روش دقیق‌تری برای تمایز زندگی از غیرزندگی کشف کردیم

اگر موجودات دیگری به زمین نگاه کنند تا به دنبال زندگی بگردند، به دنبال شواهد قوی و قطعی در جو خواهند بود. یکی از این شواهد، حضور اکسیژن است که توسط گیاهان و برخی باکتری‌ها از طریق فتوسنتز تولید می‌شود. بنابراین، کلید کار این است که به دنبال «نشانه‌های شیمیایی وابسته به زندگی» در سیارات فراخورشیدی باشیم.

تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) جو سیارات فراخورشیدی را مطالعه کرده و راه‌های جدیدی را برای جستجوی زندگی در سایر جهان‌ها باز کرده است. با این ابزار و سایر رصدخانه‌های قدرتمند، دانشمندان ابزار لازم را برای بهبود جستجوی زندگی و مشخص کردن جاهایی که زندگی وجود ندارد به دست آورده‌اند. با این حال، به جز گاز اکسیژن در جو زمین، هنوز هیچ نشانه شیمیایی دیگری که به طور قطعی بگوید «اینجا زندگی هست!» در جهان‌های دیگر تعریف نشده است. شاید جستجوی یک «نشانه مقدس» و منفرد، روش درستی نباشد. در مقاله‌ای جدید، پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند بهترین راه پیش رو، بررسی تعاملات شیمیایی در جو یک سیاره است و توسعه سیستمی که حتی بتواند «زندگی به شکلی که ما نمی‌شناسیم» را پیدا کند. دلیلش این است که ممکن است سیارات دیگری زندگی‌هایی داشته باشند که دقیقاً شبیه آنچه ما روی زمین می‌شناسیم نباشد.

رویکرد شبکه‌ای

به جز استفاده از اکسیژن به عنوان نشانه اصلی وجود زندگی، مواد شیمیایی دیگری هم وجود دارند که زندگی را نشان می‌دهند و بر اساس تجربه زمین شناخته شده‌اند. یکی از این‌ها متان است که توسط موجودات زنده روی زمین تولید می‌شود. اما متان مقدار زیادی هم به صورت طبیعی در زمین و همچنین سیارات خارجی منظومه شمسی وجود دارد و همه‌ی آن‌ها ناشی از فعالیت زیستی نیستند. بنابراین، گازهای نشان‌دهنده حیات که از راه دور شناسایی می‌شوند ممکن است سیگنال‌های اشتباهی باشند. به همین دلیل، تکیه صرف به یک گاز به عنوان ابزار جستجو مفید نخواهد بود.

در مقاله‌ای که اخیراً منتشر شده است، نویسندگان ترزا فیشر، استل ژانین و سارا ایماری واکر اعلام کردند که دانشمندان باید روش‌هایی را توسعه دهند تا ابتدا تشخیص دهند که آیا یک گاز منشاء زیستی دارد یا از منابع غیرزیستی (بی‌جان) تولید شده است. آن‌ها رویکردی به نام «شبکه واکنش‌های شیمیایی» (CRN) را برای تحلیل گازهای جوی پیشنهاد کردند. شبکه واکنش‌های شیمیایی در واقع مجموعه‌ای از ترکیبات شیمیایی است که با هم واکنش می‌دهند و در این فرایندها به ترکیبات جدید تبدیل می‌شوند. دانشمندان می‌توانند ساختار این شبکه را تحلیل کنند تا رفتارهای فعلی و بالقوه آن را درک کرده و بر اساس آن مدل‌های سیستم‌های مورد مطالعه را بسازند.

این تحلیل می‌تواند بینش زیادی درباره سوالات مختلف پیرامون جستجوی زندگی در جهان‌های دیگر بدهد. مثلاً رویکرد شبکه‌ای می‌تواند درباره نوع موجودات زنده‌ای که ترکیبات شیمیایی را تولید می‌کنند، اطلاعاتی بدهد. همچنین می‌تواند مشخص کند آیا روی سطح یا در جو سیاره‌ای سوختی می‌سوزد یا نه. این روش حتی می‌تواند به شناخت متابولیسم موجودات زنده کمک کند یا تشخیص دهد که اصلاً زندگی‌ای وجود ندارد یا زندگی آن سیاره خیلی متفاوت از زندگی روی زمین است.

مثال‌ها

نویسندگان مقاله می‌خواستند منابع زیستی، غیرزیستی و غیرمعمول گازهای نشان‌دهنده زندگی را در جو سیاره با رویکرد شبکه‌ای از هم تمیز دهند. آن‌ها ۳۰ هزار جو زمین‌مانند را شبیه‌سازی کردند و آن‌ها را به دو دسته تقسیم کردند: «سیاراتی با جو شبیه زمین دوره آرکیان» و «سیاراتی با جو شبیه زمین مدرن». دسته اول سیاراتی هستند که جوی مشابه زمین بین ۲ تا ۴ میلیارد سال پیش داشته‌اند؛ جوی با مقدار کم اکسیژن و بیشتر از متان و آمونیاک تشکیل شده و زندگی در آن محدود به کلونی‌های باکتریایی بوده است. این شرایط ممکن است در برخی سیارات فراخورشیدی وجود داشته باشد و برای زندگی ساده مناسب باشد.

سیارات با جو شبیه زمین مدرن شرایطی شبیه زمین امروز دارند، با جوی متشکل از نیتروژن و اکسیژن و مقدار زیادی هیدروکربن‌های منتشر شده توسط فعالیت‌های فناوری. در این دسته، تیم شبیه‌سازی‌هایی با و بدون کلروفلوئوروکربن‌ها انجام داد. آن‌ها خواص شبکه‌ای جو این سیارات را بررسی کردند، مثلاً تولید متان به عنوان نشانه زیستی که ممکن است توسط فرایند زیستی متانوژنز ایجاد شود یا نتیجه فرآیندهای زمین‌شناسی باشد. بنابراین متان به تنهایی نشانه قطعی زندگی نیست.

در مقاله آمده است: «تحلیل شبکه همچنین می‌تواند جو زمین مدرن با CFC-12 را از جوی بدون آن تمیز دهد. با استفاده از تحلیل بیزی نشان می‌دهیم که آمار شبکه جوی می‌تواند اطمینان بیشتری نسبت به فقط بررسی مقدار گازها برای رد تفسیر زیستی ارائه دهد. نتایج ما تأیید می‌کند که رویکرد نظریه شبکه می‌تواند فرضیه‌های زیستی، غیرزیستی و غیرمعمول را از هم جدا کند و مهم‌تر از آن زندگی شناخته شده ما را به عنوان توضیح احتمالی رد کند. در پایان بحث می‌کنیم که توسعه بیشتر روش‌های استنباط آماری برای داده‌های طیفی که خصوصیات شبکه‌ای را در نظر می‌گیرند، می‌تواند تلاش‌های آینده برای شناسایی نشانه‌های زیستی را به طور قابل توجهی تقویت کند.»

استفاده از رویکرد سیستم‌ها برای یافتن زندگی

یک رویکرد سیستم‌وار یکپارچه نیازمند داده‌های دقیق و مستمر از مطالعات سیارات فراخورشیدی است تا به دانشمندان کمک کند احتمالات وجود زندگی را بررسی کنند. استفاده از این روش برای مطالعه گاز نشان‌دهنده زیستی (متان) و گاز نشانه فناوری (CFC-12) نشان می‌دهد که تحلیل شبکه واکنش‌های شیمیایی می‌تواند تغییرات سطح سیستم را تشخیص دهد که ممکن است حضور زندگی را نشان دهد. این موجودات ممکن است تنها یک گاز (مثل تولید اکسیژن توسط باکتری‌ها در زمین اولیه) یا ترکیبات شیمیایی پیچیده‌تری تولید کنند که نشانه تمدن‌های فناورانه باشد.

به عبارت دیگر، تحلیل جو با نگاه به تعاملات شبکه‌ای بین مواد شیمیایی جوی می‌تواند بینش‌هایی درباره گازهای منفرد و همچنین محصولات جانبی پیچیده‌تر شیمیایی ارائه دهد. این روش تحلیلی در مواقعی که تلسکوپ‌ها دنیایی را بررسی می‌کنند که اطلاعات کافی درباره زیست‌کره آن نداریم یا تمدن فناورانه موجود به خوبی شناخته نشده است، بسیار مفید خواهد بود. تحلیل CRN به دانشمندان کمک می‌کند تا چندین احتمال را مطرح کنند، از جمله اینکه آیا زیست‌شناسی بیشتر شبیه زمین است یا بیشتر بیگانه، و همچنین نشانه‌های غیرمعمول را در جستجوی جهان‌های قابل سکونت و زندگی آن‌ها رد کنند.