رازهایی که ۴۹ میلیون سال پنهان ماندند؛ غاری که نگاه ما به حیات فرازمینی را تغییر می‌دهد

زمانی که هیزل بارتون، زیست‌شناس غار، وارد تاریکی مطلق شد، آخرین چیزی که انتظارش را داشت، یافتن ارگانیسم‌هایی بود که از نور انرژی می‌گیرند. او دریافت که این درک تازه از فتوسنتز در تاریکی یعنی ممکن است در بخش‌هایی از کیهان که هرگز تصورش را نمی‌کردیم، حیات وجود داشته باشد.

هیزل بارتون، استاد علوم زمین‌شناسی در دانشگاه آلاباما، می‌گوید: «دیوار به رنگ سبز روشن بود. سبزترین رنگی که تا به حال دیده بودید و با این حال، میکروب‌ها در تاریکی مطلق زندگی می‌کردند.»

در زیر دره‌های سنگی عمیق بیابان چی‌واوا در جنوب نیومکزیکو، شبکه‌ای از ۱۱۹ غار قرار دارد. این غارها که بخشی از پارک ملی کارلزبد کاورنز هستند، بین چهار تا یازده میلیون سال پیش، بر اثر حل شدن سنگ‌های آهکی به‌وسیله اسید سولفوریک شکل گرفته‌اند.

جاذبه اصلی این پارک، غار نمایشی کارلزبد کاورن است. در اینجا استالاگت‌هایی درخشان به سقف «اتاق بزرگ» آویزان‌اند؛ تالاری زیرزمینی با طول نزدیک به ۱۲۲۰ متر و عرض ۱۹۱ متر.

لارس برنت، زیست‌شناس میکروبی در دانشگاه اوپسالا سوئد، می‌گوید: «غار کارلزبد به‌راحتی در دسترس است. این غار سنگ‌آهکی بسیار بزرگی است که گردشگران می‌توانند با استفاده از پله و نردبان وارد آن شوند.»

او اضافه می‌کند که بخش‌هایی از این مجموعه غاری حتی برای افراد با صندلی چرخ‌دار قابل دسترسی است.

هر سال تقریبا ۳۵۰ هزار نفر از غار کارلزبد بازدید می‌کنند، اما اکثر آن‌ها کاملا بی‌اطلاع‌اند که این غار محل یکی از گیج‌کننده‌ترین کشفیات علمی دهه گذشته بوده است.

در سال ۲۰۱۸، لارس برنت به‌تازگی دوره دکترای خود را به پایان رسانده بود و جایزه‌ای علمی دریافت کرده بود که مبلغی پول به او اختصاص می‌داد. او با هیزل بارتون تماس گرفت و از او خواست که در یک سفر اکتشافی همراهی‌اش کند. خوشبختانه هیزل بارتون موافقت کرد.

هیزل بارتون می‌گوید: «اولین کاری که در غار کارلزبد می‌کنید، این است که مسیر گردشگران را پایین می‌روید، سپس از یک پیچ عبور می‌کنید. نمی‌دانم چند بار آن مسیر را رفته‌ام، احتمالا چهل بار. در آن نقطه که دور می‌زنید، پشت سرتان یک فرورفتگی هست، و آن‌جا کاملا تاریک است.»

هیزل بارتون بیش از بیست سال است که مشغول مطالعه حیات میکروسکوپی در اعماق زمین است. اما آن‌چه بعد از این اتفاق افتاد، حتی برای او هم شگفت‌آور بود.

لارس برنت چراغ‌قوه‌ای را به سوی دیوار تاباند. اگرچه آن فرورفتگی در تاریکی کامل بود، اما نور، لایه‌ای از میکروب‌های سبز را روی دیوار نشان داد. آزمایش‌های بعدی مشخص کرد که آن‌ها سیانوباکتر هستند. ارگانیسم‌هایی تک‌ سلولی و مرتبط با باکتری‌ها. برخلاف بیشتر باکتری‌ها، سیانوباکترها (که با نام جلبک‌های سبز-آبی نیز شناخته می‌شوند) از نور خورشید برای تهیه غذا استفاده می‌کنند.

هیزل بارتون می‌گوید: «ما شروع کردیم به رفتن به اعماق بیشتر غار. در نهایت به جایی رسیدیم که بدون چراغ نمی‌توانستیم چیزی ببینیم. باید از چراغ پیشانی استفاده می‌کردیم تا دستمان را جلوی صورتمان ببینیم، و با این حال هنوز هم رنگ‌دانه‌های سبز روی دیوار دیده می‌شد.»

رنگ سبز گیاهان به دلیل وجود ماده‌ای به نام کلروفیل است که انرژی نور را جذب می‌کند. در فرایند فتوسنتز، این انرژی برای تبدیل دی ‌اکسیدکربن و آب به گلوکز و اکسیژن استفاده می‌شود. این فرایند در سیانوباکترها نیز تقریبا به همین صورت است. اما در این‌جا، در این غار، خبری از نور خورشید نبود.

پس چه اتفاقی در جریان بود؟

مشخص شد که سیانوباکترهای موجود در این غار نوع خاصی از کلروفیل دارند که می‌تواند نور نزدیک به مادون قرمز را جذب کند. این نور، طول موجی بلندتر از نور مرئی دارد و درست قبل از مادون قرمز در طیف الکترو مغناطیسی قرار دارد. چشم انسان قادر به دیدن آن نیست.

در حالی‌ که گیاهان و سیانوباکترها معمولا از کلروفیل آ برای فتوسنتز استفاده می‌کنند، سیانوباکترهای غارهای کارلزبد از کلروفیل دی و اف بهره می‌برند که می‌توانند از نور نزدیک به مادون قرمز انرژی تولید کنند.

اگرچه نور مرئی تنها سی متر درون غار نفوذ می‌کند، اما نور نزدیک به مادون قرمز به دلیل ویژگی بازتابنده سنگ‌های آهکی به‌مراتب بیشتر نفوذ می‌کند. هیزل بارتون می‌گوید: «سنگ آهکی که غار از آن تشکیل شده تقریبا تمام نور مرئی را جذب می‌کند، اما برای نور نزدیک به مادون قرمز، غارها تقریبا مثل تالار آینه‌ها هستند.»

در واقع، وقتی پژوهشگران نور را در انتهایی‌ترین بخش غار، جایی که تاریک‌ترین نقطه بود، اندازه‌گیری کردند، دریافتند که میزان نور نزدیک به مادون قرمز در آنجا ۶۹۵ برابر بیشتر از ورودی غار است. هم‌ زمان، سیانوباکترهای دارای کلروفیل دی و اف در همه بخش‌های غار یافت شدند، اما در عمیق‌ترین و تاریک‌ترین بخش‌ها، تراکم بیشتری داشتند.

پژوهشگران همچنین به سایر غارهای پارک ملی کارلزبد کاورنز رفتند و غارهای دورافتاده‌تری را بررسی کردند. در همه آن‌ها میکروب‌هایی فتوسنتزکننده در اعماق زمین یافتند.

لارس برنت می‌گوید: «ما نشان دادیم که آن‌ها نه تنها در آنجا زندگی می‌کنند، بلکه در محیطی کاملا محفوظ، که احتمالا برای ۴۹ میلیون سال دست‌نخورده باقی مانده، فتوسنتز می‌کنند.»

هیزل بارتون و لارس برنت تنها دانشمندانی نیستند که میکروب‌هایی را یافته‌اند که می‌توانند در تاریکی زندگی کنند.

در سال ۱۸۹۰، سرگی نیکولایویچ وینوگرادسکی، میکروبیولوژیست پیشگام اوکراینی-روسی، کشف کرد که برخی میکروب‌ها می‌توانند با استفاده از فرایندی به‌نام شیمیوسنتز صرفا از ماده غیرآلی تغذیه کنند. این میکروب‌ها انرژی خود را از واکنش‌های شیمیایی به دست می‌آورند، و موادی مانند متان یا سولفید هیدروژن را از سنگ‌ها و آب اطراف جذب می‌کنند.

در سال ۱۹۹۶، هیده‌آکی میاشیتا که در آن زمان در برنامه پسا‌دکتری ناسا دانشجو بود، نوعی سیانوباکتری دریایی به‌نام آکاریوکلوریس مارینا کشف کرد که می‌توانست با استفاده از نور مرئی و نزدیک به مادون قرمز فتوسنتز کند. این کشف، آغازگر دهه‌ها تحقیق درباره طول موج‌های لازم برای فتوسنتز شد.

سپس، در سال ۲۰۱۸، دانشمندان کالج سلطنتی لندن، سیانوباکتری‌هایی فتوسنتزکننده را در شرایط کم‌ نور در پارک ملی یلواستون و همچنین درون سنگ‌های ساحلی در استرالیا یافتند. آن‌ها حتی توانستند میکروب‌های فتوسنتزکننده را در یک کمد تاریک که با ال‌ای‌دی‌های مادون قرمز تجهیز شده بود، رشد دهند. در هر مورد، سیانوباکترها از کلروفیل آ برای فتوسنتز با نور مرئی استفاده می‌کردند و سپس به کلروفیل اف برای استفاده از نور مادون قرمز که خارج از دید انسان است، روی می‌آوردند.

این یافته‌ها پیامدهایی برای آنچه ممکن است حیات در دیگر سیارات باشد دارد. هنگام جست ‌و جو برای یافتن سیارات زیست‌پذیر، سیاراتی که به دور ستاره‌ای در منظومه‌ای دیگر می‌چرخند، نوع ستاره‌ای که آن سیاره به دورش می‌چرخد، اهمیت دارد.

در کیهان، هفت نوع ستاره او، بی، ای، اف، جی، کی و ام وجود دارد که به ترتیب از داغ‌ترین تا سردترین دسته‌بندی می‌شوند. ستاره‌های نوع او و بی داغ‌ترین، پرجرم‌ترین و درخشان‌ترین ستاره‌های جهان‌اند و رنگ سفید-آبی دارند.

هیزل بارتون می‌گوید: «این‌ها ستاره‌هایی کاملا جدیدند که به‌تازگی شکل گرفته‌اند. آن‌ها مقدار زیادی اشعه فرابنفش تولید می‌کنند، پس برای حیات سمی‌اند.»

هرچه ستاره‌ها پیرتر می‌شوند، سردتر شده و به ستاره‌های نوع آ، سپس اف و در نهایت جی تبدیل می‌شوند. ستاره‌های نوع جی که خورشید ما نیز یکی از آن‌ها است، زردرنگ‌اند و دوره «نوجوانی» حیات یک ستاره را نشان می‌دهند. این ستاره‌ها در طیف نور مرئی نور ساطع می‌کنند و از نظر نظری مکان‌های مناسبی برای جست ‌و جوی حیات‌ هستند. اما ستاره‌های جی تنها ۸ درصد از یک میلیارد تریلیون ستاره کیهان را تشکیل می‌دهند. همچنین، این ستاره‌ها سوخت خود را نسبتا سریع مصرف می‌کنند، و بنابراین، پنجره‌ای کوتاه برای ظهور حیات دارند.

وقتی سوختشان به پایان می‌رسد و سرد می‌شوند، جرم زیادی را از دست می‌دهند و به ستاره‌های میانسال تبدیل می‌شوند. این ستاره‌های نوع کی وام به‌دلیل رنگ قرمز تیره‌شان با عنوان کوتوله قرمز شناخته می‌شوند. تاکنون، تمام ۵ هزار سیاره فراخورشیدی کشف‌شده به دور ستاره‌های نوع ام می‌چرخند. عمدتا به‌دلیل روشی که اخترشناسان برای شناسایی سیارات استفاده می‌کنند.

هیزل بارتون می‌گوید: «اگر بخواهید این کار را با یک ستاره نوع جی انجام دهید، مثل این است که بخواهید با دوربین دو چشمی به خورشید نگاه کنید. چیزی نخواهید دید.»

ستاره‌های کوتوله قرمز جرم کمی دارند، بنابراین سیارات آن‌ها معمولا در مدارهای نزدیک‌تری می‌چرخند و همین امر باعث می‌شود آسان‌تر دیده شوند. دلیل دیگر این‌که چرا ستاره‌های نوع ام برای دانشمندان در جست ‌و جوی سیارات فراخورشیدی این‌قدر مهم بوده‌اند، فراوانی آن‌ها است. با این حال، در حال حاضر تصور می‌شود که ستاره‌های کوتوله قرمز منطقه زیست‌پذیر بسیار محدودی دارند. ناحیه‌ای نزدیک به ستاره که شرایط نه آن‌قدر داغ است که آب تبخیر شود و نه آن‌قدر سرد که یخ بزند.

از آنجا که وجود آب مایع برای حیات در زمین ضروری است، این معیار که با عنوان «ناحیه گلدی‌لاکس» ستاره شناخته می‌شود، همان چیزی است که اختر زیست‌شناسان هنگام جست ‌و جوی حیات فرازمینی بر آن تمرکز کرده‌اند.

تاکنون ده‌ها کاندیدا یافته شده‌اند. اما همه این سیارات نمی‌توانند میزبان حیات باشند، و جهت‌دهی تلسکوپ‌هایی مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب زمان و منابع قابل‌توجهی می‌طلبد.

یکی دیگر از عوامل مهم برای امکان‌پذیری وجود حیات، توانایی انجام فتوسنتز است. در زمین، فتوسنتز پایه بیشتر زنجیره‌های غذایی است و اکسیژنی را که تنفس می‌کنیم تولید می‌کند. به همین دلیل منطقی است که جست ‌و جو را به سیاراتی محدود کنیم که می‌توانند از فتوسنتز پشتیبانی کنند. این امر می‌تواند ناحیه‌ای را که در اطراف یک ستاره برای حیات مناسب است، به‌شدت کاهش دهد.

در گذشته، اختر زیست‌شناسان حداکثر طول موج مناسب برای فتوسنتز را ۷۰۰ نانومتر در طیف نور می‌دانستند، یعنی معادل رنگ قرمز. این نقطه‌ای است که در آن، کارایی فتوسنتز با کلروفیل آ کاهش می‌یابد. اما سیانوباکتری‌هایی که در سیستم غاری کارلزبد کشف شدند، می‌توانند نوری تا طول موج ۷۸۰ نانومتر را با کلروفیل اف جذب کنند.

هیزل بارتون می‌گوید: «بیشتر ستاره‌های کهکشان ما از نوع ام و کی هستند. این یعنی اکثر ستاره‌های کهکشان ما نور نزدیک به مادون قرمز ساطع می‌کنند، و با این‌حال ما تقریبا هیچ نمی‌دانیم که فتوسنتز و حیات چگونه می‌توانند تحت شرایط نوری این نوع ستاره‌ها زنده بمانند.»

هیزل بارتون قصد دارد این وضعیت را تغییر دهد. او به همراه لارس برنت، طرحی را به ناسا ارائه داده‌اند تا محدوده‌ای را که در آن حیات فتوسنتزکننده می‌تواند دوام بیاورد مشخص کنند. این کار مستلزم رفتن به عمیق‌ترین نقاط تاریک‌ترین غارها برای اندازه‌گیری دقیق میزان نوری است که سیانوباکترها برای بقا نیاز دارند.

این اطلاعات سپس می‌تواند برای محدود کردن دامنه جست ‌و جو برای جهان‌های زیست‌پذیر استفاده شود. به عنوان مثال، با استفاده از تلسکوپ جیمز وب، دانشمندان می‌توانند مقدار و نوع نوری را که به سیارات فراخورشیدی می‌رسد، اندازه بگیرند.

هیزل بارتون می‌گوید: «کاری که ما می‌خواهیم انجام دهیم این است که مشخص کنیم طولانی‌ترین طول موج و کمترین میزان نوری که می‌شود با آن فتوسنتز کرد، چیست.»

او می‌افزاید: «آن‌وقت می‌توانیم از میان ۱۰۰ میلیارد ستاره احتمالی که تلسکوپ فضایی جیمز وب می‌تواند به آن‌ها نگاه کند، فهرست را به مثلا ۵۰ ستاره کاهش دهیم که احتمالا این ستاره‌ها میزبان حیات هستند.»

به بیان دیگر، این پژوهش می‌تواند منجر به گسترش دیدگاه اخترزیست‌شناسان درباره انواع جهان‌هایی شود که ممکن است توانایی پشتیبانی از حیات را داشته باشند.

تنها کاری که باقی می‌ماند این است که تلسکوپ جیمز وب را به سمت ستاره مورد نظر نشانه رفت و منتظر عبور سیارات از جلوی آن شد. وقتی نور ستاره از جو سیاره عبور می‌کند، فرکانس‌های خاصی از نور بر اساس عناصری که در جو وجود دارند، جذب می‌شود. از این طریق، اخترشناسان می‌توانند با بررسی خطوط غایب در طیف جذب نور تشخیص دهند که آیا عناصر خاصی که ممکن است نشانه‌ای از وجود حیات باشند، مانند اکسیژن در جو آن سیاره وجود دارد یا نه.

هیزل بارتون می‌گوید: «راه‌های بسیار بسیار کمی وجود دارد که اکسیژن بدون حضور حیات در جو یک سیاره تولید شود. پس اگر بتوانید اکسیژن را در جو یکی از این سیارات فراخورشیدی پیدا کنید، این نشانه بسیار بسیار قدرتمندی از احتمال وجود حیات است.»