با این حال یک نکتهی ساده و اساسی را دربارهی زندگی میدانیم: زندگی برای بقا و تداوم خود به انرژی نیاز دارد. و برای دستیابی به این انرژی، موجودات زنده به مجموعهای از عناصر بنیادی نیازمندند.
مقالهای تازه که در پایگاه arXiv و به قلم جیووانی کووونه و دوناتو جووانلی از دانشگاه ناپل منتشر شده، به همین موضوع میپردازد. نویسندگان در این مقاله بررسی میکنند که چگونه میتوانیم از همین محدودیت برای هدفمندتر کردن جستوجوی ستارهها و سیارههایی که ممکن است میزبان حیات باشند استفاده کنیم. به بیان ساده: اگر سیاره یا ستارهای فاقد بخش بزرگی از عناصر تشکیلدهندهی «بلوکهای سازندهی زندگی» باشد، احتمال وجود حیات در آن بسیار کم خواهد بود.
از انرژی تا عناصر
حال پرسش این است: از نیاز به انرژی چگونه به نیاز به عناصر میرسیم؟ بخش عمدهای از انرژی زندگی از پدیدهای فیزیکی به نام «ناهمترازی ترمودینامیکی» (thermodynamic disequilibria) به دست میآید. این اصطلاح علمی در واقع به معنای وجود نوعی انرژی پتانسیل در یک «سامانه» طبیعی است؛ خواه این انرژی گرمایی باشد، خواه مکانیکی، شیمیایی یا تابشی.
یکی از رایجترین راههایی که زندگی از چنین ناهمترازی انرژی بهره میبرد، فرایندی است به نام واکنشهای اکسایش–کاهش (Redox reactions). این واکنشها در شیمی بسیار شناختهشدهاند و معمولاً شامل انتقال یک الکترون هستند. همین جابهجایی الکترون باعث آزاد شدن انرژی میشود و زندگی از این انرژی برای ادامهی فعالیتهای خود بهره میبرد.
برای انجام چنین واکنشهایی، زندگی از پروتئینهایی استفاده میکند که به آنها اکسیدوردوکتازها (oxidoreductases) میگویند. نکتهی مهم اینجاست که هر یک از این پروتئینها حداقل به یک فلز در ساختار شیمیایی خود نیاز دارند. البته منظور از «فلز» در اینجا تعریف شیمیایی آن است، نه تعریف اخترشناسی که هر عنصر سنگینتر از هیدروژن را «فلز» مینامد. بهطور مثال، نیکل و آهن اجزای اصلی پروتئینهایی هستند که الکترون را از هیدروژن میگیرند، در حالی که مس بخش کلیدی پروتئینهایی است که در واکنشهای اکسایش–کاهش اکسیژن نقش دارند.
نقش عناصر دیگر
افزون بر فلزات، برخی عناصر دیگر نیز برای حیات اهمیت حیاتی دارند. به عنوان نمونه، فریزر (یکی از پژوهشگران در این حوزه) دربارهی اهمیت فسفر صحبت میکند؛ عنصری که هرچند فلز نیست، اما برای مولکولهای زیستی مانند DNA و ATP حیاتی است.
باستانشناسان و زمینشناسان دریافتهاند که میزان در دسترس بودن این فلزات و عناصر در طول تاریخ زمین، مسیر تکامل زندگی را دگرگون کرده است. برای مثال، رخدادهایی همچون صفحهتکتونیک، فعالیتهای آتشفشانی مانند فورانهای عظیم «دکن تراپس»، یا رویداد اکسایش بزرگ (حدود ۲٫۳ میلیارد سال پیش) بر چرخهی این عناصر اثر گذاشتهاند. در آن زمان، سیانوباکتریها آنقدر اکسیژن در جو زمین آزاد کردند که زیستسپهر سیاره بهکلی دگرگون شد. این تغییرات هم باعث یک رویداد انقراضی عظیم شد و هم مسیر را برای پیدایش تنفس هوازی و در نهایت ظهور جانوران هموار کرد.
پیشنهاد تازه: غربالگری عناصر در سیارهها
با توجه به این که دسترسی به این عناصر در تکامل حیات نقش کلیدی داشته، کووونه و جووانلی استدلال میکنند: اگر این عناصر چنین حیاتیاند، چرا آنها را در ستارهها و سیارهها بررسی نکنیم تا در غربالگری زیستاخترشناسی بهعنوان یک معیار کلیدی استفاده شوند؟
امروزه هزاران سیارهی فراخورشیدی کشف شده که میتوانند اهداف جذابی برای جستوجوی حیات باشند و به احتمال زیاد میلیونها سیارهی دیگر نیز در آینده شناسایی خواهند شد. اما منابع بشر برای بررسی همهی آنها محدود است؛ تعداد رصدخانههایی که میتوانند به دنبال نشانههای مستقیم حیات (biosignatures) بگردند بسیار اندک است. بنابراین، اولویتبندی و انتخاب هدفهای مناسب اهمیت ویژهای پیدا میکند.
معیارهای معمول و محدودیتهای آنها
به طور سنتی، فرآیند غربالگری برای یافتن سیارههای مناسب زندگی بر سه عامل متمرکز است:
- انرژی آزاد
- آب مایع
- عناصر CHNOPS (کربن، هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن، فسفر و گوگرد)
اما نویسندگان مقاله معتقدند که این معیارها بهتنهایی کافی نیستند، زیرا این عناصر و شرایط در کهکشان نسبتاً فراواناند. محدودیت واقعی زمانی پدید میآید که به فلزات سنگینتر و عناصر دخیل در واکنشهای اکسایش–کاهش نگاه کنیم؛ عناصری مانند آهن، نیکل و مس. این عناصر در مقایسه با CHNOPS کمتر در دسترساند و بنابراین غربالگری بر اساس وجود یا نبود آنها میتواند به مراتب دقیقتر باشد. به این ترتیب، منابع محدود رصدی صرف سیارههایی خواهد شد که شانس بیشتری برای میزبانی زندگی دارند.
آیندهی جستوجو
خوشبختانه، مأموریتهایی مانند تلسکوپ فضایی PLATO متعلق به آژانس فضایی اروپا قرار است طیفسنجی سیارههای فراخورشیدی را بررسی کند. این مأموریت از پیش دادههایی دربارهی عناصر CHNOPS جمعآوری خواهد کرد. کافی است دستهی دیگری برای بررسی فلزات زیستی به این دادهها افزوده شود تا گامی مؤثر در غربالگری دقیقتر برداشته شود.
البته ماجرا به این سادگی نیست. پژوهشهای دیگر نشان دادهاند که ستارههایی با فلزیّت بیشتر (metallicity بالاتر) معمولاً تابش فرابنفش کمتری دارند، و این میتواند مانع شکلگیری لایههای حیاتی ازن شود. بنابراین، مسئلهی جستوجوی حیات بیرونی با عوامل پیچیدهی فراوانی درهمتنیده است. هر بار که پژوهش تازهای انجام میشود، معیارهای ما پالایش مییابند و دقیقتر میشوند.
این مقاله نیز با افزودن یک معیار نو – یعنی بررسی فلزات حیاتی – گام مهمی در این مسیر برداشته است و به ما یادآوری میکند که زندگی، هرچند به ظاهر ساده، در اساس بر شبکهای پیچیده از عناصر و انرژیها استوار است.