ستاره‌شناسان اولین «قند واقعی» را در فضای بین‌ستاره‌ای کشف کردند؛ سرنخی برای ریشه‌های حیات

در اعماق یک ابر مولکولی گسترده در نزدیکی مرکز کهکشان راه شیری، ستاره‌شناسان چیزی غیرمنتظره و «شیرین» کشف کرده‌اند. برای اولین بار، دانشمندان وجود یک «قند واقعی» را در محیط بین‌ستاره‌ای – فضای وسیع و منجمد گاز و غبار بین ستارگان – تأیید کردند. این مولکول که به نام اریترولوز (Erythrulose) شناخته می‌شود، یک قند چهار کربنی است که معمولاً روی زمین در تمشک و لوسیون‌های برنزه کننده بدون آفتاب یافت می‌شود. اما کشف آن در فاصله ۲۶,۷۴۵ سال نوری، درک ما از شیمی کیهانی را بازنویسی می‌کند.[1][2]

این کشف در منطقه‌ای غنی از نظر شیمیایی در فضا به نام G+0.693−0.027 انجام شد. یک تیم بین‌المللی از محققان با استفاده از تلسکوپ‌های رادیویی فوق‌حساس ۴۰ متری یبس (Yebes) و ۳۰ متری آیرام (IRAM) در اسپانیا، از میان غبار کیهانی عبور کردند تا امضای شیمیایی این ابر را تجزیه و تحلیل کنند. آنچه آنها یافتند، یک کارخانه مولکولی بود که در مقیاس و پیچیدگی‌ای عمل می‌کند که مدل‌های سنتی در مورد چگونگی شکل‌گیری بلوک‌های سازنده حیات را به چالش می‌کشد.

قندها برای زیست‌شناسی حیاتی هستند. آنها سوخت متابولیک را تأمین می‌کنند و ستون فقرات ساختاری اسیدهای نوکلئیک مانند DNA و RNA را تشکیل می‌دهند. با این حال، محققان ریشه حیات مدت‌هاست که در تلاش بوده‌اند تا توضیح دهند که چگونه زمین اولیه می‌توانسته به طور طبیعی به اندازه کافی از این مولکول‌های پیچیده را برای شروع فرآیندهای بیولوژیکی سنتز کند. آزمایش‌های آزمایشگاهی که شرایط زمین پیش‌زیستی را شبیه‌سازی می‌کنند، معمولاً فقط مقادیر ناچیزی قند تولید می‌کنند و شکافی آشکار در جدول زمانی پیدایش حیات باقی می‌گذارند.[1]

کشف اریترولوز در اعماق فضا یک راه‌حل قانع‌کننده ارائه می‌دهد: مواد اولیه حیات لزوماً نباید روی زمین تشکیل می‌شدند. در عوض، ممکن است آنها در محیط بین‌ستاره‌ای، مدت‌ها قبل از اینکه منظومه شمسی ما وجود داشته باشد، ساخته شده باشند. در حالی که مولکول‌های ساده‌تری مانند گلیکول‌آلدئید (glycolaldehyde) دو کربنی در سال ۲۰۰۰ در فضا شناسایی شدند، شیمیدانان آنها را به طور رسمی به عنوان قند طبقه‌بندی نمی‌کنند. یک «قند واقعی» نیاز به ستون فقراتی با حداقل سه اتم کربن دارد. اریترولوز با چهار کربن و مجموع ۱۴ اتم، بزرگترین مولکول غیرحلقوی – و اولین مولکول با چهار اتم اکسیژن – است که تاکنون در فضای بین‌ستاره‌ای یافت شده است.[2][3]

شناسایی یک مولکول خاص در ابری که در ده‌ها هزار سال نوری دورتر قرار دارد، یک شاهکار بزرگ در ستاره‌شناسی رصدی محسوب می‌شود. مولکول‌ها در فضا می‌چرخند و امواج رادیویی ضعیفی را در فرکانس‌های بسیار خاص منتشر می‌کنند. ستاره‌شناسان با نشانه گرفتن تلسکوپ‌های رادیویی به سمت ابر G+0.693−0.027، مجموعه‌ای آشفته از سیگنال‌ها را از بیش از ۱۸۰ گونه مولکولی مختلف جمع‌آوری کردند.

برای جداسازی این قند، تیم تحقیقاتی داده‌های تلسکوپ را با «اثر انگشت» آزمایشگاهی شناخته شده اریترولوز مقایسه کردند. آنها با موفقیت ۱۷ انتقال طیفی مجزا – فرکانس‌های رادیویی خاص منتشر شده توسط مولکول – را مطابقت دادند و وجود آن را با سطح اطمینان آماری بیش از ۹۹.۸ درصد تأیید کردند. محققان با تأکید بر فراوانی محض این مولکول در ابر، خاطرنشان کردند: «این واقعاً کشف شده است و مقدار بسیار زیادی قند است.»[2]

این فراوانی دقیقاً همان چیزی است که کشف را از نظر علمی متحول می‌کند. نظریه غالب در شیمی نجومی مدت‌ها بر این بود که مولکول‌های پیچیده در فضا به صورت متوالی و با افزودن یک اتم کربن در هر مرحله رشد می‌کنند. اگر این درست بود، قندهای سه کربنی باید به شدت در ابر غالب می‌بودند و به عنوان پله‌ای برای اریترولوز چهار کربنی عمل می‌کردند.[1]

با این حال، هنگامی که تیم همان ابر را برای یافتن قندهای سه کربنی مانند گلیسرآلدئید (glyceraldehyde) جستجو کردند، مطلقاً چیزی پیدا نکردند. اریترولوز حداقل هشت برابر بیشتر از خویشاوندان ساده‌تر سه کربنی خود فراوان بود. این حلقه مفقوده، شیمیدانان را مجبور کرد تا مکانیک سنتز بین‌ستاره‌ای را بازنگری کنند و به پدیده‌ای اشاره کنند که محققان آن را «شیمی تاریک» (Dark Chemistry) می‌نامند.[2][3]

شواهد نشان می‌دهد که به جای ساخت مولکول‌ها به صورت اتم به اتم، اریترولوز زمانی تشکیل می‌شود که دو مولکول دو کربنی مجزا – مانند گلیکول‌آلدئید و اتیلن گلیکول – با هم برخورد کرده و روی سطح دانه‌های غبار میکروسکوپی و یخی ذوب شوند. در سرمای شدید ابرهای مولکولی، این دانه‌های یخی به عنوان کاتالیزورهای کیهانی عمل می‌کنند و اجازه می‌دهند واکنش‌های شیمیایی پیچیده در محیطی که در غیر این صورت تقریباً خلأ است، رخ دهد.

نکته جالب دیگر این است که اریترولوز تنها دومین مولکول «کایرال» (Chiral) است که تاکنون در محیط بین‌ستاره‌ای کشف شده است. مولکول‌های کایرال در دو شکل متمایز وجود دارند که تصاویر آینه‌ای یکدیگر هستند، بسیار شبیه دست چپ و راست یک فرد. روی زمین، زیست‌شناسی تقریباً به طور انحصاری «چپ‌دست» یا «راست‌دست» است (بسته به مولکول) – خاصیتی که برای تا شدن پیچیده پروتئین‌ها و DNA کاملاً ضروری است. یافتن مولکول‌های کایرال در فضا نشان می‌دهد که کارخانه‌های شیمیایی جهان در حال حاضر هندسه‌های خاص مورد نیاز برای حیات را تولید می‌کنند.[1][3]

اگر ابرهای مولکولی در حال تولید قندهای پیچیده هستند، چگونه این مولکول‌ها از تولد خشونت‌آمیز یک منظومه ستاره‌ای جان سالم به در برده و راه خود را به سطح یک سیاره باز می‌کنند؟ زیست‌شناسان فضایی به دنباله‌دارها و سیارک‌ها به عنوان وسایل نقلیه تحویل‌دهنده جهان اشاره می‌کنند. هنگامی که یک ابر مولکولی فرو می‌ریزد تا یک ستاره و یک دیسک پیش‌سیاره‌ای تشکیل دهد، دانه‌های غبار یخی پوشیده شده از قندها در اجرام سنگی که در نهایت به سیارک‌ها و دنباله‌دارها تبدیل می‌شوند، گنجانده می‌شوند.

در دوره‌ای که به نام «بمباران سنگین متأخر» (Late Heavy Bombardment) شناخته می‌شود، تقریباً ۳.۸ تا ۴.۱ میلیارد سال پیش، زمین اولیه تحت بمباران بی‌امان این پرتابه‌های کیهانی قرار گرفت. دانشمندان محاسبه می‌کنند که بین ۰.۵ تا ۵۵ میلیون تن قند بین‌ستاره‌ای می‌توانسته در طول این دوران آشفته به سیاره ما تحویل داده شده باشد. این هجوم عظیم مواد پیش‌زیستی، یک «ذخیره قندی» غنی در اقیانوس‌های اولیه زمین فراهم کرده و زمینه را برای اولین فرآیندهای متابولیک فراهم ساخت.[2]

تأیید اریترولوز به جامعه شیمی نجومی انرژی بخشیده و دریچه‌ای را به روی جستجوهای جاه‌طلبانه‌تر باز کرده است. جایزه نهایی، ریبوز (ribose) است، یک قند پنج کربنی که ستون فقرات واقعی RNA را تشکیل می‌دهد. اگر ریبوز در محیط بین‌ستاره‌ای شناور یافت شود، قوی‌ترین شواهد را ارائه خواهد داد که جهان اساساً برای تولید معماری حیات سیم‌کشی شده است.[1]

در حال حاضر، کشف یک قند چهار کربنی در قلب کهکشان راه شیری به عنوان یک دستاورد برجسته محسوب می‌شود. این کشف، شکاف بین خلأ سرد و بی‌جان فضا و پیچیدگی بیولوژیکی پر جنب و جوش زمین را پر می‌کند. همانطور که تلسکوپ‌های رادیویی همچنان به گوشه‌های تاریک و غبارآلود کهکشان ما خیره می‌شوند، جهانی را آشکار می‌سازند که نه تنها پس‌زمینه‌ای برای حیات، بلکه خالق فعال آن است.[1]