بصمات بيتا ألانين تكشف اختلاف بيئات نشأة الحياة
رغم تقارب متوسط نظائر الكربون، كشف تحليل بيتا ألانين في عيّنة الكويكب Bennu ونيزك Murchison عن بصمتين مختلفتين داخل الجزيء الواحد، مقدماً أدلة جديدة على البيئات التي تكوّنت فيها لبنات الحياة قبل نشوء الأرض.
وجد باحثون أن جزيء β-ألانين (β-alanine) في عيّنة من الكويكب Bennu وفي نيزك Murchison يحمل بصمتين نظائريتين مختلفتين تماماً داخل الجزيء الواحد، رغم أن متوسط نظائر الكربون فيهما يكاد يتطابق. ويرى الفريق أن هذا الاختلاف يشير إلى بيئات كيميائية متباينة في المنظومة الشمسية الوليدة، ويقدّم أدلة جديدة عن المكان الذي نشأت فيه الجزيئات التي سبقت الحياة.
وقادت الدراسة Ophélie Mcintosh، التي كانت باحثة ما بعد الدكتوراه في قسم علوم الأرض بجامعة Penn State. ونُشرت في مجلة Communications Earth & Environment بعنوان «قياسات نظائر النيتروجين والكربون داخل الجزيء لـ β-ألانين في عيّنات من الكويكب Bennu ونيزك Murchison». وتتوافر الدراسة المنشورة على موقع المجلة.
ما الذي جعل عيّنة Bennu مميّزة؟
أعادت مهمة OSIRIS-REx التابعة لوكالة ناسا عيّنة من الكويكب Bennu إلى الأرض عام 2023. وقد مرّت المهمة بمراحل متعاقبة: تخطيط وإطلاق وجمع للعيّنة وعودة إلى الأرض ثم تحليل في المختبر. وحُفظت المادة في كبسولة معقّمة قبل فتحها في ظروف مخبرية. ويقول الباحثون إن ذلك يتيح دراسة أحماض أمينية محفوظة في مادة بكر لم تلوّثها الأرض. وجاء في الدراسة: «توفّر العيّنات التي أوصلتها إلى الأرض مهمة OSIRIS-REx التابعة لناسا من الكويكب الكربوني (101955) Bennu فرصة لدراسة أحماض أمينية محفوظة في مادة بكر لم تتأثر بالتلوّث الأرضي». ويمكن الاطلاع على خلفية المهمة في صفحة OSIRIS-REx.
وكان تحليل عيّنة Bennu قد كشف عن 14 حمضاً أمينياً من أصل 20 حمضاً تستخدمها الكائنات الأرضية لبناء البروتينات، إضافة إلى أربع لبنات أساسية للحمضين النوويين DNA وRNA. أما β-ألانين فلا تستخدمه الكائنات الأرضية لبناء البروتينات، لكن له أدواراً أخرى في الحياة على الأرض. وقارن الفريق بين هذا الجزيء في Bennu ونظيره في نيزك Murchison، وهو نيزك غني بالكربون.
وتقول Mcintosh، المؤلفة الرئيسية للدراسة: «الأحماض الأمينية هي اللبنات الأساسية للبروتينات والببتيدات، لكنها توجد أيضاً في النيازك الغنية بالكربون وفي عيّنات الكويكبات، ولذلك يمكن أن تشكّل صلة مباشرة بين كيمياء الفضاء وأصول الحياة على الأرض». والكربون هو الهيكل الذي تُبنى عليه الجزيئات العضوية، وحياة الأرض قائمة عليه. وأضافت أن الباحثين يرون أن تفاصيل التركيب النظائري تتيح تتبّع تاريخ هذه الجزيئات.
كيف قيس ما يجري داخل الجزيء الواحد؟
تقول Mcintosh: «تركّز معظم الدراسات على توزيع الأحماض الأمينية وتحديد كمياتها، أما سؤالنا عن كيفية تكوّنها فجديد إلى حد كبير. واستخدمنا أجهزة نظائرية فريدة جداً، بينها جهاز لا يوجد إلا في Penn State، لنجيب عن هذه الأسئلة».
والجهاز المقصود هو pico-CSIA، أي التحليلات النظائرية لمركّبات منفردة على مقياس البيكومول. وهو يقيس المتوسطات النظائرية في عيّنات صغيرة للغاية. وإلى جانبه استخدم الفريق جهازاً معدّلاً من نوع GC-Orbitrap، وهو مطياف كتلة يجمع بين الفصل الكروماتوغرافي الغازي ومحلّل Orbitrap. وقاس هذا الجهاز التراكيب النظائرية في مواضع محددة داخل جزيء β-ألانين. وبذلك حصل الباحثون على قيمة نظائرية لكل ذرة كربون ولكل ذرة نيتروجين فيه.
وكان الباحثون قد توقعوا أن تتقدّم التقنيات المخبرية بين تخطيط المهمة وتحليل عيّناتها، وقد استُخدمت هنا تقنيات طُوّرت في تلك الفترة. وقالت Mcintosh: «المعلومات داخل الجزيء تعطي بصمة نظائرية أكثر تفصيلاً بكثير». وأوضحت: «بدلاً من أن نسأل فقط هل الجزيء مُثرى بنظير معيّن أو مستنزَف منه، يمكننا أن نبحث في كيفية توزّع هذا النظير داخل الجزيء، ونستخدم هذا النمط للتمييز بين مسارات التكوّن الممكنة».
وقال Christopher House، أستاذ علوم الأرض في Penn State: «إن القدرة على تحليل القيم النظائرية لكل ذرة كربون ونيتروجين داخل جزيء β-ألانين حلم لعلم الجيوكيمياء». وأضاف: «وهي هنا مقترنة بإمكانية دراسة عيّنة كويكب بكر أعادتها ناسا إلى الأرض».
ماذا تقول البصمتان المتباعدتان؟
النسبة النظائرية، بحسب House، «علامة قابلة للقياس تربط الجزيئات بمستودعات أو عمليات محددة». وقال: «في دراستنا، قدّمت النظائر أدلة على تاريخ أقدم لذرات بعينها داخل الجزيء».
وعند المقارنة بدت المتوسطات متقاربة. تقول Mcintosh: «عندما تقارن عيّنتي Bennu وMurchison، يكون متوسط نظائر الكربون متقارباً إلى حد أنهما، مع احتساب هامش الخطأ، متطابقتان في الأساس». لكنها تستدرك: «أما عندما تنظر إلى الكربون داخل الجزيء، فهما مختلفتان تماماً».
وجاء في الدراسة: «تُظهر العيّنتان توزيعات نظائرية متشابهة داخل الجزيء، بما يتسق مع مسار تخليق مشترك، لكنهما تختلفان اختلافاً واضحاً في التراكيب النظائرية للكربون والنيتروجين بحسب الموضع». وأظهر كربون المجموعة الكربوكسيلية في β-ألانين من Bennu إثراءً بنظير الكربون-13 (13C) أكبر بكثير مما في عيّنة Murchison. ويرجّح المؤلفون، بحسب ما كتبوه، أن هذا الإثراء يعكس مصادر كربون سابقة مختلفة نظائرياً: «يتسق الإثراء الأكبر بكثير بنظير 13C في كربون المجموعة الكربوكسيلية في Bennu مع دخول كربون من مستودعات سابقة مختلفة نظائرياً، وقد يعكس اختلافات في البيئات الكيميائية المحلية التي تكوّن فيها β-ألانين أو سلائفه».
وقال الباحثون إن المواد المصدرية للعيّنتين كانت لها بصمات نظائرية متمايزة، وهذا يدل على مواقع أو بيئات مختلفة في المنظومة الشمسية. وأضاف مؤلفو الدراسة أن عمليات الجسم الأم المعروفة لا تفسّر هذه الفروق بسهولة. وربطت الدراسة الفروق بمسارات كيميائية في أجزاء مختلفة من القرص الكوكبي الأولي، وهو القرص الذي تشكّلت منه الكواكب.
وقالت Mcintosh: «من أهم ما اكتشفناه، بالنسبة إلى الغلايسين وβ-ألانين معاً، أنهما ربما تكوّنا في بيئات أو أماكن مختلفة في المنظومة الشمسية». وأضافت: «هذا يوسّع فهمنا لنوع البيئات التي يمكن أن تتكوّن فيها هذه الجزيئات المهمة للكيمياء ما قبل الحيوية». ويقترح الباحثون أن هذه الجزيئات قد تكون تكوّنت قبل الأرض.
أما Katherine Freeman، أستاذة علوم الأرض في Penn State، فقالت: «فوجئت حقاً بالفارق النظائري الهائل بين موضعين متجاورين للذرات داخل الجزيء نفسه». وقالت Freeman، وهي الباحثة الرئيسية للمشروع: «بقاء اختلافات مذهلة كهذه مؤشر على الطبيعة البدائية لهذه الجزيئات. نحن نعمل على جزيئات تكوّنت عند فجر المنظومة الشمسية، وربما قبل تكوّن الأرض نفسها».
ماذا يعني ذلك للبحث عن أصل الحياة؟
ترى Freeman أن β-ألانين «مثال بارز على المجموعة المتنوعة بشكل مذهل من الجزيئات الشبيهة بالأحماض الأمينية الموجودة في عيّنات الفضاء». وتضيف: «يمكنه أن يساعدنا على فهم سبب وجود هذا العدد الكبير من أنواع هذه المركّبات، وأين ولماذا صُنعت. وفي النهاية، يساعدنا ذلك على فهم الطرق التي ربما شكّلت بها المواد العضوية الفضائية الكيمياء الفريدة للحياة».
وتتجاوز دلالة الدراسة أصل هذه الجزيئات إلى البحث عن الحياة في أماكن أخرى. فقد كتب مؤلفوها: «إضافة إلى ذلك، توفّر التحليلات النظائرية للأحماض الأمينية وغيرها من الجزيئات ما قبل الحيوية في عيّنات Bennu وغيرها من المواد الفلكية البكر خط أساس لاحيوياً بالغ الأهمية للبحث عن مؤشرات حيوية كيميائية في منظومتنا الشمسية وتحديدها». أي إن معرفة ما تنتجه الكيمياء وحدها، دون حياة، تتيح لاحقاً التمييز بين ذلك وما قد تتركه الكائنات الحية. ويقول الباحثون إن البعثات إلى أقمار المشتري الجليدية قد تستفيد من هذه النتائج.
وتبقى حدود الدراسة واضحة: فهي تقارن عيّنتين لجزيء واحد، وتفسّر الفروق بأنها تعكس بيئات مختلفة، لكنها لا تحدد أين بالضبط تكوّن كل منهما. وسؤال مصدر الكربون الأصلي في كل عيّنة ما زال مفتوحاً أمام أبحاث تالية. وتشرح النشرة الصحفية لجامعة Penn State الدراسة بتفصيل إضافي.
أخبار ذات صلة
علماء صينيون يبردون ذرات إلى درجات قريبة من الصفر المطلق في تجربة فضائية
رائد الفضاء الباكستاني سيكون أول زائر أجنبي لمحطة تيانغونغ الصينية هذا الشهر
تلسكوب Euclid يرصد 900 مليون مجرة في مسعى لرسم خريطة ثلاثية الأبعاد للكون
