پروتئین‌های باستانی در چشمان ما می‌توانند به یافتن حیات فرازمینی کمک کنند

همان‌طورکه در کاوش منظومه شمسی و مطالعه سیاره‌های فراخورشیدی مهارت بیشتری به‌دست می‌آوریم، چشم‌انداز پیداکردن نوعی حیات ساده از قلمرو داستان‌های علمی‌تخیلی خارج می‌شود و به‌سمت برنامه‌ریزی مأموریت‌های فضایی با هدف پیدا‌کردن حیات بیگانه می‌رود. با نزدیک‌ترشدن روزی که ممکن است به این کشف دست پیدا کنیم، زمان خوبی برای پرسیدن این سؤال است که حیات فرازمینی چگونه می‌تواند باشد؟

گروهی از پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا در ریورساید، زمین باستانی و برخی از اولین ساکنان آن را بررسی کردند تا بهتر دریابند که حیات ساده در جهان‌های دیگر و اتمسفر آن‌ها چگونه ممکن است باشد. زمین امروزی درمقایسه‌با زمانی که میزبان حیاتی ساده بود، بسیار متفاوت است.

رویداد بزرگ اکسیژنی زمین را برای همیشه تغییر داد و آن را در مسیر تبدیل‌شدن به سیاره‌ای قرار داد که امروز وجود دارد؛ جهانی که ویژگی آن اتمسفری غنی از اکسیژن و حیاتی پیچیده است. قبل از رویداد بزرگ اکسیژنی، اتمسفر زمین بسیار متفاوت بود و حیات موجب تغییر آن شد. این تاریخچه مختصر حقیقت مهمی را نشان می‌دهد: حیات و محیط در‌هم تنیده‌اند.

اشکال اولیه حیات روی زمین در محیط نسبتاً فقیر ازنظر انرژی و در اتمسفری با اکسیژن اندک زندگی می‌کردند. نور خورشید، تنها انرژی موجود بود و مدت‌ها پیش از تکامل فتوسنتز، اَشکال حیات به‌طور متفاوتی از نور خورشید استفاده می‌کردند. آن‌ها از پروتئین‌هایی به نام رودوپسین برای گرفتن نور خورشید بهره می‌بردند و این پروتئین‌ها درمقایسه‌با فتوسنتز، راه ساده‌تری برای استفاده از انرژی خورشید بودند.

ادوارد شویترمن، اخترزیست‌شناس دانشگاه کالیفرنیا، در بیانیه‌ای مطبوعاتی گفت: «در زمین اولیه، انرژی ممکن است بسیار کمیاب بوده باشد. باکتری‌ها و آرکئاها یاد گرفتند که بدون مولکول‌های زیستی پیچیده موردنیاز برای فتوسنتز، از انرژی فراوان خورشید استفاده کنند.» شویترمن از نویسندگان مطالعه جدیدی است که در مجله زیست‌شناسی مولکولی و تکامل منتشر شده است. این مطالعه به سرپرستی بتول کاچار، اخترزیست‌شناس دانشگاه ویسکانسین انجام شد.

رودوپسین‌ها به‌خاطر نقش مفیدشان همراه با از‌بین‌رفتن اَشکال اولیه حیات که از آن‌ها منشأ گرفتند، ناپدید نشدند. آن‌ها به فراوانی در موجودات امروزی و ازجمله خود ما یافت می‌شوند. رودوپسین‌ها در سلول‌های استوانه‌ای شبکیه چشم ما وجود دارند و در آن‌‌‌جا مسئول دید در نور کم هستند. همچنین، آن‌ها در اشکال ساده حیات امروزی در مکان‌هایی مانند حوضچه‌های نمکی یافت می‌شوند.

حضور این پروتئین‌ها در موجودات امروزی ارتباطی را با تاریخچه تکاملی رودوپسین‌ها ارائه می‌کند. پژوهشگران با استفاده از یادگیری ماشین و توالی‌یابی پروتئین در حال بررسی این ارتباط هستند. آن‌ها با استفاده از این ابزارها می‌توانند تکامل پروتئین‌ها را در مقیاس‌های زمانی زمین‌شناسی دنبال کنند. بررسی حیات و اتمسفر کنونی زمین شاخص خوبی از جست‌وجوی حیات در جهان‌های دیگر نیست. اتمسفر کنونی زمین غنی از اکسیژن است؛ اما براساس برخی از پژوهش‌ها، اتمسفر زمین اولیه بیشتر شبیه اتمسفر سیاره زهره بوده است.

نویسندگان مقاله جدید با ردیابی نحوه تکامل رودوپسین‌ها، درخت خانوادگی این پروتئین‌ها را تهیه کردند. آنان توانستند رودوپسین‌ها را از ۲/۵ تا ۴ میلیارد سال پیش بازسازی کنند. بیشتر جست‌وجوی ما برای حیات، روی اتمسفر سیاره‌ها تمرکز دارد. مولکول‌های خاص موجود در اتمسفر می‌توانند به‌عنوان نشانگر زیستی عمل کنند؛ اما برای اینکه بدانیم کدام‌یک می‌تواند نشانگر حیات ساده و ابتدایی باشد، باید به‌طور‌دقیق بدانیم اتمسفر زمین در زمانی که این سیاره میزبان حیات ساده بود، چگونه بوده است.

نویسندگان در مقاله خود می‌نویسند: «رمزگشایی روابط پیچیده بین حیات و محیط‌هایی که حیات در آن وجود دارد، برای بازسازی عواملی ضروری است که در بازه‌های زمانی زمین‌شناسی تعیین‌کننده سکونت‌پذیری سیاره‌ها هستند.» کاچار، سرپرست مطالعه گفت: «زندگی به‌شکلی که می‌شناسیم، به همان اندازه که بیانگر خودِ حیات است، بیانگر شرایط روی سیاره ما است. ما توالی‌های DNA باستانی یک مولکول را بازآفرینی کردیم و این کار به ما اجازه داد تا آن را با زیست‌شناسی و محیط‌زیست گذشته ارتباط دهیم.»

پژوهش جدید شبیه آزمایش‌ تبارشناسی ژنتیکی است که امروزه دردسترس ما قرار دارد. ما می‌توانیم DNA خود را برای مرکزی ارسال کنیم که در این زمینه کار می‌کند و درباره منشأ خود چیزهای زیادی بدانیم. کار فشرده این پژوهشگران بسیار عمیق‌تر از آزمایش تبارشناسی است؛ اما این مقایسه به درک کار آن‌ها کمک می‌کند.

می‌دانیم که زمین باستانی پیش از رویداد بزرگ اکسیژنی که حدود ۲ تا ۲/۴ میلیارد سال پیش رخ داد، لایه اوزون نداشت. اگر اکسیژن آزاد در اتمسفر وجود نداشته باشد، لایه اوزون تشکیل نمی‌شود و بدون لایه اوزون، حیات روی زمین درمقایسه‌با امروز، درمعرض تشعشعات فرابنفش بسیار بیشتری قرار داشت. درحال‌حاضر، لایه اوزون بین ۹۷ تا ۹۹ درصد از اشعه فرابنفش خورشید را جذب می‌کند.

پژوهشگران فکر می‌کنند توانایی رودوپسین‌های باستانی برای جذب نور آبی و سبز و نه نور زرد و نارنجی، به این معنی است که اشکال حیات متکی بر آن‌ها در عمق چندمتری ستون آب زندگی می‌کردند. ستون آب بالای موجودات از آن‌ها دربرابر اشعه UVB در سطح آب محافظت می‌کرد. پس از رویداد بزرگ اکسیژنی، لایه اوزون محافظتی دربرابر اشعه فرابنفش خورشید ایجاد کرد و حیات رودوپسین‌های مدرن‌تری را تکامل داد که می‌توانستند نور بیشتری را جذب کنند. بنابراین، رودوپسین‌های مدرن می‌توانند درکنار نور آبی و نور سبز، نور زرد و نارنجی را نیز جذب کنند.

رودوپسین‌های مدرن می‌توانند نوری را جذب کنند که رنگ‌دانه‌های کلروفیل فتوسنتزی نمی‌توانند آن را جذب کنند. رودوپسین‌های مدرن و فتوسنتز با جذب نورهای مختلف همدیگر را کامل می‌کنند؛ اگرچه مکانیسم‌های غیرمرتبط و مستقلی هستند. این رابطه مکمل نشان‌دهنده پیچیدگی تکامل است. شویترمن گفت:

این امر نشان‌دهنده تکامل توأم است که در آن گروهی از موجودات نوری را استفاده می‌کنند که موجود دیگر جذب نمی‌کند. ممکن است دلیلش آن باشد که رودوپسین‌ها ابتدا توسعه پیدا کردند و نور سبز را گرفتند و کلروفیل‌ها بعدها برای جذب بقیه نور تکامل پیدا کردند یا ممکن است برعکس آن اتفاق افتاده باشد.

بسیاری از سرنخ‌های مرتبط با ماهیت حیات اولیه زمین در زمین‌شناسی وجود دارد. دانشمندان صخره‌های باستانی را مطالعه می‌کنند تا نحوه بقا و تکامل حیات اولیه را درک کنند. همچنین، آنان رفتار خورشید و این مسئله را بررسی می‌کنند که با تغییر زمین چه مقدار از نور خورشید به زمین می‌رسیده است؛ اما اکنون آن‌ها ابزار دیگری دارند. نویسندگان در مقاله‌شان توضیح می‌دهند:

در شرایطی که استنتاج‌های زمین‌شناسی و ستاره‌ای نمی‌توانند به این پرسش‌ها پاسخ دهند، اطلاعات رمزگذاری‌شده در خودِ حیات ممکن است بینش‌های جدیدی در‌این‌باره ارائه دهد که چگونه سیاره ما قابلیت سکونت خود را حفظ کرده است.

در حیات باستان، رودوپسین‌‌ها مانند نوعی پمپ پروتون عمل می‌کردند. پمپ پروتون در موجودات زنده شیب انرژی ایجاد می‌کند و با فتوسنتز فرق دارد که انرژی شیمیایی موردنیاز برای بقای موجود زنده را تولید می‌کند. پمپ پروتون و گرادیان انرژی باعث تفاوت در پتانسیل الکتروشیمیایی غشای سلول می‌شوند. پمپ پروتون مانند باتری عمل می‌کند؛ زیرا انرژی را فراهم می‌کند که در آینده استفاده می‌شود.

به‌عنوان افرادی که ازنظر علمی کنجکاو هستیم، لازم نیست عملکرد دقیق آن‌ها را بدانیم. ما می‌توانیم درک کنیم که آن‌ها چگونه می‌توانند به ما کمک کنند تا اتمسفر سیاره‌های فراخورشیدی شبیه اتمسفر زمین اولیه و حیات ساده‌ای را شناسایی کنیم که در آنجا شکوفا شد.

پژوهشگران می‌گویند که می‌توانند از اطلاعات رمزگذاری‌شده در مولکول‌های زیستی برای درک زیستگاه‌هایی استفاده کنند که در آن حیات باستانی بقا پیدا کرد. آنان می‌گویند به‌دلیل گوناگونی عملکردی و تنظیم طیفی این خانواده متنوع پروتئین‌ها، رودوپسین‌ها بستر آزمایشگاهی عالی برای شناسایی سیگنال‌های زیستی تشخیص‌پذیر از راه دور موجود روی سیاره‌های فراخورشیدی هستند.

گفتنی است بررسی‌های پژوهشگران هنوز تمام نشده است. آنان قصد دارند از تکنیک‌های زیست‌شناسی مصنوعی برای درک رودوپسین‌های باستانی و تأثیر آن‌ها بر شکل‌گیری اتمسفر باستانی زمین و اینکه چگونه می‌توانند اتمسفر سیاره‌های فراخورشیدی را شکل بدهند، استفاده کنند. کاچار گفت: «ما DNA باستانی را درون ژنوم‌های مدرن قرار می‌دهیم و میکروب‌ها را دوباره برنامه‌ریزی می‌کنیم تا رفتاری را از خود نشان دهند که معتقدیم میلیون‌ها سال پیش داشتند. رودوپسین کاندیدای خوبی برای مطالعات آزمایشگاهی سفر در زمان است.»

برخی از شواهد حیات اولیه و اتمسفر اولیه زمین از چشم ما پنهان است؛ اما هدف این گروه پژوهشی غلبه بر برخی از موانع پیش روی جست‌وجوی آن شواهد است. کاچار گفت: «مطالعه ما برای اولین‌بار نشان می‌دهد که برخلاف نشانگرهای زیستی مرسوم، تاریخچه رفتاری آنزیم‌ها را می‌توان ازنظر تکاملی بازسازی کرد.»

هرچه بیشتر درباره زمین اولیه بیاموزیم، بیشتر می‌توانیم درباره جهان‌های دیگر یاد بگیریم. اگر چندین سیاره از حیات حمایت کنند، احتمالاً هریک مسیر متفاوتی را برای میزبانی از حیات طی کرده است. بااین‌حال، شباهت‌هایی در شیمی و فیزیک پشت‌صحنه آن‌ها وجود خواهد داشت و همچون روی زمین، تعامل بین حیات و محیط باید تاریخ جهان‌های دیگر را شکل دهد. نویسندگان در مقاله خود می‌نویسند:

تکامل توأم محیط و حیات در اوایل تاریخ زمین به‌عنوان مدلی برای پیش‌بینی علائم زیستی جهانی تشخیص‌پذیر عمل می‌کند که ممکن است در سیاره دیگری نیز تولید شود که فراتر از منظومه شمسی زیر سلطه میکروب‌ها قرار دارد.

شویترمن گفت:

زمین اولیه درمقایسه‌با دنیای امروز ما محیطی بیگانه است. درک این مسئله که چگونه موجودات روی زمین با گذشت زمان و در محیط‌های متفاوت تغییر کرده‌اند، دانش ارزشمندی درباره نحوه جست‌وجو و شناسایی حیات فرازمینی دراختیارمان قرار می‌دهد.