تقنية كهربائية من أوساكا قد تساعد في تحديد علامات الحياة في الفضاء

مشكلة الأجهزة في البحث عن الحياة

أمضى علماء الأحياء الفلكية عقودًا في مسح النظام الشمسي والكون الأوسع بحثًا عن علامات على وجود حياة في مكان غير الأرض. والعقبة ليست الطموح بل الأجهزة. إذ يجب أن يكون كاشف البصمات الحيوية بالغ الحساسية، لأن الآثار التي يبحث عنها قد لا تتجاوز حفنة من الجزيئات في عيّنة، كما يجب أن يكون صغيرًا ومتينًا بما يكفي لتحمّل رحلة على متن مركبة فضائية. وقد كان بناء شيء يلبّي هذين الشرطين معًا، كما يصوغه الباحثون، تحديًا هندسيًا خارج هذا العالم. ويصف الآن فريق في جامعة أوساكا تقنية كهربائية قد توفّر سبيلًا للتقدّم. ومن المقرر نشر النتائج في مجلة Nature Communications.

الجزيئات المتطابقة انعكاسيًا كبصمة للحياة

يستند كثير من المنطق وراء هذا العمل إلى الأحماض الأمينية، وهي اللبنات الجزيئية التي تُجمَّع منها البروتينات. ويوجد العديد من الأحماض الأمينية في شكلين متطابقين انعكاسيًا: متماثلان في الصيغة الكيميائية، لكن متعاكسان في الاتجاه اليدوي، أو الكيرالية. وتتعامل الحياة والكيمياء غير الحية مع هذين الشكلين بطريقتين مختلفتين جدًا. فتبني الكائنات الحية أحماضها الأمينية بالكامل تقريبًا في الشكل L، بينما تظهر سكرياتها بأغلبية ساحقة في الشكل D. أما العمليات الكيميائية والفيزيائية اللاأحيائية، في المقابل، فلا تُظهر هذا التفضيل وعادةً ما تولّد الشكلين بنسب متساوية. ولذلك فإن هذا اللاتماثل — نسبة الشكل L إلى الشكل D — يُعدّ بصمة حيوية واعدة، وهو ما يجعل الأحماض الأمينية محورًا طبيعيًا لعلم الأحياء الفلكية. فإذا عادت عيّنة من عالم آخر بتحيّز قوي في الاتجاه اليدوي، فسيكون ذلك تلميحًا ذا مغزى إلى أن الحياة كانت فاعلة هناك.

لماذا يقصّر القياس الكتلي

تحدّد الأجهزة التقليدية الكيرالية عبر تحليل مجموعات كبيرة من الجزيئات دفعة واحدة. وينجح هذا النهج الكتلي في مختبر مجهّز جيدًا، لكنه يجلب صعوبات عملية عندما يكون الهدف جهازًا جاهزًا للطيران. وقد طُرح أن مخطط الكشف الكهربائي قد يتجاوز عدة من هذه المشكلات دفعة واحدة: فمثل هذه الطريقة ستكون أبسط في التنفيذ، وأقل تأثرًا بالاهتزاز، وخالية من الكواشف الكيميائية التي تتطلبها التقنيات الكتلية. وهذه تحديدًا هي الصفات المهمة عندما يتعيّن على جهاز أن يعمل بعيدًا عن طاولة المختبر.

جزيئات فردية تُحصى في فجوة نانوية

أتاحت التطورات في تقنية النانو لفريق أوساكا الكشف الكهربائي عن جزيئات فردية ذات أهمية بيولوجية بدلًا من التجمعات الكتلية. ويُمرّر الإعداد الجزيئات عبر فجوة بين سلكين نانويين من الذهب. وعندما يعبر جزيء تلك الفجوة، يولّد تيارًا نانويًا نافذًا، ويختلف شكل موجة ذلك التيار تبعًا لشكل الحمض الأميني الذي يعبر. ولأن هذه البصمات الكهربائية قابلة للتمييز، يستطيع الباحثون إحصاء عدد الجزيئات من كل شكل وهي تعبر الفجوة — قياس مباشر جزيءًا بجزيء بدلًا من قراءة متوسطة على حشد. كما قرن الفريق تقنية النفق ذات الفجوة النانوية بالذكاء الاصطناعي، وهو ما أفادوا بأنه أتاح لهم التمييز بين الشكلين.

عيّنات من بديل مريخي

جُمعت العيّنات التي حُلّلت في الدراسة في القلب شديد الجفاف لصحراء أتاكاما، شمال أنتوفاغاستا في تشيلي. وتُستخدم تلك المنطقة كبيئة مماثلة للمريخ: فجفافها الشديد وحياتها الشحيحة يجعلانها من أقرب النظائر الأرضية للأسطح القاسية الموجودة على الكوكب الأحمر. واختبار تقنية للكشف عن الحياة على مادة من بيئة كهذه هو أحد السبل لتقييم كيفية تصرف الطريقة في ظروف تشبه ما قد تواجهه مهمة كوكبية. وتُنسب صورة أتاكاما المصاحبة للعمل إلى Christopher E. Carr.

ما الذي سيغيّره كاشف كهربائي مدمج

يكمن جذب هذا النهج في ما قد يتيحه إذا نضج ليصبح جهازًا عاملًا. ومن بين المزايا الموصوفة:

• تُحصى الجزيئات الفردية بدلًا من التجمعات الكبيرة، ما يعطي قراءة مباشرة لنسبة L/D التي تُعدّ بصمة حيوية محتملة.
• القياس كهربائي، ما يتجنّب الكواشف الكيميائية التي تعتمد عليها بعض الطرق الراسخة.
• تُوصف القراءات الكهربائية بأنها أقل حساسية للاهتزاز من التقنيات الكتلية، وهي خاصية مفيدة للعتاد العامل على مركبة هبوط أو متجوّل.
• يستند النهج إلى التصنيع النانوي، حيث يمكن إنتاج وصلات الأسلاك النانوية الذهبية على رقائق صغيرة.

وكل من هذه الخصائص يتحدث عن العقبة نفسها: صعوبة تقليص طريقة تحليلية بمستوى المختبر إلى شيء يمكن إرساله في رحلة. والتقنية التي تعتمد على تيار عبر فجوة نانوية بدلًا من زجاجة كاشف ومنصة بصرية هي، من حيث المبدأ، أسهل في التصغير.

أداة ناشئة، لا مهمة مكتملة

نتيجة أوساكا خطوة في تطوير منهج لا اكتشاف للحياة. وتكمن أهميتها في أنها تُظهر مسارًا للتمييز بين الشكلين الكيراليين للأحماض الأمينية كهربائيًا بدقة الجزيء الواحد، وفي أنه يمكن اختبار النهج على عيّنات من بيئة اختيرت لمحاكاة المريخ. أما ما إذا كانت التقنية ستصبح في النهاية جزءًا من حمولة مستقبلية فيعتمد على عمل إضافي يُظهر أنها تستطيع العمل بموثوقية خارج المختبر وعلى أنواع العيّنات التي ستحللها مهمة فعليًا. ومع ذلك، وبينما يواصل علماء الأحياء الفلكية الموازنة بين أين ينظرون وما يبحثون عنه، فإن جهازًا صغيرًا ومتينًا وخاليًا من الكواشف يعالج فجوة معترفًا بها في البحث عن البصمات الحيوية — داخل نظامنا الشمسي وخارجه على حد سواء.

This article is based on reporting by Phys.org. Read the original article.