8 دقیقه
آزمایشهای جدید آزمایشگاهی نشان میدهد که جو نخستین زمین قادر بوده است مولکولهای زیستی حاوی گوگرد — از جمله آمینو اسیدهایی مانند سیستئین — را از گازهای ساده و نور تولید کند. این دستاورد چشمانداز ما را نسبت به نحوه و مکان پدید آمدن مواد اولیه حیات دگرگون میکند و نشان میدهد که منابع پیشزیستی ممکن است گستردهتر و در دسترستر از تصور پیشین بودهاند.
آسمانی که ترکیبات پیچیده گوگردی میپخت
محققانی از دانشگاه کلرادو بولدر و همکارانشان در مقالهای منتشرشده در Proceedings of the National Academy of Sciences گزارش دادهاند که یک جو شبیهسازیشده پیشزیستی طیف شگفتآوری از مولکولهای مبتنی بر گوگرد را ساخته است. با تاباندن نور به مخلوطی از متان، دیاکسید کربن، سولفید هیدروژن و نیتروژن — گازهایی که بهاحتمال زیاد در جو اولیه زمین فراوان بودند — تیم پژوهشی ترکیباتی را تولید کردند که پیش از این اغلب بهعنوان محصولات فرایندهای زیستی در نظر گرفته میشدند.
پیش از این بسیاری از دانشمندان بر این باور بودند که ترکیبات آلی گوگردی مانند برخی آمینو اسیدها بدون مسیرهای زیستی یا محیطهای شیمیایی بسیار خاص قابل تولید نیستند. شبیهسازیهای پیشین در آزمایشگاه بهندرت این مولکولها را در مقادیر معنادار تولید میکردند، مگر آنکه شرایط خیلی ویژهای مانند دهانههای هیدروترمال یا مناطق آتشفشانی لحاظ میشد. آزمایشهای CU Boulder این دیدگاه محدود را به چالش میکشند: شیمی عادی جوی، که راندهشده توسط فوتوشیمی و نور خورشید، میتوانسته یک کارخانهٔ جهانی برای گونههای گوگردی مرتبط با زیستشناسی باشد. این نکته اهمیت مفاهیمی مانند فوتوشیمی جوی، مسیرهای آبی-هوایی و نقش گوگرد در بیوشیمی اولیه را برجسته میکند.
نتایج آزمایش و روش اجرا
در آزمایشگاه، محققان مخلوطی کنترلشده از گازها را در معرض نور شبیهسازیشده با طیف فرابنفش قرار دادند تا شرایط تابش خورشیدی بر جو اولیه را تقلید کنند. گوگرد بهخاطر خواص چسبندگی و کنش با سطحها و نیز حضور در غلظتهای بسیار کم نسبت به نیتروژن و دیاکسید کربن مطالعهای دشوار است؛ برای غلبه بر این چالشها، تیم از طیفسنج جرمی بسیار حساس استفاده کرد که قادر به آشکارسازی محصولات در حد ردیابی بود.
محصولات واکنش اندازهگیریشده شامل آمینو اسید سیستئین و دیگر مولکولهای زیستدارای گوگرد مانند تورین و کوآنزیم M بودند — ترکیباتی که در متابولیسم مدرن اهمیت دارند. وجود این مولکولها در محیط شبیهسازیشده نشان میدهد که میتوانستند قبل از ظهور حیات شکل گیرند و سپس از جو بهصورت باران یا تهنشینی به اقیانوسها و خشکی بیایند و بلوکهای ساختمانی آماده را به محیطهایی برسانند که احتمالاً پذیرای آغاز زیست بودند.
توضیح فنیتری که آزمایش ارائه میدهد شامل مسیرهای فوتوشیمی است: نور فرابنفش میتواند پیوندهای مولکولی را شکسته یا گونههای رادیکالی تولید کند که با یکدیگر واکنش داده و زنجیرهای از واکنشها را آغاز میکنند. در این آزمایش، حضور متان و سولفید هیدروژن منشأ اتمهای کربن و گوگرد را فراهم کرد، در حالی که دیاکسید کربن و نیتروژن منابعی برای اسکلت کربن و گروههای آمینه فراهم نمودند. استفاده از طیفسنج جرمی با حساسیت بالا و روشهای نمونهبرداری دقیق امکان تفکیک ایزومرها و شناسایی ترکیبات نادر را فراهم ساخت؛ این پیشرفتهای تکنیکی دلیل عمده آشکارسازی گونههای گوگردی بود که در کارهای پیشین از نظر پنهان مانده بودند.
نیت رید و الی براون در حال کار آزمایشگاهی.
برونیابی شیمی به مقیاس سیارهای
فراتر از کشف مولکولهای مشخص، تیم پژوهشی برآورد کرد که یک جو کامل پیشزیستی چقدر سیستئین ممکن است تولید کرده باشد. محاسبات آنها نشان میدهد که مقدار سیستئین تولیدشده میتواند به اندازهای باشد که برای تأمین تقریباً یک اکتیلیون سلول (1 × 10^27) کفایت کند؛ این مقدار بزرگ است اما هنوز کمتر از برآورد تقریبی زیستتودهٔ کنونی زمین (~1 × 10^30 سلول) است. به عبارت دیگر، خود جو میتوانسته فهرستی جهانی از آمینو اسیدهای گوگردی را تأمین کند که برای بذرزدن اکوسیستمهای نوظهور کافی بودهاند.
این سنتز هوایی روایتی که دربارهٔ محل ظهور نخستین مولکولهای مرتبط با حیات وجود داشت را تغییر میدهد. بهجای آنکه ضرورتاً به زیستگاههای نادر و شیمیایی غنی محدود باشد، دستکم بخشی از شیمی آلی گوگردی کلیدی میتوانسته بهصورت گسترده و در سراسر سیاره در دسترس باشد. این موضوع مجموعه سناریوهای ممکن برای منشاء حیات را گسترش میدهد و نشان میدهد که محیطهای اولیه ممکن است از منظر شیمیایی تحملپذیرتر و مساعدتر از آنچه قبلاً تصور میشد باشند.
علاوه بر این، این نتایج پیامدهایی برای مدلسازی جوی دارند: مدلهای اقلیمی-شیمیایی که فرایندهای فوتوشیمیایی را در جوهای غنی از متان و سولفور لحاظ میکنند باید توانایی تولید گونههای آلی پیچیده را بازبینی کنند. برآورد نرخ تولید، نیمهعمر مولکولها در جو، و نرخ تهنشینی آنها به سطوح مایع یا جامد، از عوامل کلیدی هستند که میزان تحویل بلوکهای ساختمانی را به محیطهای ساحلی، آبی و خشکی تعیین میکنند.
پیامدها برای مطالعات منشأ حیات و نشانگرهای زیستی در سیارات دیگر
این نتایج دو پیامد فوری دارند: (1) پژوهشهای منشأ حیات باید مسیرهای تولید جوی را بهعنوان منابع بالقوه مهم ترکیبات آلی پیچیده مدنظر قرار دهند؛ و (2) آشکارسازی گازهای گوگردی مشخص در دیگر جهانها الزاماً نشاندهنده وجود حیات نیست. بهعنوان مثال، کار قبلی همین نویسندگان نشان داده است که دیمتیل سولفید — گازی گوگردی که در زمین مدرن عمدتاً توسط زندگی دریایی تولید میشود — نیز میتواند بهصورت غیرزیستی از طریق شیمی سادهٔ جوی و تابش نور تشکیل شود. آن یافته، همراه با نتایج جدید، دقت و ظرافت بیشتری را در تفسیر گونههای گوگردی که توسط مأموریتهایی مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب مشاهده میشوند، میطلبد.
آشکارسازی ترکیبات گوگردی روی یک سیاره فراخورشیدی همچنان قابلتوجه است، اما این آزمایشها نشان میدهند که باید دقیقاً بررسی کنیم که آیا چنین مولکولهایی منشأ زیستی دارند یا فرایندهای فوتوشیمی جوی آنها را تولید کردهاند. همپوشانی مدلسازیهای جوی سیارهای، شبیهسازیهای آزمایشگاهی و مشاهدات طیفسنجی حساس کلید تمایز بین دو حالت خواهد بود. برای نمونه، شناسایی ایزوتوپها، نسبتهای مولکولی مشخص، یا حضور توأم مولکولهای غیرقابلتولید بهصورت غیرزیستی میتواند دلایلی برای ترجیح یک تبیین زیستی فراهم آورد.
از منظر اخترزیستشناسی، این یافتهها بر این نکته تأکید دارند که شناخت کامل از مسیرهای شیمیایی غیرزیستی در جوها برای جلوگیری از مثبت کاذب (false positives) در جستجوی نشانههای حیات ضروری است. بنابراین طراحی مأموریتها و انتخاب باندهای طیفی برای جستجوی ترکیباتی مانند دیمتیل سولفید، سولفید هیدروژن یا سایر ترکیبات گوگردی باید همراه با معیارهای مکملی برای تمایز منشأ باشد.
دیدگاه کارشناسان
دکتر میرا پاتل، اخترزیستشناس (که در این مطالعه مشارکت نداشت)، میگوید: «این کار ما را به یاد میآورد که جوهای سیارهای سامانههای شیمیایی واکنشپذیری هستند. وقتی گازهای ساده را در معرض نور قرار میدهید، میتوانید به نتایج پیچیده و غیرمنتظرهای برسید. این نکته هم برای درک چگونگی آغاز حیات روی زمین و هم برای جستجوی شیمیهایی که ممکن است نشاندهنده حیات در سیارات دیگر باشند، اهمیت دارد.»
مطالعه CU Boulder همچنین اهمیت ابزارهای اندازهگیری دقیق در شیمی پیشزیستی را برجسته میکند. آشکارسازی گونههای گوگردی در حد ردیابی نیازمند بهینهسازی حساسیت تحلیلی بود، و تکنیکهایی که توسعه داده شدند میتوانند به دیگر شبیهسازیها نیز تعمیم یابند تا اینکه چطور مولکولهای غنی از نیتروژن، فسفر یا گوگرد در محیطهای سیارهای شکل میگیرند را بررسی کنند.
وقتی پژوهشگران دامنهٔ شرایط آزمایشگاهی را گسترش میدهند — از جمله تغییرات در تابش خورشیدی، ترکیب جوی و تعاملات سطحی — درک ما از استحکام مسیرهای جوی برای تولید اجزای حیات بهتر خواهد شد. اگر جو یک تأمینکنندهٔ کارآمد آمینو اسیدها و کوفاکتورها بوده باشد، آنگاه آغاز حیات ممکن است کمتر به مکانهای زمینشناختی نادر و بیشتر به شیمی گستردهٔ سیارهای وابسته بوده باشد. این چرخش دیدگاه میتواند روی مدلهای زمانی پیدایش حیات، محلهای هدفگذاری شده در رفتار زمینشناسی دیرینه و نیز در انتخاب سیارات هدف برای جستجوی نشانههای زیستی تأثیرگذار باشد.
در جمعبندی، این کار نشان میدهد که ترکیبات گوگردی آلی میتوانستند بهطور گسترده و نسبتاً آسان از طریق فرایندهای فوتوشیمی در جو اولیه تولید شوند؛ نکتهای که بر اهمیت مطالعهٔ شیمی جوی در منشاء حیات و نیز در تحلیل دادههای اخترزیستی آینده صحه میگذارد.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر