سیارک بنو همچنان سرنخهای جدیدی درباره بزرگترین پرسشهای دانشمندان در مورد شکلگیری منظومه شمسی اولیه و منشأ حیات ارائه میدهد. بهعنوان بخشی از مطالعه در حال انجام روی نمونههای دستنخوردهای که توسط فضاپیمای OSIRIS-REx ناسا (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, and Security–Regolith Explorer) به زمین آورده شدهاند، سه مقاله جدید که روز سهشنبه در نشریات Nature Geosciences و Nature Astronomy منتشر شدهاند، کشفیاتی چشمگیر را ارائه میکنند: شکرهای ضروری برای زیستشناسی، مادهای شبیه آدامس که پیش از این در مواد فرازمینی دیده نشده بود، و مقدار غیرمنتظرهای از غبار تولیدشده توسط انفجارهای ابرنواختری.
فهرست مطالب
شکرهای ضروری برای زندگی
دانشمندانی به رهبری یوشیهیرو فوروکاوا از دانشگاه توهوکو در ژاپن شکرهای ضروری برای زیستشناسی روی زمین را در نمونههای بنو یافتند و یافتههای خود را در نشریه Nature Geoscience شرح دادند. شکر پنجکربنه ریبوز و—برای اولین بار در یک نمونه فرازمینی—شکر ششکربنه گلوکز پیدا شد.
اگرچه این شکرها مدرکی از وجود حیات نیستند، اما وجود آنها همراه با شناساییهای پیشین اسیدهای آمینه، نوکلئوبازها و اسیدهای کربوکسیلیک در نمونههای بنو نشان میدهد که بلوکهای سازنده مولکولهای زیستی در سراسر منظومه شمسی گسترده بودهاند.
برای حیات روی زمین، شکرهای دئوکسیریبوز و ریبوز به ترتیب بلوکهای سازنده اصلی DNA و RNA هستند. DNA حامل اصلی اطلاعات ژنتیکی در سلولهاست. RNA وظایف گوناگونی انجام میدهد و زندگی به شکلی که میشناسیم بدون آن نمیتوانست وجود داشته باشد. ریبوز در RNA در «ستون فقرات» شکر–فسفات مولکول استفاده میشود که زنجیرهای از نوکلئوبازهای حامل اطلاعات را به یکدیگر متصل میکند.
فوروکاوا گفت:
«هر پنج نوکلئوبازی که برای ساخت DNA و RNA استفاده میشوند، همراه با فسفاتها، پیش از این در نمونههای بنو که توسط OSIRIS-REx به زمین آورده شدهاند یافت شدهاند. کشف جدید ریبوز به این معنی است که همه اجزای لازم برای تشکیل مولکول RNA در بنو حضور دارد.»
کشف ریبوز در نمونههای سیارکی کاملاً شگفتآور نیست. ریبوز پیشتر در دو شهابسنگ پیدا شده روی زمین شناسایی شده بود. آنچه در مورد نمونههای بنو مهم است این است که پژوهشگران دئوکسیریبوز پیدا نکردند. اگر بنو نشانی باشد، این بدان معنی است که ریبوز ممکن است در محیطهای اولیه منظومه شمسی از دئوکسیریبوز رایجتر بوده باشد.
پژوهشگران فکر میکنند وجود ریبوز و نبود دئوکسیریبوز از فرضیه «جهان RNA» پشتیبانی میکند، فرضیهای که در آن نخستین اشکال حیات بر RNA تکیه داشتند تا اطلاعات را ذخیره کنند و واکنشهای شیمیایی ضروری برای بقا را پیش ببرند.
در نیمه چپ گرافیک، پسزمینه تصویری از بنو دیده میشود. در جلوی آن اجزای مولکولی RNA روی بنو نمایش داده شدهاند: گوانین، سیتوزین، ریبوز، آدنین، یوراسیل و فسفات. در زیر آنها ساختار مولکولی گلوکز همراه با متن آمده است:
«ریبوز و گلوکز شکرهای ضروری برای حیات روی زمین هستند. RNA از ریبوز برای ساختارش استفاده میکند. گلوکز به سلولها انرژی میدهد و برای ساخت الیافی مانند سلولز استفاده میشود. گروهی از دانشمندان ژاپنی و آمریکایی ریبوز و گلوکز را در نمونههای سیارک بنو (جمعآوریشده توسط مأموریت OSIRIS-REx ناسا) یافتهاند، که نشان میدهد این شکرهای ساده ممکن است توسط شهابسنگها به زمین اولیه آورده شده باشند.»
نیمه راست گرافیک پسزمینهای از زمین دارد. جلوی آن کد ژنتیکی برای سنتز پروتئین قرار دارد، شامل ریبوز، فسفات و نوکلئوبازهای RNA یعنی گوانین، سیتوزین، آدنین و یوراسیل. در پایین آن فرایند شیمیایی تولید انرژی از طریق گلیکولیز و ساختار شیمیایی سلولز نیز نشان داده شده است.
فوروکاوا توضیح میدهد:
«حیات امروز بر پایه سیستمی پیچیده سازمان یافته است که اساس آن سه نوع بیوپلیمر عملکردی است: DNA، RNA و پروتئینها. اما حیات اولیه ممکن است سادهتر بوده باشد. RNA بهترین نامزد برای نخستین بیوپلیمر عملکردی است، زیرا هم میتواند اطلاعات ژنتیکی را ذخیره کند و هم بسیاری از واکنشهای زیستی را کاتالیز کند.»
نمونههای بنو همچنین یکی از رایجترین شکلهای «غذا» (یا انرژی) مورد استفاده حیات روی زمین—شکر گلوکز—را در خود داشتند؛ که نخستین شواهد از این است که یک منبع انرژی مهم برای حیات به شکلی که میشناسیم، در منظومه شمسی اولیه نیز وجود داشته است.
«آدامس» باستانی و رازآلود
مقاله دوم در نشریه Nature Astronomy، به رهبری اسکات سندفورد از مرکز Ames ناسا در دره سیلیکون کالیفرنیا و زک گینسفورث از دانشگاه کالیفرنیا برکلی، مادهای شبیه آدامس را در نمونههای بنو آشکار میکند—مادهای که پیش از این در سنگهای فضایی دیده نشده بود—و میتوانسته روی زمین شرایط لازم برای ظهور مواد سازنده حیات را فراهم کند. این ماده شگفتانگیز احتمالاً در روزهای آغازین منظومه شمسی، زمانی که سیارک مادرِ جوان بنو گرم میشد، شکل گرفته است.
این «آدامس فضایی» که زمانی نرم و انعطافپذیر بوده اما اکنون سخت شده است، از موادی شبیه پلیمر تشکیل شده که بسیار غنی از نیتروژن و اکسیژن هستند. چنین مولکولهای پیچیدهای میتوانستهاند برخی از پیشمادههای شیمیایی لازم برای آغاز حیات روی زمین را فراهم کنند و یافتن آنها در نمونههای دستنخورده بنو برای دانشمندانی که چگونگی پیدایش حیات و امکان وجود آن در سیارات دیگر را بررسی میکنند اهمیت بالایی دارد.
سیارک نیاکان بنو از موادی در سحابی خورشیدی—ابر چرخان گاز و غباری که منظومه شمسی را پدید آورد—تشکیل شد و شامل مجموعهای از مواد معدنی و یخها بود. هنگامی که سیارک شروع به گرم شدن کرد، به دلیل تابش طبیعی، ترکیبی به نام کربامات از واکنش آمونیاک و دیاکسید کربن شکل گرفت. کربامات در آب محلول است، اما مدت کافی دوام آورد تا پلیمریزه شود—یعنی با خود و دیگر مولکولها واکنش دهد و زنجیرههای بزرگتر و پیچیدهتری بسازد که در برابر آب مقاوم باشند. این نشان میدهد که این ترکیب پیش از آنکه سیارک مادر به اندازهای گرم شود که محیطی آبی ایجاد گردد، تشکیل شده است.
سندفورد گفت:
«با این ماده عجیب، ما احتمالاً در حال دیدن یکی از نخستین تغییراتی هستیم که در این سنگ رخ داده است. روی این سیارک بدوی که در روزهای آغازین منظومه شمسی تشکیل شده، ما رویدادهایی نزدیک به آغازِ آغازها را مشاهده میکنیم.»
با استفاده از یک میکروسکوپ فروسرخ، تیم سندفورد دانههای نامعمول و غنی از کربن را که حاوی مقادیر زیاد نیتروژن و اکسیژن بودند انتخاب کرد. آنها سپس کاری را آغاز کردند که سندفورد «آهنگری در مقیاس مولکولی» مینامد، با استفاده از مرکز Molecular Foundry در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی در برکلی کالیفرنیا. با افزودن لایههای بسیار نازک پلاتین، آنها یک ذره را تقویت کردند، سوزن تنگستنیای به آن جوش دادند تا دانه کوچک را بلند کنند و سپس آن را با پرتو متمرکز ذرات باردار تراشیدند.
یک ذره میکروسکوپی از سیارک بنو، که توسط مأموریت OSIRIS-REx ناسا به زمین آورده شده، زیر میکروسکوپ الکترونی عبوری دستکاری میشود. برای جابهجا کردن این قطعه جهت تحلیل بیشتر، پژوهشگران ابتدا آن را با نوارهای نازک پلاتین تقویت کردند (شکل «L» روی سطح ذره)، سپس یک میکرومیلۀ تنگستنی به آن جوش دادند. این قطعه سیارکی ۳۰ میکرومتر (حدود یکهزارم اینچ) قطر دارد.
NASA/University of California, Berkeley
زمانی که ذره به اندازه هزار برابر نازکتر از موی انسان شد، ترکیب آن با میکروسکوپ الکترونی در Molecular Foundry و طیفسنجی پرتو ایکس در منبع نوری پیشرفته آزمایشگاه برکلی تحلیل شد. وضوح فضایی بسیار بالا و پرتوهای ایکس حساس ALS امکان تحلیلی شیمیایی بیسابقه را فراهم کرد.
گینسفورث گفت:
«بهمحض اینکه تصاویر روی صفحه ظاهر شدند، فهمیدیم که با چیزی خارقالعاده روبهرو هستیم. این ماده مانند هیچچیز دیگری نبود که تاکنون دیده بودیم و ماهها غرق در دادهها و نظریهها بودیم تا بفهمیم دقیقاً چیست و چگونه ممکن است بهوجود آمده باشد.»
تیم پژوهشی مجموعهای از آزمایشها را برای بررسی ویژگیهای این ماده انجام داد. با روشن شدن جزئیات، شواهد نشان داد که این ماده عجیب احتمالاً در لایههایی روی دانههای یخ و مواد معدنی موجود در سیارک رسوب کرده است.
این ماده همچنین انعطافپذیر بود—مادهای نرم و خمشونده، شبیه آدامس جویدهشده یا پلاستیک نرم. هنگام کار با نمونهها، پژوهشگران متوجه شدند که این ماده هنگام اعمال فشار خم میشود و فرورفتگیهایی ایجاد میکند. این ماده نیمهشفاف بود و قرار گرفتن در معرض تابش آن را شکننده میکرد—مانند صندلی باغی که چند فصل زیر نور خورشید مانده باشد.
سندفورد گفت:
«با نگاه به ترکیب شیمیایی آن، ما همان گروههای شیمیایی را میبینیم که در پلیاورتان روی زمین وجود دارند—چیزی که این ماده از بنو را شبیه یک پلاستیک فضایی میکند.»
اما این ماده باستانی صرفاً پلیاورتان نیست، زیرا پلیاورتان یک پلیمر منظم است. این ماده دارای اتصالات نامنظم، درهم و ترکیب عنصری متفاوت از ذرهای به ذره دیگر است.
اما این مقایسه ماهیت شگفتانگیز ماده آلی کشفشده در نمونههای ناسا را برجسته میکند و تیم پژوهشی قصد دارد مقدار بیشتری از آن را مطالعه کند.
سندفورد گفت:
«با دنبال کردن سرنخهایی از اتفاقاتی که مدتها پیش، در ژرفای یک سیارک رخ دادهاند، دانشمندان میتوانند درک بهتری از منظومه شمسی جوان بهدست آورند—و پیشمادهها و اجزای حیاتیای را که در آن زمان وجود داشت، و اینکه این مواد خام چقدر و چگونه توسط سیارکهایی مانند بنو پراکنده شدهاند.»
غبار فراوان ابرنواختری
مقاله دیگری در نشریه Nature Astronomy، به رهبری اَن نگوین از مرکز فضایی جانسون ناسا در هیوستون، دانههای پیشخورشیدی—غبار برخاسته از ستارگانی که پیش از منظومه شمسی ما وجود داشتند—را در دو نوع سنگ مختلف موجود در نمونههای بنو تحلیل کرد تا درباره محل تشکیل جرم مادر آن و چگونگی تغییرات زمینشناختی آن بیشتر بداند. باور بر این است که غبار پیشخورشیدی هنگام شکلگیری منظومه شمسی عموماً بهخوبی با مواد دیگر مخلوط شده بود. نمونههای بنو شش برابر بیشتر از هر ماده فرازمینی مطالعهشده دیگری غبار ابرنواختری داشتند، که نشان میدهد سیارک مادر بنو در ناحیهای از دیسک پیشسیارهای شکل گرفته بوده که با غبار ستارگان رو به مرگ غنی شده بود.
این مطالعه همچنین نشان میدهد که اگرچه سیارک مادر بنو دستخوش تغییرات گسترده بر اثر مایعات شده است، pockets یا بخشهایی از مواد کمتر تغییر یافته هنوز در نمونهها وجود دارد که سرنخهایی درباره منشأ آن ارائه میدهد.
نگوین گفت:
«این قطعات مقدار بیشتری ماده آلی و دانههای سیلیکاتی پیشخورشیدی را حفظ کردهاند—دانههایی که میدانیم بهراحتی توسط دگرگونی آبی در سیارکها نابود میشوند. حفظ آنها در نمونههای بنو شگفتآور بود و نشان میدهد بخشی از مواد از دگرگونی در جرم مادر گریختهاند. مطالعه ما تنوع مواد پیشخورشیدی را که جرم مادر هنگام شکلگیری جذب کرده بود آشکار میکند.»
مرکز پروازهای فضایی گادرد ناسا مدیریت کلی مأموریت، مهندسی سامانهها، و ایمنی و تضمین مأموریت OSIRIS-REx را بر عهده داشت. دانته لائورتا از دانشگاه آریزونا در توسان، پژوهشگر اصلی مأموریت است. این دانشگاه رهبری تیم علمی و برنامهریزی مشاهده علمی و پردازش دادهها را بر عهده دارد. شرکت لاکهید مارتین اسپیس در لیتلتون کلرادو فضاپیما را ساخت و عملیات پرواز را ارائه داد. گادرد و شرکت KinetX Aerospace مسئول هدایت فضاپیمای OSIRIS-REx بودند. نگهداری و آرشیو نمونهها در مرکز فضایی جانسون ناسا در هیوستون انجام میشود. مشارکتهای بینالمللی در این مأموریت شامل ابزار ارتفاعسنج لیزری OSIRIS-REx از آژانس فضایی کانادا (CSA) و همکاری علمی نمونههای سیارکی با مأموریت هایابوسا۲ از آژانس فضایی ژاپن (JAXA) است.
OSIRIS-REx سومین مأموریت در برنامه New Frontiers ناسا است که توسط مرکز پروازهای فضایی مارشال ناسا در هانتسویل آلاباما برای مدیریت علمی آژانس در واشنگتن اداره میشود.
