار دهند، مگر اینکه از محفظه‌سازی بسیار سخت‌گیرانه استفاده شود. این مطالعه همچنین نشان می‌دهد چرا تحلیل درجا اهمیت دارد: ابزارهایی مانند مؤما می‌توانند نمونه‌ها را در محیط طبیعی خود بررسی کنند و بخشی از خطرهای آلودگی ذاتی در روندهای بازگشت نمونه را کاهش دهند.

در نهایت، این آزمایش بخشی از برنامه پژوهشی را بازتعریف می‌کند: مأموریت‌ها نباید فقط به دنبال ترکیبات آلی باشند، بلکه باید دست‌سانی مولکولی را نیز اندازه بگیرند و برای تفسیر مخلوط‌های راسمیک و غیرراسمیک طراحی شوند. این تمرکز دوگانه احتمال شناسایی یک زیست‌نشانگر قابل اعتماد را افزایش می‌دهد.

جمع‌بندی

اثبات اینکه روزی حیات روی مریخ وجود داشته، همچنان یکی از دشوارترین چالش‌های علم مدرن است. آزمایش‌های انجام‌شده روی شهاب‌سنگ مورچیسون گامی رو به جلو به شمار می‌آیند: آن‌ها نشان می‌دهند ابزارهایی از نوع مؤما می‌توانند حتی برای مولکول‌های دشوار، نشانه‌های کایرال ظریف را جدا کنند. این نتایج همچنین یادآوری می‌کنند که آلودگی، چه منشأ زمینی داشته باشد و چه فرازمینی، اگر در نظر گرفته نشود می‌تواند روایت علمی را مبهم کند. هنگامی که روزالیند فرانکلین وارد اکسی‌آ پلانوم شود، فقط سخت‌افزار با خود نخواهد برد، بلکه مجموعه‌ای دقیق‌تر از پرسش‌ها و روش‌های آزمایشگاهی اثبات‌شده را برای خواندن تاریخ شیمیایی مریخ حمل خواهد کرد.