وستركز مهمات استكشاف الفضاء المستقبلية في النظام الشمسي على البحث عن حياة خارج كوكب الأرض، بقيادة مركبة Clipper Europe التي ستطير إلى القمر العادل الكبير عام 2024، لكن هذه الحياة قد لا تشبه الحياة على الأرض. قد تسمح طريقة تحليل جديدة من النوع الطيفي الشامل باكتشاف حياة خارج كوكب الأرض من النوع الفضائي
[ترجمة د. موشيه نحماني]
لقد بدأ العلماء البحث عن حياة خارج كوكب الأرض في نظامنا الشمسي بشكل جدي، ونعم، قد تكون مثل هذه الحياة مختلفة تمامًا عن الحياة على الأرض، حيث قد لا تكون الأساليب المعتمدة على اكتشاف مركبات معينة كبصمات حيوية مناسبة للحياة التي تطورت بشكل مختلف. تصف دراسة جديدة أجراها فريق بحث ياباني أمريكي بقيادة باحثين من معهد طوكيو للتكنولوجيا طريقة تعتمد على "التعلم الآلي" تقوم بتقييم الخلائط العضوية باستخدام قياس الطيف الكتلي لتصنيفها بشكل موثوق على أنها بيولوجية أو غير بيولوجية.
السؤال "هل نحن وحدنا؟" (معنى - في الكون ككائنات حية) أثارت اهتمام البشرية لمئات السنين، وبدأ الجنس البشري في البحث عن حياة خارج كوكب الأرض في نظامنا الشمسي منذ مهمة "فايكنج 2" التي قادت ناسا إلى المريخ عام 1976. واليوم هناك عدة طرق يبحث بها العلماء عن الحياة خارج كوكب الأرض. وتشمل هذه الأساليب، من بين أمور أخرى، الاستماع إلى إشارات الراديو من الحضارات المتقدمة في الفضاء السحيق؛ البحث عن الاختلافات الدقيقة بين تركيبات أجواء الكواكب حول النجوم الأخرى؛ ومحاولة مباشرة لقياس تركيبة المواد الموجودة في عينات التربة والجليد التي جمعتها المركبات الفضائية في نظامنا الشمسي. وتسمح الطريقة الثالثة للباحثين باستخدام الأجهزة التحليلية الأكثر تقدما للفحص الكيميائي المباشر للعينات من مصادر خارج كوكب الأرض، وربما حتى إعادة بعض هذه العينات إلى الأرض لإجراء فحص أكثر دقة في المختبر وأدوات أكثر تقدما. مهمات استكشاف الفضاء المثيرة، مثل المركبة الجوالة (مركبة أو روبوت قادر على التحرك على سطح كوكب أو جرم سماوي آخر) المثابرة (المثابرة التابعة لناسا والتي ستبحث عن علامات الحياة على المريخ هذا العام؛ مسبار أوروبا كليبر) والذي سيتم إطلاقه في عام 2024 ويحاول أخذ عينات من الجليد المقذوف من السطح الخارجي لأوروبا (أحد أقمار المشتري)، وبرنامج Dragonfly الذي سيحاول هبوط مركبة فضائية آلية على قمر زحل، تيتان، بدءًا من عام 2027. ستحاول إحدى هذه البرامج الإجابة على السؤال القديم "هل نحن وحدنا في الكون؟".
المركبة الفضائية الجديدة إلى كوكب المشتري
يعد التحليل الطيفي الشامل طريقة أساسية يعتمد عليها العلماء في البحث عن حياة خارج كوكب الأرض. والميزة الكبيرة لهذه الطريقة هي أنها قادرة على قياس مجموعة كبيرة من المركبات الموجودة في العينة في وقت واحد، وبالتالي توفير نوع من "البصمة" لتكوين العينة. وفي الوقت نفسه، قد يكون تفسير هذه التوقيعات أمرًا صعبًا. وفي أفضل الأحوال، يستطيع العلماء أن يزعموا أن كل أشكال الحياة على الأرض تقوم على مبادئ جزيئية مشتركة، وهي الحقيقة التي تزودهم باليقين بأن كل أشكال الحياة على الأرض تطورت من سلف أرضي قديم مشترك. ومع ذلك، كجزء من عمليات محاكاة العمليات الأساسية التي يعتقد العلماء أنها ساهمت في أصل الحياة على الأرض، تم اكتشاف إصدارات متشابهة ولكنها مختلفة قليلاً من الجزيئات الأساسية التي تقوم عليها أشكال الحياة الأرضية. علاوة على ذلك، فإن العمليات الكيميائية التي تحدث في الطبيعة يمكنها أيضًا إنشاء العديد من العناصر الأساسية للجزيئات البيولوجية. في ضوء حقيقة أننا لا نزال لا نملك عينة معروفة من الحياة خارج كوكب الأرض، فإن الوضع يترك العلماء أمام مفارقة مفاهيمية: هل أصبح تطور الحياة على الأرض ممكنًا بفضل الاختيارات العشوائية التي تم إجراؤها في بداية التطور واستيعابها هنا، وبالتالي يمكن أن تتطور الحياة أيضًا بطريقة مختلفة، أم يجب أن نتوقع أن تتطور جميع أشكال الحياة في الكون بنفس الطريقة التي تتطور بها على الأرض؟ كيف سيعرف العلماء ما إذا كان اكتشاف نوع معين من الجزيئات يقتصر بالفعل على الإنتاج خارج كوكب الأرض؟
كيفية الكشف عن أشكال الحياة في مختبرات فحص عينات التربة؟
لسنوات عديدة، كان العلماء منزعجين من مسألة ما إذا كانت وجهة نظرهم المتحيزة حول كيفية اكتشاف أشكال الحياة، والتي تعتمد بوضوح على أشكال الحياة التي نعرفها على الأرض، قد تفشل في طرق القياس لدينا. في الواقع، جلبت بعثة فايكنغ 2 من المريخ عام 1976 نتائج غريبة أيضًا. وأدت بعض الاختبارات التي أجريت كجزء من هذه المهمة إلى استقبال إشارات اعتبرت إيجابية للحياة، لكن القياسات الطيفية للكتلة لم تنتج أي دليل على وجود أشكال الحياة كما نعرفها. في الآونة الأخيرة، كجزء من مهمة المركبة الفضائية كيوريوسيتي التابعة لوكالة ناسا إلى المريخ، تم العثور على مركبات عضوية على سطح كوكب المريخ، لكنها لا تزال لا تقدم دليلا قاطعا على وجود الحياة هناك. وكانت مشكلة مماثلة تنتظر العلماء الذين يحاولون تحديد موقع أقدم دليل على الحياة على الأرض: كيف يمكننا أن نعرف على وجه اليقين أن أصل الإشارات الموجودة في العينات الأرضية القديمة هو بالفعل من الكائنات الحية الأصلية المحفوظة داخل هذه العينات، أو أنها تنشأ من التلوث من الكائنات الموجودة على الأرض اليوم؟
حاول فريق البحث الدولي حل هاتين المشكلتين من خلال الجمع بين التجارب ومنهج التعلم الآلي المحوسب. باستخدام التحليل الطيفي الكتلي عالي الدقة (FT-ICR MS) تمكنوا من قياس أطياف الكتلة لمجموعة واسعة من الخلائط العضوية المعقدة، بما في ذلك العينات غير البيولوجية التي تم إنشاؤها في المختبر (والتي يتأكد الباحثون من أنها ليست من أصل حي). ) ، الخلائط العضوية الموجودة في النيازك (عينات من المركبات العضوية غير البيولوجية منذ حوالي أربعة مليارات ونصف المليار سنة والتي لم تصبح أبدًا أشكالًا للحياة)، والكائنات الحية الدقيقة التي تم إنشاؤها في المختبر، والنفط الخام الذي تشكل نفسه من أشكال الحياة القديمة. احتوت كل عينة من هذه العينات على عشرات الآلاف من المركبات الجزيئية المتميزة، وهو رقم قدم مجموعة كبيرة من القياسات الطيفية التي يمكن مقارنتها وتصنيفها.
استخدام الذكاء الاصطناعي
وعلى النقيض من الأساليب التي تستخدم دقة قياسات طريقة التحليل الطيفي (MS) لتحديد كل توقيع فريد من نوعه للجزيئات المختلفة داخل خليط عضوي معقد، جمع الباحثون جميع البيانات التي تم الحصول عليها وفحصوا الإحصائيات والبيانات. تشتت واسعة النطاق لجميع الإشارات. أظهرت الخلائط العضوية المعقدة، تلك المشتقة من الكائنات الحية، والنفط الخام والعينات غير البيولوجية، بصمات مختلفة تمامًا عند النظر إليها بهذه الطريقة. بالنسبة للبشر، يعد اكتشاف مثل هذه الأنماط أكثر صعوبة من اكتشاف وجود أو عدم وجود أنواع فردية من الجزيئات. قام الباحثون بتغذية بياناتهم الأولية في خوارزمية التعلم الآلي المحوسبة واكتشفوا لدهشتهم أن الخوارزميات كانت قادرة على تصنيف الجزيئات على أنها بيولوجية أو غير بيولوجية بدقة تصل إلى 95٪. والأهم من ذلك أنهم نجحوا في ذلك حتى بعد أن قام الباحثون بتبسيط البيانات الأولية بشكل كبير، بحيث سيكون من الممكن في المستقبل تحقيق نفس المستوى من الدقة بمساعدة الأدوات ذات الدقة الأقل الموجودة على المركبة الفضائية البحثية. ويوضح الباحثون أن العمليات البيولوجية تختلف عن العمليات غير البيولوجية: فالعمليات البيولوجية يجب أن تخلق نسخًا من نفسها (كما في حالة الحمض النووي والحمض النووي الريبي)، في حين تفتقر العمليات غير البيولوجية إلى أي آلية داخلية تتحكم فيها. يقول أحد مؤلفي المقال الذي يصف الدراسة: "تفتح هذه الدراسة نافذة لاستخدام التحليل الطيفي الكتلي عالي الدقة للتطبيقات البيولوجية الفلكية".
ويضيف الباحث الرئيسي: على الرغم من أنه من الصعب، إن لم يكن من المستحيل، وصف كل تناول لخليط كيميائي معقد، إلا أن التوزيع الشامل للمكونات يمكن أن يحتوي على أنماط وعلاقات توفر معلومات إضافية فيما يتعلق بالعملية التي هي مصدر العديد من المركبات. . إذا أردنا أن نفهم بشكل صحيح مجال كيمياء ما قبل الحياة المعقدة، فسنحتاج إلى طرق جديدة والتفكير في سياق هذه الأنماط الواسعة - كيف تشكلت، وما الذي تنطوي عليه، وليس من حيث وجود أو غياب الأفراد جزيئات. تشكل هذه المقالة علامة فارقة أولية فيما يتعلق بجدوى وتطوير طرق التوصيف باستخدام طريقة التحليل الطيفي الشامل بدقة عالية - هناك معلومات مهمة في تشتت الإشارة التي يمكن استخدامها لتحديد العينات من خلال نوع العملية التي يتم من خلالها استخدام المركبات خلقوا. وقد توفر لنا طريقة التحليل المرجعي هذه العديد من المزايا في مجال البحث عن الحياة في نظامنا الشمسي، وحتى في إطار التجارب المعملية المصممة لإعادة بناء أصل الحياة".
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
