آیا در دنیا های با اتمسفر هلیوم خالص، ممکن است زندگی وجود داشته باشد؟! - فروشگاه تکنولوژی

آنالیز این موضوع نه تنها مرزهای زیست شناسی را جابه جا می نماید، بلکه تصور ما را از منطقه ها زیست پذیر کیهان به چالش می کشد. با رصد تلسکوپ های نسل تازه مانند جیمز وب، تعیین شده است که اتمسفر بسیاری از ابرزمین ها و زیرنپتون ها مملو از هلیوم است. درک پتانسیل بیولوژیکی این سیارات به ما یاری می نماید تا بفهمیم آیا تعریف فعلی ما از حیات بیش از حد زمین محور است یا خیر و چگونه ارگانیسم ها ممکن است در شرایطی کاملاً بیگانه به بقای خود ادامه دهند.

لیست مطالب

• 1. ماهیت فیزیکی دنیا های غنی از هلیوم
• 2. چالش بی اثری شیمیایی هلیوم برای بیولوژی
• 3. ترمودینامیک و انتقال حرارت در جو هلیومی
• 4. مدل های متابولیکی بدون احتیاج به اکسیژن
• 5. اتمسفرهای ترکیبی هیدروژن و هلیوم به عنوان بستر اولیه
• 6. فتوسنتز و فراوری انرژی زیر آسمان هلیومی
• 7. تکامل بیومکانیکی موجودات در اتمسفر سبک
• 8. نامزدهای واقعی سیارات هلیومی در کهکشان
• 9. شبیه سازی های آزمایشگاهی حیات در گازهای نجیب
• 10. فرار اتمسفری و پایداری بلندمدت جوهای هلیومی
• 11. ردیابی نشانه های زیستی در اتمسفرهای هلیومی
• 12. بازتعریف مرزهای زیست پذیری در کیهان

????مختصر و مفید

زیست در دنیا هایی با اتمسفر هلیوم خالص به علت بی اثری شیمیایی این گاز غیرممکن نیست، بلکه احتیاجمند بیولوژی متفاوتی بدون اتکا به اکسیژن آزاد است. هلیوم به عنوان یک حلال یا گاز حامل بی اثر عمل می نماید و مانع واکنش های حیاتی نمی شود، مشروط بر اینکه آب مایع و منابع انرژی شیمیایی وجود داشته باشند. چنین جوهایی انتقال حرارت فوق العاده بالایی دارند که بر تنظیم دمای موجودات زنده تأثیر می گذارد و چگالی کم آن، مکانیک پرواز و حرکت را تغییر می دهد. در نهایت، میکروارگانیسم های بی هوازی می توانند در این محیط ها با استفاده از متابولیسم های مبتنی بر تخمیر یا متانوژنز به خوبی رشد و تکامل یابند.

ماهیت فیزیکی دنیا های غنی از هلیوم

دنیا های غنی از هلیوم معمولاً به عنوان سیارات صخره ای یا غول های گازی کوچکی تعریف می شوند که در طول زمان هیدروژن اولیه خود را به علت نزدیکی به ستاره میزبان و پدیده فرار هیدروژنی از دست داده اند. از آنجا که هلیوم سنگین تر از هیدروژن است، جاذبه سیاره می تواند آن را حفظ کند و در نتیجه اتمسفری با خلوص بالای هلیوم شکل می گیرد. این سیارات از نظر فشار سطحی و ترکیب کلی جو، محیطی بسیار متفاوت از زمین ایجاد می کنند که احتیاجمند مدل سازی های فیزیکی تازه است.

دانشمندان با تحلیل داده های طیف سنجی متوجه شده اند که این اتمسفرها به علت جرم مولکولی بالاتر نسبت به هیدروژن خالص، فشرده تر هستند اما همچنان نسبت به اتمسفر نیتروژنی زمین سبک تر به شمار می روند. این ویژگی های فیزیکی خاص بر نحوه انتشار نور، شکل گیری ابرها و انتقال جریان های باد در سراسر سیاره تأثیر مستقیم می گذارد و بستری با ویژگی های ترمودینامیکی منحصر به فرد برای هرگونه حیات احتمالی فراهم می آورد.

چالش بی اثری شیمیایی هلیوم برای بیولوژی

بزرگ ترین مانع فکری در پذیرش حیات در اتمسفر هلیومی، ماهیت گاز نجیب بودن هلیوم است که در شرایط عادی هیچ واکنش شیمیایی انجام نمی دهد. با این حال، برای شکل گیری حیات، احتیاجی نیست که گازهای اتمسفر خود در واکنش های بیولوژیکی شرکت کنند، بلکه اتمسفر باید بستری پایدار و بدون سموم شیمیایی فراهم کند. هلیوم از این جهت یک گزینه ایده آل است زیرا هیچ اثر سمی روی ساختارهای پروتئینی و غشاهای سلولی ندارد.

بی اثری هلیوم به این معناست که برخلاف اکسیژن که گازی بسیار واکنش پذیر و مخرب برای مولکول های آلی اولیه است، هلیوم محیطی کاملاً محافظت شده ایجاد می نماید. در چنین بستری، مولکول های پیچیده کربنی و اسیدهای آمینه بدون ترس از اکسیداسیون و فروپاشی می توانند در آب مایع حل شده و زنجیره های حیاتی اولیه را شکل دهند. این امر مسیرهای متفاوتی را برای سنتز مواد آلی پیش روی زیست شیمی دان ها قرار می دهد.

ترمودینامیک و انتقال حرارت در جو هلیومی

هلیوم دارای رسانایی حرارتی بسیار بالاتری نسبت به نیتروژن و اکسیژن است که این ویژگی فیزیکی تأثیر عمیقی بر اقلیم سیاره و زیست شناسی موجودات آن می گذارد. در یک سیاره با اتمسفر هلیوم خالص، گرما با سرعت بسیار زیادی در سطح توزیع می شود و اختلاف دمای میان روز و شب به حداقل می رسد. این ثبات دمایی می تواند برای ارگانیسم های زنده که به تغییرات ناگهانی دما حساس هستند، بسیار مفید و حیاتی باشد.

از سوی دیگر، موجودات زنده در چنین جوی به سرعت حرارت بدن خود را از دست می دهند، مگر اینکه سازوکارهای عایق بندی حرارتی پیشرفته ای را تکامل داده باشند. برای مثال، پوشش های ضخیم یا سیستم های گردش خون خاص برای حفظ دمای داخلی در جانوران احتمالی این سیارات ضروری خواهد بود. این ویژگی ترمودینامیکی اساس طراحی مدل های زیست پذیری در شرایط شبیه سازی شده است.

مدل های متابولیکی بدون احتیاج به اکسیژن

برای آنالیز امکان زیست در این دنیا ها، باید متابولیسم های غیروابسته به اکسیژن را مد نظر قرار داد که در زمین نیز در بیوم های خاصی وجود دارند. باکتری های متانوژن (Methanogens) و کاهنده سولفات از جمله ارگانیسم هایی هستند که بدون احتیاج به اکسیژن آزاد و با استفاده از دی اکسید کربن، هیدروژن یا ترکیبات گوگردی انرژی فراوری می کنند. در اتمسفر هلیومی، این چرخه های متابولیکی می توانند به عنوان چرخه اصلی حیات عمل کنند.

این ارگانیسم ها از هلیوم به عنوان یک فاز گازی خنثی استفاده می کنند تا فشارهای محیطی را تحمل کنند بدون اینکه فرآیندهای آنزیمی آن ها دچار اختلال شود. تحقیقات نشان می دهند که بسیاری از آنزیم های باستانی در حضور گازهای نجیب کارایی خود را حفظ می کنند. بنابراین، غیاب اکسیژن مانعی برای فراوری انرژی سلولی نیست و مسیرهای متعددی برای بقای سلول ها در این شرایط در دسترس است.

اتمسفرهای ترکیبی هیدروژن و هلیوم به عنوان بستر اولیه

بسیاری از سیارات پیش از رسیدن به مرحله هلیوم خالص، دورانی طولانی را با اتمسفر ترکیبی هیدروژن و هلیوم سپری می کنند. هیدروژن به عنوان ساده ترین گاز کیهانی، منبع انرژی بسیار مناسبی برای میکروب های اولیه است و ترکیب آن با هلیوم، چگالی جو را برای حفظ آب مایع بهینه می نماید. در این مرحله انتقالی، فرآیندهای شیمیایی پیش زیستی به شدت تسهیل می شوند و پایه های زیست شناسی راسخ می شود.

با فرار تدریجی هیدروژن سبک به فضا، اتمسفر به سمت هلیوم خالص میل می نماید و ارگانیسم های سازگار شده باید منابع انرژی خود را به سمت مواد معدنی سطحی یا فعالیت های زمین گرمایی سوق دهند. این گذار اتمسفری یکی از هیجان انگیزترین سناریوهای تکاملی است که زیست اخترشناسان برای توجیه وجود حیات در سیارات مسن تر آنالیز می کنند و نشان از انعطاف پذیری فوق العاده سیستم های زنده دارد.

فتوسنتز و فراوری انرژی زیر آسمان هلیومی

آیا فتوسنتز در سیاره ای با جو هلیوم خالص امکان پذیر است؟ پاسخ مثبت است، زیرا فتوسنتز اساساً به نور ستاره و وجود دی اکسید کربن و آب بستگی دارد، نه به گازهای تشکیل دهنده بخش عمده جو. اگر مقادیر ناچیزی از گازهای گلخانه ای مانند دی اکسید کربن در جو وجود داشته باشد، گیاهان یا ارگانیسم های فتوسنتزکننده می توانند کربن را تثبیت نموده و قندهای مورد احتیاج خود را فراوری کنند.

تفاوت اصلی در این خواهد بود که محصول جانبی این فرآیند ممکن است به جای اکسیژن آزاد، ترکیبات دیگری مانند گوگرد یا متان باشد، مگر اینکه سیستم های زنده بتوانند اکسیژن آزاد شده را به سرعت مصرف کنند یا آن را در ساختارهای معدنی ذخیره کنند. در غیر این صورت، تجمع اکسیژن می تواند جو هلیومی را به مرور زمان تغییر دهد که خود یک نشانه زیستی واضح برای رصدگران خارجی خواهد بود.

تکامل بیومکانیکی موجودات در اتمسفر سبک

چگالی و گرانش اتمسفرهای هلیومی قوانین فیزیکی حرکت را برای جانوران احتمالی بازنویسی می کنند. از آنجا که چگالی هلیوم بسیار کمتر از هوا در زمین است، فراوری نیروی برا برای پرواز در این اتمسفر دشوارتر خواهد بود. پرندگان یا موجودات پرنده در این دنیا ها احتیاجمند بال های بسیار بزرگ تر و ساختارهای اسکلتی فوق العاده سبک تر برای حرکت در آسمان هستند.

از سوی دیگر، سرعت صوت در هلیوم تقریباً سه برابر بیشتر از هواست که این امر سیستم های ارتباط صوتی جانوران را به شدت تغییر می دهد. تارهای صوتی موجودات باید فرکانس های بسیار بالاتری فراوری کنند و ساختار شنوایی آن ها برای پردازش صداهای سریع و با فرکانس بالا تکامل یابد. این تغییرات بیومکانیکی نشان می دهد که شکل ظاهری و رفتاری حیات در این دنیا ها کاملاً با استانداردهای زمینی فرق دارد.

نامزدهای واقعی سیارات هلیومی در کهکشان

اخترشناسان تا به امروز چندین سیاره فراخورشیدی را شناسایی نموده اند که کاندیدای داشتن اتمسفر غنی از هلیوم هستند. یکی از معروف ترین نمونه ها، سیاره فراخورشیدی HAT-P-11b است که در اتمسفر آن مقادیر زیادی هلیوم با سرعت بالا در حال فرار رصد شده است. این سیاره اگرچه یک غول گازی داغ است، اما وجود هلیوم در آن اثبات می نماید که فرآیند تفکیک اتمسفری در حال رخ دادن است.

کشف این دنیا ها به یاری روش های طیف سنجی عبوری در زمان عبور سیاره از مقابل ستاره اش انجام می شود. با آنالیز نور فیلتر شده از میان جو سیاره، اثر انگشت هلیوم به وضوح نمایان می شود. تمرکز کنونی دانشمندان بر روی یافتن ابرزمین های صخره ای در کمربند زیست پذیر ستاره های کوتوله سرخ است که جو هیدروژنی خود را از دست داده و اکنون پوششی از هلیوم دارند.

شبیه سازی های آزمایشگاهی حیات در گازهای نجیب

در آزمایشگاه های زیست شیمی روی زمین، محققان میکروارگانیسم های مختلف را در محیط های تحت فشار هلیوم و سایر گازهای نجیب کشت داده اند. نتایج شگفت انگیز این آزمایش ها نشان می دهند که بسیاری از باکتری ها و مخمرها نه تنها در این شرایط زنده می مانند، بلکه نرخ رشد و فراوریمثل طبیعی خود را حفظ می کنند. این آزمایش ها فرضیه سمی بودن یا ممانعت کننده بودن هلیوم را کاملاً رد نموده اند.

این آزمایش های بیولوژیکی ثابت می کنند که غشای سلولی توانایی حفظ پایداری ساختاری خود را در برابر نفوذ گازهای نجیب دارد. از آنجا که هلیوم از نظر شیمیایی با اجزای سلولی واکنش نمی دهد، خللی در حمل و نقل فعال مواد مغذی به وسیله غشا ایجاد نمی شود. این یافته های آزمایشگاهی گام بزرگی در جهت تایید زیست پذیری نظری این دنیا های بیگانه به شمار می روند.

10. فرار اتمسفری و پایداری بلندمدت جوهای هلیومی

یکی از دغدغه های اصلی در خصوص پایداری جوهای هلیومی، فرار گازها به فضای بیرونی است. هلیوم به علت سبک بودن به راحتی از گرانش سیارات کوچک فرار می نماید، مگر اینکه سیاره دارای میدان مغناطیسی قوی و جاذبه کافی باشد. برای اینکه یک دنیا هلیومی بتواند میلیاردها سال جو خود را حفظ کند تا حیات فرصت تکامل داشته باشد، به شرایط خاصی احتیاج دارد.

وجود هسته فلزی فعال و فراوری میدان مغناطیسی، نقشی کلیدی در محافظت از اتمسفر در برابر بادهای ستاره ای ایفا می نماید. سیاراتی که در فواصل مناسب از ستاره های کم فروغ قرار دارند، می توانند اتمسفر هلیومی خود را برای دوره های زمین شناسی طولانی حفظ کنند. این پایداری جوی به نوبه خود ثبات لازم را برای شکل گیری چرخه های بیوشیمیایی پیچیده و تکامل ارگانیسم ها فراهم می آورد.

11. ردیابی نشانه های زیستی در اتمسفرهای هلیومی

اگر حیاتی در یک دنیا هلیومی وجود داشته باشد، چگونه می توانیم آن را از فاصله سال های نوری تشخیص دهیم؟ نشانه های زیستی (Biosignatures) در این سیارات با زمین متفاوت خواهند بود. به عنوان مثال، وجود همزمان متان و کربن دی اکسید در یک جو تحت سلطه هلیوم، بدون وجود هیدروژن آزاد فراوان، می تواند نشان دهنده فعالیت های بیولوژیکی باکتری های متانوژن باشد.

بعلاوه، عدم تعادل شیمیایی در گازهای کمیاب اتمسفر می تواند نشانه ای از چرخه حیات غیرعادی باشد. تلسکوپ های فضایی آینده با قابلیت تحلیل دقیق تر طیف های نوری، در پی ردیابی این گازهای نامتعادل خواهند بود. این تحلیل های پیچیده به ما اجازه می دهند تا بدون احتیاج به سفر فیزیکی، پویایی شیمیایی سطحی این دنیا ها را مدل سازی و ارزیابی کنیم.

12. بازتعریف مرزهای زیست پذیری در کیهان

مطالعه دنیا های هلیومی ما را ناگزیر می نماید تا در مفاهیم سنتی منطقه زیست پذیر (Habitable Zone) تتازهنظر کنیم. معیارهای ما که سال ها بر پایه آب مایع و جو اکسیژن دار بنا شده بود، اکنون باید با سناریوهای فیزیکی و شیمیایی بسیار متنوع تری سازگار شوند. حیات نشان داده است که در هر گوشه ای که انرژی و حلال مناسب وجود داشته باشد، راهی برای ظهور پیدا می نماید.

این رویکرد تازه علمی، شانس ما را برای یافتن نشانه های حیات فرازمینی به شدت افزایش می دهد، زیرا تعداد سیارات با اتمسفرهای غیرمتعارف بسیار بیشتر از سیارات دوقلوی زمین است. باز کردن فکر به روی این احتمالات عجیب، نه تنها علم اخترزیست شناسی را متحول می نماید، بلکه درک عمیق تری از پدیده شگفت انگیز حیات و انعطاف پذیری بی نظیر آن در پهنه کیهان به ما می بخشد.

جمع بندی نهایی

آنالیز پتانسیل زیستی در دنیا های با اتمسفر غنی از هلیوم نشان می دهد که مرزهای زیست پذیری کیهانی بسیار فراتر از الگوهای اکسیژن محور زمین است. هلیوم به عنوان یک بستر فیزیکی خنثی و عاری از سموم، مانعی برای شکل گیری فرآیندهای شیمیایی پیش زیستی ایجاد نمی نماید و ارگانیسم های بی هوازی می توانند با تکیه بر چرخه های متابولیکی جایگزین در آن رشد کنند. اگرچه چالش هایی مانند فرار اتمسفری و رسانایی حرارتی بالا در این سیارات وجود دارد، اما قوانین فیزیک و زیست شیمی مانع از تکامل حیات تحت این شرایط بیگانه نیستند و این موضوع، افق های تازهی را در کشف حیات فرازمینی می گشاید.

پرسش های رایج در خصوص سیارات هلیومی

1. آیا گاز هلیوم می تواند برای موجودات زنده سمی باشد؟

خیر، هلیوم از نظر شیمیایی کاملاً بی اثر است و در واکنش های سلولی شرکت نمی نماید. به همین علت، این گاز هیچ گونه اثر بیولوژیکی سمی بر ساختار آنزیم ها و پروتئین ها ندارد. در واقع، بی اثری آن باعث می شود که محیطی پایدار و بدون واکنش های اکسیداسیون مخرب برای ترکیبات آلی فراهم شود. آزمایش های آزمایشگاهی نیز بقای طولانی مدت میکروارگانیسم ها را در این گاز تایید نموده اند.

2. دمای سطحی یک سیاره با اتمسفر هلیوم خالص چگونه تنظیم می شود؟

هلیوم دارای رسانایی حرارتی بسیار بالایی در مقایسه با گازهای اتمسفر زمین است. این ویژگی باعث می شود گرما به سرعت در سراسر سیاره پخش شده و تفاوت دمای شب و روز کاهش یابد. با این حال، به علت عدم توانایی هلیوم در ایجاد اثر گلخانه ای قوی، سیاره به گازهای دیگری مانند متان یا دی اکسید کربن برای به دام انداختن حرارت ستاره احتیاج دارد. در غیر این صورت، سطح سیاره ممکن است به شدت سرد و یخ زده شود.

3. حیات در غیاب اکسیژن چگونه در این دنیا ها انرژی فراوری می نماید؟

ارگانیسم ها در این دنیا ها از متابولیسم های بی هوازی مانند متانوژنز یا کاهش سولفات استفاده می کنند. در این فرآیندها، انرژی شیمیایی از واکنش میان هیدروژن، دی اکسید کربن یا ترکیبات گوگردی به دست می آید. این روش های فراوری انرژی بسیار باستانی هستند و روی زمین نیز در محیط های بدون اکسیژن کاربرد دارند. بنابراین غیاب اکسیژن اتمسفری، مانع اصلی برای تامین انرژی سلول ها به شمار نمی رود.

4. تکلم و فراوری صدا در اتمسفر هلیومی چه تفاوتی با زمین دارد؟

سرعت صوت در گاز هلیوم تقریباً سه برابر سریع تر از سرعت آن در جو زمینی است. این امر باعث می شود که فرکانس صداهای فراوری شده بسیار بالاتر رفته و صداها زیرتر به گوش برسند. اندام های صوتی و شنوایی موجودات در این دنیا ها باید برای فراوری و درک این فرکانس های بالا تکامل یابند. ارتباط صوتی در چنین فضایی احتیاجمند ساختارهای بیولوژیکی متفاوتی برای پردازش سریع سیگنال ها است.

5. آیا موجودات پرنده می توانند در جو هلیومی به راحتی پرواز کنند؟

پرواز در جو هلیومی به علت چگالی کمتر این گاز نسبت به هوا بسیار دشوارتر است. نیروی برا یا بالابرنده کمتری در این اتمسفر فراوری می شود که کار را برای بال زدن سخت می نماید. در نتیجه، جانوران پرنده احتمالی باید بال هایی با مساحت بسیار بزرگ تر و ماهیچه های پروازی قوی تری داشته باشند. بعلاوه وزن بدن آن ها باید به طرز چشمگیری کاهش یابد تا توانایی غلبه بر این محدودیت فیزیکی را داشته باشند.

6. چگونه اتمسفرهای هلیومی در طول زمان پایدار می مانند و فرار نمی کنند؟

برای حفظ هلیوم سبک، سیاره باید گرانش کافی و ترجیحاً یک میدان مغناطیسی قوی داشته باشد. میدان مغناطیسی مانع از برخورد مستقیم بادهای ستاره ای شده و از فرار گازهای اتمسفر جلوگیری می نماید. بعلاوه قرار گرفتن در فواصل دورتر از ستاره های بسیار فعال به پایداری این جوها یاری می نماید. تحت این شرایط خاص فیزیکی، اتمسفر هلیومی می تواند میلیاردها سال پابرجا بماند.

7. آیا ممکن است آب مایع در حضور جو هلیوم خالص وجود داشته باشد؟

بله، وجود آب مایع ارتباط مستقیمی با فشار اتمسفر و دمای سطحی سیاره دارد، نه نوع گاز تشکیل دهنده آن. تا زمانی که فشار کل اتمسفر هلیومی به میزان کافی بالا باشد و دما در محدوده مناسب قرار گیرد، آب مایع پایدار می ماند. هلیوم با آب واکنش نمی دهد و ترکیب شیمیایی آن را در اقیانوس ها تغییر نخواهد داد. بنابراین، چرخه آب و اقیانوس ها می توانند به راحتی در این دنیا ها شکل بگیرند.

پیشنهاد اختصاصی سردبیر (علیرضا مجیدی)

این مقاله مجذوب کننده و جالب بود؟! پس برای خواندن این نوشته های مرتبط کلیک کنید:

• ستاره شناسان پیروز به کشف اتمسفر در یک سیاره صخره ای زیست پذیر شدند