يقول علماء الأحياء الفلكية إن الحياة معقدة – بالمعنى الحرفي للكلمة

لطالما أفسدت الإيجابيات الكاذبة البحث عن حياة خارج كوكب الأرض – تلك المناسبات التي يعتقد العلماء فيها أنهم وجدوا الحياة ولكنهم يفتقرون إلى حالة مقنعة تمامًا.

يأتي المثال الأصلي من مركبة الإنزال التوأم Viking التابعتين لناسا ، والتي قدمت أدلة مثيرة للجدل على وجود الحياة على المريخ في منتصف السبعينيات. كان هذا الدليل بمثابة نفحة من الكربون المشع ينطلق من تربة المريخ ، مما يشير إلى حدوث التمثيل الغذائي الميكروبي في غضون – لكن ثلاث تجارب أخرى للكشف عن الحياة لم يتم العثور عليها إلا بنتائج لاغية. وصل المزيد من البيانات المشوشة حول الحياة على المريخ في عام 1996 ، عندما اكتشف العلماء ما يمكن أن يكون أحافير ميكروبية داخل نيزك المريخ الموجود في القارة القطبية الجنوبية. لكن الدراسات اللاحقة أظهرت أن الأحافير الدقيقة المفترضة كان من الممكن إنتاجها بسهولة عن طريق عدة طرق أخرى غير حيوية تمامًا. في الآونة الأخيرة ، ادعى الباحثون الذين يدرسون الغلاف الجوي لكوكب الزهرة أنهم رأوا كميات كبيرة من الفوسفين هناك – وهو غاز ، على الأرض ، يتكون أساسًا من الكائنات الحية الدقيقة. ومع ذلك ، سرعان ما شكك علماء آخرون في صحة هذه القياسات ، وافترضوا أن الغاز – إذا كان موجودًا على الإطلاق – كان ناتجًا عن شكل غريب ولكن لا حياة له من البراكين الزهرية.

في كل حالة ، كان النمط هو نفسه: الإثارة الأولية ، تليها الشكوك اللاحقة ، والفصل في نهاية المطاف. مرارًا وتكرارًا ، على ما يبدو ، لا يجد علماء الأحياء الفلكية سوى علامات غريبة على الحياة – ما يسمى بالبصمات الحيوية – وهي غير حاسمة بشكل محبط. يرجع هذا في جزء كبير منه إلى أن علماء الأحياء الفلكية يبحثون بالضرورة عن أبسط أشكال الحياة وأكثرها قوة والتي تبدو ممكنة في بيئات العالم الآخر القاسية ، وغالبًا ما يمكن إنتاج المواد الكيميائية والهياكل التي نربطها بهذه الكائنات على الأرض بطريقة غير حيوية. وبالطبع ، قد تكون كيمياء الحياة الفضائية مختلفة تمامًا عما نلاحظه على كوكبنا. هل هناك طريقة أفضل للنظر؟

نشرت نظرية جديدة في اتصالات الطبيعة يدعي أن هناك. تسمى نظرية التجميع ، وهي تبتعد عن البحث عن بصمات حيوية كيميائية بسيطة ، وبدلاً من ذلك تتبنى التعقيد الأساسي للحياة. وهو يقوم على فكرة أن أي شكل من أشكال البيولوجيا في أي مكان في الكون سوف يقوم بترميز معلومات الحياة في مجموعات معقدة من الجزيئات التي يمكن قياسها عن المادة التي لا حياة لها.

بالنسبة للمؤلفة المشاركة في الدراسة ، سارة ووكر ، عالمة الفيزياء الحيوية بجامعة ولاية أريزونا ، تعتبر نظرية التجميع علامة بارزة في هذا المجال ، لأنها “تقدم أول مقياس تعقيد يمكن اختباره في المختبر”. وعلى نطاق أوسع ، كما تقول ، فإنها تعطينا “أول بصيص من قدرتنا على ربط الأفكار النظرية العميقة حول طبيعة الحياة بالملاحظات التجريبية”.

في علم الأحياء الفلكية ، كانت النداءات إلى التعقيد في ازدياد منذ فترة حتى الآن. في ضوء النتائج الغامضة التي يمكن أن تأتي من البحث الذي يركز على التواقيع الكيميائية البسيطة ، طور العلماء نظريات وتعريفات للحياة تتطلع إلى عمليات أكثر تعقيدًا – التمثيل الغذائي والتكيف والتكرار والتطور – والتي يمكن أن تساعدنا في التمييز بين الأنظمة الحية والأنظمة غير الحية . في عام 1994 ، على سبيل المثال ، تبنت وكالة ناسا تعريفًا معقدًا للحياة: “الحياة نظام كيميائي قائم بذاته وقادر على التطور الدارويني.” تكمن المشكلة في أن المفاهيم الأساسية الكامنة وراء مثل هذه الأطر المتقدمة معقدة بحد ذاتها ، مما يجعل من الصعب اختبارها وتحديدها كمياً. اسأل ، على سبيل المثال ، خمسة علماء أحياء تطوريين مختلفين عن تعريفهم العملي لـ “التطور الدارويني” ، ومن المحتمل أن تحصل على خمس إجابات مختلفة قليلاً. كما يوضح كبير علماء ناسا ، جيم جرين ، “لا يمكنني بناء أداة ستخرج وتجد” التطور “أو” التكاثر “أو” التمثيل الغذائي “.

قد تقدم نظرية التجميع طريقة أكثر وضوحًا وعمومية للتعرف على الحياة ، سواء كانت مألوفة أو غريبة. إنه يعتمد على فكرتين مترابطتين: التعقيد المادي والوفرة ، بافتراض أنه مع زيادة هاتين الخاصيتين لأي كائن معين في أي بيئة معينة ، تقل فرص الأصل اللاأحيائي. تتتبع الوفرة عدد المرات التي يظهر فيها كائن ما في بيئة ما ، بينما يتم قياس تعقيد الكائن عن طريق تقدير عدد الخطوات المطلوبة لتجميعه. ضع في اعتبارك الفرق بين شاطئ البحر المليء بالحصى البالية – وهو موقف يمكن أن يُعزى بسهولة إلى عملية هامدة – وواحد مبعثر بدلاً من ذلك بأصداف منحوتة بشكل معقد.

على الرغم من أن النظرية عامة ويمكن أن تتعلق بأنواع كثيرة من الكائنات عبر نطاق واسع من المقاييس ، فقد نظر الباحثون في كيفية تطبيقها على الجزيئات ، والتي يمكن القول إنها اللبنات الأساسية الأكثر أهمية في علم الأحياء التي يمكن للعلماء البحث عنها في المختبر وفي الفضاء.

لتصنيف التعقيد الجزيئي ، أنشأ الفريق مؤشر تجميع الكتلة ، والذي يخصص خوارزميًا رقم تجميع كتلة (MA) لأنواع مختلفة من الجزيئات. كدليل على المفهوم ، استخدموا هذا النهج لفهرسة وتصنيف 2.5 مليون جزيء في قاعدة بيانات كيميائية مستخدمة على نطاق واسع. الجزيء الذي يحتوي على MA 1 له تعقيد منخفض وبالتالي فرصة أكبر للأصول اللاأحيائية ؛ يتم تعيين أعداد أعلى للجزيئات الأكثر تعقيدًا. يتكون من ذرة واحدة من الفوسفور وثلاث ذرات من الهيدروجين ، وغاز الفوسفين – التوقيع الحيوي المفترض للزهرة – يستحق فقط درجة ماجستير قدرها 1. في المقابل ، يكسب التربتوفان الأحماض الأمينية درجة ماجستير قدرها 12 بفضل بنيته المعقدة المكونة من 11 ذرة كربون ، اثني عشر من الهيدروجين ، وزوج من النيتروجين والأكسجين لكل منهما.

وفقًا لي كرونين ، الكيميائي في جامعة جلاسكو الذي قاد البحث ، كشف هذا التمرين أنه عند عتبة معينة – حوالي MA 15 – يصبح احتمال إنتاج جزيء غير حيوي في ظروف شبيهة بالأرض منخفضًا بشكل فلكي. يقول كرونين إن أقل من واحد من كل 600 سكستليون تقريبًا. وبالتالي ، فإن ترتيب الجزيئات في المتوسط ​​المتحرك لـ 15 أو أعلى يجب أن يتم صنعه دائمًا تقريبًا عن طريق الحياة.

إذن ، هل هذا يعني أن MA 15 هو علامة أكيدة للحياة في كل مكان؟ لا. لسبب واحد ، يمكن أن تكون العديد من الجزيئات منخفضة الترتيب بصمات حيوية – مثل الأكسجين الجزيئي البسيط هيكليًا المنبعث في الغلاف الجوي للأرض عن طريق الكائنات الحية الضوئية. وهذا يعني أنه على الرغم من أنها قد تقلل من فرص الإيجابيات الخاطئة في البحث عن الحياة ، إلا أن نظرية التجميع تزيد أيضًا من احتمال “السلبيات الخاطئة” التي تسمح للبصمات الحيوية الحقيقية بالمرور عبر الشقوق الاستقصائية. يقول كرونين على نطاق أوسع ، على الرغم من أن MA 15 يبدو أنه القيمة الحدية للحياة على الأرض ، يمكن أن تقع العتبة في مكان آخر لبيئات كوكب مختلفة تمامًا. يجادل كرونين بأن الحيلة تكمن في استخدام نظرية التجميع لرسم خريطة للفجوة التي يجب أن توجد بين التركيبات الكيميائية المنتجة بطريقة غير حيوية وتلك التي تنتجها الأنظمة الحية – هنا أو في أي مكان آخر.

لمزيد من التحقق من صحة نهجهم ، قام كرونين وزملاؤه بمراجعة حساباتهم النظرية للتعقيد باستخدام تجزئة مقياس الطيف الكتلي لدراسة عينة كبيرة من الجزيئات والمواد المرتبة ، وتقسيم كل منها إلى أجزائها المكونة لتأكيد عدد الخطوات الكيميائية المطلوبة لإعادة التجميع معهم. هذه النتائج التجريبية تمحورت بشكل وثيق مع التوقعات النظرية ، وميزت بشكل موثوق بين مجموعة واسعة من المواد الحية وغير الحية والميتة ، بما في ذلك بكتريا قولونية البكتيريا وخلايا الخميرة والقلويات النباتية والرماد والفحم والجرانيت والحجر الجيري وحتى البيرة.

واحدة من أكثر عمليات التحقق إثارة جاءت بإذن من متعاون كرونين والمؤلف المشارك للدراسة هيذر جراهام ، عالمة الأحياء الفلكية في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ماريلاند. لإجراء اختبار للنظرية ، أرسل مختبر جراهام مجموعة من العينات العمياء. واحدة من هذه المواد كانت مادة بيولوجية محفوظة من حفرية عمرها ملايين السنين. كانت عينة أخرى من نيزك مورشيسون ، وهو بولييد غني بمركبات الكربون العضوية (ولكن اللاأحيائية) التي سقطت على الأرض في عام 1969. وقد حدد اختبار كرونين مادة مورشيسون باعتبارها جديرة بالملاحظة لثروتها من الجزيئات المعقدة ، لكنها لا تزال تحت العتبة. من MA 15 وبالتالي هامدة. ومع ذلك ، تم تحديد المواد الأحفورية على أنها توقيع للحياة.

بالنسبة للمؤلف المشارك في الدراسة وزميل ما بعد الدكتوراه في البيولوجيا الفلكية في وكالة ناسا ، كول ماتيس ، كانت هناك لحظة مدهشة في هذه المرحلة من البحث عندما أصبح التمييز مهمًا لجميع المعنيين: التمييز بين “عينة معقدة وجزيء معقد”. في حين أن مجموعة متنوعة غريبة من المواد الكيميائية مثل تلك الموجودة في Murchison قد تدفع المرء إلى الاعتقاد بأن شيئًا ما مثل الحياة كان موجودًا هناك ، فإنه في الواقع الجزيء المعقد ، الذي يشير إلى تنظيم الكيمياء ، يبدو أنه مفتاح الحياة.

أدى نجاح هذه النتائج ، ونشر العمل ، إلى إثارة الإثارة الأولية. يقول ستيفن بينر ، الكيميائي في مؤسسة التطور الجزيئي التطبيقي في ألاتشوا بولاية فلوريدا ، والذي لم يكن جزءًا من البحث ، إنه وزملاؤه “متحمسون للغاية” بشأن نظرية التجميع. ومع ذلك ، يضيف ، لا يزال يتعين على كرونين وزملائه معالجة العديد من الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها بشأن عملهم ، خاصةً ما إذا كان يمكن تطبيقه بالفعل في “بيئات غريبة حقًا”. تحدى بينر كرونين لاختبار النهج على عينات من المواد “شبه المعقدة” التي صنعتها مجموعة بينر من سلائف الكربون البسيطة في ظروف معملية تحاكي الغلاف الجوي لكوكب الزهرة. يقول بينر: “هذه بيئة حقيقية ، ستتم زيارتها قريبًا في مهمة فضائية مرة أخرى. إذا كانت الحياة على الزهرة موجودة في السحب فوق كوكب الزهرة ، فستحتاج إلى اتباع منطق كيميائي يختلف كثيرًا عن المنطق الذي تتبعه الحياة على الأرض “. يقول بينر إن هذا يجعل الزهرة أفضل موقع لاختبار قريب المدى لمقياس التعقيد الجزيئي.

رداً على ذلك ، لاحظ كرونين أن عينات بينر تشكل تحديًا خاصًا ، لأنها مغمورة في حمض الكبريتيك – الذي يحلل الجزيئات العضوية وبالتالي يقلل من تعقيدها العضوي القابل للاكتشاف. ومع ذلك ، يقول كرونين ، “نحن نعمل على طريقة لإعادة بناء هذا التعقيد ، لذلك ما زلت آمل أنه حتى في أكثر العينات صعوبة ، إذا لم يتم كسر الجزيء ، يمكننا أخذ قياس.”

في غضون ذلك ، تساءل جرين وآخرون في وكالة ناسا عما إذا كان من الممكن استخدام نظرية التجميع لتحليل البيانات من العديد من مقاييس الطيف الكتلي التي زارت عوالم أخرى خلال مهام الوكالة المختلفة بين الكواكب. نظر جرين في البداية في حالة مطياف الكتلة على مركبة كاسيني المدارية ، والتي طارت وأخذ عينات من أعمدة بخار الماء المنبعثة من قمر زحل الجليدي إنسيلادوس ، لكنه أدرك أن أداة كاسيني سجلت كتلًا تصل إلى 100 وحدة كتلة ذرية فقط (amu) ، و تعمل نظرية التجميع فقط مع الجزيئات التي لا يقل وزنها عن 150 وحدة دولية.

على الرغم من أنها يمكن أن تصل إلى 150 amu وما بعده ، إلا أن الأدوات الموجودة في روفر Curiosity و Perseverance Mars كانت ضعيفة أيضًا ، حيث تفتقر إلى الخصوصية لدراسة الأنواع الجزيئية الفردية لقياس MA. يقول جرين إن المهمات المستقبلية يجب أن تكون مجهزة بمقاييس طيف الكتلة التي تسجل الكتلة الأعلى وتتخذ قياسات بمواصفات أكبر. هناك وعد لمهمة Dragonfly التابعة لناسا ، وهي طائرة كوادكوبتر تعمل بالطاقة النووية ومن المقرر أن تبدأ في استكشاف الغلاف الجوي وسطح قمر زحل تيتان في منتصف ثلاثينيات القرن الحالي. يشير جراهام إلى أن مطياف الكتلة الخاص بـ Dragonfly ، على الرغم من افتقاره لبعض قدرات أجهزة قياس الطيف في المختبر ، سيكون لديه القدرة على اكتشاف الجزيئات المعقدة.

في المستقبل ، يمكن للبعثات الأخرى المخطط لها أن تبحث عن علامات على التعقيد الجزيئي للحياة في النقاط الحيوية الفلكية عبر النظام الشمسي. في النهاية ، يتكهن كرونين ، يمكن استخدام نظرية التجميع لتقييم البصمات الحيوية المحتملة المكتشفة عن بعد في الغلاف الجوي للكواكب الخارجية التي يحتمل أن تكون صالحة للسكن بواسطة التلسكوبات الكبيرة.

في الوقت الحالي ، مع ذلك ، قدّم هذا النهج للمنظرين والتجريبيين على حدٍ سواء ثروة من الأفكار الجديدة لفهم – ورؤية – التعقيد الكوني للحياة.

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *