کشف قندها و غبار ستاره‌ای در نمونه‌های سیارک بنو ناسا

سیارک بنو همچنان سرنخ‌های جدیدی را برای پاسخ به بزرگترین سوالات دانشمندان درباره شکل‌گیری منظومه شمسی اولیه و ریشه‌های حیات ارائه می‌دهد.

به عنوان بخشی از مطالعه جاری نمونه‌های دست‌نخورده‌ای که توسط فضاپیمای OSIRIS-REx (کاوشگر خاستگاه، تفسیر طیفی، شناسایی منابع و امنیت-رگولیت) ناسا به زمین آورده شده‌اند، سه مقاله جدید که روز سه‌شنبه توسط مجلات «نیچر ژئوساینسز» (Nature Geosciences) و «نیچر آسترونومی» (Nature Astronomy) منتشر شد، اکتشافات قابل توجهی را ارائه می‌کنند: قندهای ضروری برای زیست‌شناسی، یک ماده صمغ‌مانند که پیش از این در مواد اخترشناسی دیده نشده بود، و فراوانی غیرمنتظره بالای غبار تولید شده توسط انفجارهای ابرنواختری.

دانشمندان به رهبری یوشیهیرو فوروکاوا (Yoshihiro Furukawa) از دانشگاه توهوکو (Tohoku University) در ژاپن، قندهای ضروری برای زیست‌شناسی روی زمین را در نمونه‌های بنو کشف کردند و جزئیات یافته‌های خود را در مجله «نیچر ژئوساینس» منتشر کردند. قند پنج‌کربنه ریبوز (ribose) و برای اولین بار در یک نمونه فرازمینی، قند شش‌کربنه گلوکز (glucose) یافت شد. اگرچه این قندها شواهدی از حیات نیستند، اما شناسایی آن‌ها، همراه با شناسایی‌های قبلی اسیدهای آمینه، نوکلئوبازها (nucleobases) و اسیدهای کربوکسیلیک (carboxylic acids) در نمونه‌های بنو، نشان می‌دهد که بلوک‌های سازنده مولکول‌های بیولوژیکی در سراسر منظومه شمسی گسترده بوده‌اند.

برای حیات روی زمین، قندهای دئوکسی‌ریبوز (deoxyribose) و ریبوز به ترتیب اجزای کلیدی DNA و RNA هستند. DNA حامل اصلی اطلاعات ژنتیکی در سلول‌ها است. RNA عملکردهای متعددی را انجام می‌دهد و حیات به شکلی که ما می‌شناسیم بدون آن وجود نخواهد داشت. ریبوز در RNA در "ستون فقرات" قند-فسفات مولکول استفاده می‌شود که رشته‌ای از نوکلئوبازهای حامل اطلاعات را به هم متصل می‌کند.

فوروکاوا اظهار داشت: «هر پنج نوکلئوباز مورد استفاده برای ساخت DNA و RNA، همراه با فسفات‌ها، قبلاً در نمونه‌های بنو که توسط OSIRIS-REx به زمین آورده شده‌اند، یافت شده‌اند. کشف جدید ریبوز به این معنی است که تمام اجزای لازم برای تشکیل مولکول RNA در بنو وجود دارند.»

کشف ریبوز در نمونه‌های سیارک کاملاً تعجب‌آور نیست. ریبوز قبلاً در دو شهاب‌سنگ بازیابی شده روی زمین یافت شده است. آنچه در مورد نمونه‌های بنو مهم است این است که محققان دئوکسی‌ریبوز را پیدا نکردند. اگر بنو نشانه‌ای باشد، این بدان معنی است که ریبوز ممکن است در محیط‌های منظومه شمسی اولیه رایج‌تر از دئوکسی‌ریبوز بوده باشد.

محققان معتقدند که وجود ریبوز و نبود دئوکسی‌ریبوز از فرضیه "جهان RNA" حمایت می‌کند، جایی که اشکال اولیه حیات به RNA به عنوان مولکول اصلی برای ذخیره اطلاعات و به پیش بردن واکنش‌های شیمیایی لازم برای بقا متکی بودند.

فوروکاوا توضیح می‌دهد: «حیات امروزی بر اساس یک سیستم پیچیده است که عمدتاً توسط سه نوع بیوپلیمر (biopolymer) کاربردی سازماندهی شده است: DNA، RNA و پروتئین‌ها. با این حال، حیات اولیه ممکن است ساده‌تر بوده باشد. RNA کاندیدای اصلی برای اولین بیوپلیمر کاربردی است زیرا می‌تواند اطلاعات ژنتیکی را ذخیره کند و بسیاری از واکنش‌های بیولوژیکی را کاتالیز کند.»

نمونه‌های بنو همچنین حاوی یکی از رایج‌ترین اشکال "غذا" (یا انرژی) مورد استفاده توسط حیات روی زمین، یعنی قند گلوکز بود که اولین شواهد را ارائه می‌دهد که یک منبع انرژی مهم برای حیات به شکلی که ما می‌شناسیم نیز در منظومه شمسی اولیه وجود داشته است.

مقاله دوم، در مجله «نیچر آسترونومی» (Nature Astronomy) به رهبری اسکات سندفورد (Scott Sandford) در مرکز تحقیقات ایمز (Ames Research Center) ناسا در کالیفرنیا، و زک گینزفورث (Zack Gainsforth) از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، ماده‌ای صمغ‌مانند را در نمونه‌های بنو فاش می‌کند که قبلاً در سنگ‌های فضایی دیده نشده بود – چیزی که می‌توانست زمینه را روی زمین برای ظهور اجزای حیات فراهم کرده باشد. این ماده شگفت‌انگیز احتمالاً در روزهای اولیه منظومه شمسی، زمانی که سیارک والد جوان بنو گرم می‌شد، تشکیل شده است.

این "صمغ فضایی" باستانی که زمانی نرم و انعطاف‌پذیر بود، اما از آن زمان سخت شده است، از مواد پلیمری بسیار غنی از نیتروژن و اکسیژن تشکیل شده است. چنین مولکول‌های پیچیده‌ای می‌توانستند برخی از پیش‌سازهای شیمیایی را فراهم کرده باشند که به آغاز حیات روی زمین کمک کردند، و یافتن آن‌ها در نمونه‌های دست‌نخورده بنو برای دانشمندانی که در حال مطالعه چگونگی آغاز حیات و اینکه آیا حیات فراتر از سیاره ما وجود دارد، مهم است.

سیارک اجدادی بنو از مواد موجود در سحابی خورشیدی – ابر چرخان گاز و غباری که منظومه شمسی را به وجود آورد – تشکیل شد و حاوی انواع کانی‌ها و یخ‌ها بود. با شروع گرم شدن سیارک، به دلیل تابش طبیعی، ترکیبی به نام کاربامات (carbamate) از طریق فرآیندی شامل آمونیاک و دی‌اکسید کربن تشکیل شد. کاربامات در آب محلول است، اما به اندازه کافی طول کشید تا پلیمریزه شود، و با خود و سایر مولکول‌ها واکنش نشان داد تا زنجیره‌های بزرگ‌تر و پیچیده‌تری را تشکیل دهد که در برابر آب نفوذناپذیر بودند. این نشان می‌دهد که قبل از آنکه سیارک والد به اندازه کافی گرم شود تا به محیطی آبی تبدیل گردد، تشکیل شده است.

سندفورد گفت: «با این ماده عجیب، ما احتمالاً به یکی از اولین تغییراتی که در این سنگ رخ داده است، نگاه می‌کنیم. در این سیارک اولیه که در روزهای اولیه منظومه شمسی شکل گرفته است، ما به رویدادهایی در نزدیکی آغاز آغاز نگاه می‌کنیم.»

تیم سندفورد با استفاده از یک میکروسکوپ مادون قرمز، دانه‌های کربن‌غنی غیرمعمولی حاوی مقادیر زیادی نیتروژن و اکسیژن را انتخاب کردند. سپس آنچه سندفورد آن را "آهنگری در سطح مولکولی" می‌نامد، با استفاده از آزمایشگاه مولکولی فوندری (Molecular Foundry) در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (Lawrence Berkeley National Laboratory) (آزمایشگاه برکلی) در برکلی، کالیفرنیا، آغاز کردند. با اعمال لایه‌های فوق‌نازک پلاتین، آن‌ها یک ذره را تقویت کردند، یک سوزن تنگستن را برای بلند کردن دانه کوچک به آن جوش دادند، و با استفاده از یک پرتو متمرکز از ذرات باردار، قطعه را تراشیدند.

زمانی که این ذره هزار بار نازک‌تر از یک تار موی انسان شد، ترکیب آن را از طریق میکروسکوپ الکترونی (electron microscopy) در آزمایشگاه مولکولی فوندری و طیف‌سنجی اشعه ایکس (X-ray spectroscopy) در منبع نور پیشرفته آزمایشگاه برکلی (Berkeley Lab’s Advanced Light Source) تحلیل کردند. وضوح فضایی بالا و پرتوهای حساس اشعه ایکس ALS امکان تحلیل شیمیایی بی‌سابقه‌ای را فراهم آورد.

گینزفورث گفت: «لحظه‌ای که تصاویر شروع به نمایش روی مانیتور کردند، می‌دانستیم که چیزی قابل توجه داریم. چیزی شبیه به آن هرگز ندیده بودیم، و ماه‌ها غرق در داده‌ها و نظریه‌ها بودیم تا بفهمیم دقیقاً چه چیزی است و چگونه می‌توانسته به وجود آمده باشد.»

این تیم آزمایش‌های متعددی را برای بررسی ویژگی‌های ماده انجام داد. همانطور که جزئیات فاش می‌شد، شواهد نشان می‌داد که این ماده عجیب به صورت لایه‌لایه روی دانه‌های یخ و کانی‌های موجود در سیارک رسوب کرده است.

همچنین این ماده انعطاف‌پذیر بود – ماده‌ای نرم و قابل خم شدن، شبیه به آدامس جویده شده یا حتی یک پلاستیک نرم. در واقع، در طول کار آن‌ها با نمونه‌ها، محققان متوجه شدند که ماده عجیب هنگام اعمال فشار، خمیده و فرورفته می‌شود. این ماده شفاف بود، و قرار گرفتن در معرض تابش باعث شکنندگی آن می‌شد، مانند یک صندلی باغی که برای مدت طولانی در آفتاب رها شده است.

سندفورد گفت: «با نگاه به ترکیب شیمیایی آن، ما همان نوع گروه‌های شیمیایی را می‌بینیم که در پلی‌اورتان (polyurethane) روی زمین وجود دارند، که این ماده از بنو را چیزی شبیه به یک "پلاستیک فضایی" می‌کند.»

البته ماده باستانی سیارک صرفاً پلی‌اورتان نیست، که یک پلیمر منظم است. سندفورد گفت این یکی "اتصالات تصادفی‌تر و نامنظم‌تری و ترکیبی از عناصر دارد که از ذره‌ای به ذره دیگر متفاوت است." اما این مقایسه بر ماهیت شگفت‌انگیز مواد آلی کشف شده در نمونه‌های سیارک ناسا تأکید می‌کند، و تیم تحقیقاتی قصد دارد بیشتر آن را مورد مطالعه قرار دهد.

با پیگیری سرنخ‌هایی درباره آنچه مدت‌ها پیش، در اعماق یک سیارک رخ داده است، دانشمندان می‌توانند منظومه شمسی جوان را بهتر درک کنند – پیش‌سازها و اجزای حیاتی را که قبلاً در آن وجود داشته است، و اینکه این مواد اولیه تا چه حد ممکن است پراکنده شده باشند، به لطف سیارک‌هایی بسیار شبیه به بنو.

مقاله دیگری در مجله «نیچر آسترونومی»، به رهبری آن نگوین (Ann Nguyen) از مرکز فضایی جانسون (Johnson Space Center) ناسا در هیوستون، دانه‌های پیش‌خورشیدی – غبار ستاره‌هایی که قبل از منظومه شمسی ما وجود داشتند – را که در دو نوع سنگ مختلف در نمونه‌های بنو یافت شده‌اند، تحلیل کرد تا اطلاعات بیشتری در مورد محل تشکیل سیارک والد آن و چگونگی تغییر آن توسط فرآیندهای زمین‌شناسی به دست آورد. اعتقاد بر این است که غبار پیش‌خورشیدی به طور کلی در هنگام تشکیل منظومه شمسی ما به خوبی مخلوط شده بود. این نمونه‌ها شش برابر بیشتر از هر ماده اخترشناسی مورد مطالعه دیگر، غبار ابرنواختری (supernova dust) داشتند، که نشان می‌دهد سیارک والد در منطقه‌ای از دیسک پیش‌سیاره‌ای (protoplanetary disk) غنی از غبار ستاره‌های در حال مرگ شکل گرفته است.

این مطالعه همچنین نشان می‌دهد که اگرچه سیارک والد بنو تغییرات گسترده‌ای توسط سیالات آبی (aqueous alteration) تجربه کرده است، اما هنوز هم در نمونه‌ها بخش‌هایی از مواد کمتر تغییر یافته وجود دارد که بینش‌هایی را در مورد منشاء آن ارائه می‌دهد.

نگوین گفت: «این قطعات فراوانی بالاتری از مواد آلی و دانه‌های سیلیکاتی پیش‌خورشیدی را حفظ کرده‌اند، که می‌دانیم به راحتی توسط تغییرات آبی در سیارک‌ها از بین می‌روند. حفظ آن‌ها در نمونه‌های بنو شگفت‌آور بود و نشان می‌دهد که برخی از مواد از تغییر در سیارک والد فرار کرده‌اند. مطالعه ما تنوع مواد پیش‌خورشیدی را که سیارک والد هنگام شکل‌گیری جمع‌آوری کرده است، آشکار می‌کند.»

مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا مدیریت کلی ماموریت، مهندسی سیستم‌ها، و تضمین ایمنی و ماموریت را برای OSIRIS-REx فراهم کرد. دانته لورتا (Dante Lauretta) از دانشگاه آریزونا، توسان، محقق اصلی است. این دانشگاه تیم علمی و برنامه‌ریزی رصدهای علمی و پردازش داده‌های ماموریت را رهبری می‌کند. لاکهید مارتین اسپیس (Lockheed Martin Space) در لیتلتون، کلرادو، فضاپیما را ساخت و عملیات پرواز را فراهم کرد. گادرد و کینت‌اکس ایرواسپیس (KinetX Aerospace) مسئول ناوبری فضاپیمای OSIRIS-REx بودند. نگهداری و ذخیره‌سازی نمونه‌های OSIRIS-REx در مرکز فضایی جانسون ناسا در هیوستون انجام می‌شود. مشارکت‌های بین‌المللی در این ماموریت شامل ابزار ارتفاع‌سنج لیزری OSIRIS-REx از CSA (آژانس فضایی کانادا) و همکاری علمی در زمینه نمونه سیارک با ماموریت هایابوسا۲ (Hayabusa2) آژانس کاوش‌های هوافضای ژاپن (JAXA) است. OSIRIS-REx سومین ماموریت در برنامه "مرزهای جدید" (New Frontiers Program) ناسا است که توسط مرکز پرواز فضایی مارشال (Marshall Space Flight Center) ناسا در هانتسویل، آلاباما، برای اداره ماموریت علمی این سازمان در واشنگتن مدیریت می‌شود.