العلماء يبتكرون خطة جديدة لدراسة الصخور الأكثر إثارة على المريخ

إن أكثر الصخور إثارة التي عرفها العلم هي قطعة من الحجر الطيني بحجم مكتب مدرسي عالقة حاليًا على سطح المريخ.

تشكلت هذه الصخرة من رواسب دقيقة مغسولة بالمياه على أرضية بحيرة مفقودة منذ فترة طويلة – منذ حوالي 3.5 مليار سنة، عندما كان المريخ عالمًا أكثر دفئًا ورطوبة – وتم العثور على الصخرة في عام 2024 من قبل العلماء باستخدام مركبة بيرسيفيرانس الجوالة التابعة لناسا لاستكشاف ما يعرف الآن باسم جيزيرو كريتر. وقد برز الحجر الطيني، الذي أُطلق عليه اسم شلالات شيافا، أمام الباحثين لأن سطحه كان مليئًا ببقع غريبة ونقط على شكل حلقة، والتي أشاروا إليها باسم بذور الخشخاش وبقع النمر. واكتشفوا أيضًا أنها كانت مليئة بالمواد العضوية، وهي مركبات كيميائية من الكربون، وهي حجر الزاوية في علم الأحياء كما نعرفه.

تحتوي الصخور الغنية بالمواد العضوية هنا على الأرض في بعض الأحيان على سمات مماثلة، والتي تميل إلى أن تنشأ عن طريق الحياة الميكروبية. وبعد دراسات متابعة مضنية مع المركبة الجوالة، أعلن فريق بيرسيفيرانس في وقت سابق من هذا العام أن الميكروبات الغريبة القديمة قد يكون أفضل تفسير لبقع وبذور الصخور المريخية أيضًا.

حول دعم الصحافة العلمية

إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.

لمعرفة ما إذا كانت شلالات تشيافا دليلاً على وجود حياة سابقة على المريخ – أو بدلاً من ذلك مجرد كيمياء عضوية هامدة – يريد علماء الأحياء الفلكية إعادة بعض الصخور إلى الأرض لإجراء دراسة أقرب. لكن البرنامج الدولي الذي تقوده وكالة ناسا للقيام بذلك، والمعروف باسم عودة عينة المريخ (MSR)، أصبح في مأزق سياسي، حيث يعاني من تضخم التكاليف وضعف الدعم الفيدرالي. حتى لو تم المضي قدمًا في MSR كما هو مخطط له، فإن عينات Perseverance التي حصلت عليها بشق الأنفس من شلالات Cheyava وغيرها من المواد المريخية لن تصل قبل عام 2040.

لم يكتف كادر من العلماء بتنظيم من مختبر الدفع النفاث التابع لوكالة ناسا (JPL) بالجلوس مكتوفي الأيدي، ويتبعون خطة جريئة ب. وبدلاً من انتظار وصول قطع من شلالات تشيافا إلى الأرض، سيحاول الباحثون زراعة أكثر سمات الصخور غموضًا لأنفسهم في أحجار طينية منسقة أو مصنعة بعناية. ومن خلال إخضاع هذه المحاكاة – التي سيحمل بعضها ميكروبات أرضية، بينما سيكون بعضها الآخر بطيئًا ومعقمًا – لظروف معملية تحاكي ما هو معروف عن المريخ المبكر، يأمل الفريق في معرفة كيف حصلت شلالات تشيافا على مواقعها بالفعل.

يقول جويل هورويتز، عالم الجيولوجيا في جامعة ستوني بروك وعضو فريق بيرسيفيرانس العلمي، والمطلع على هذا العمل: “خذ أفضل تخمين لديك بشأن ما كان في الوحل. خذ أفضل تخمين لديك بشأن طبيعة المادة العضوية. حركهما معًا، ودعهما يستقران في القاع، وشاهد ما يحدث”.

لن يكون هذا النهج قادرًا على إثبات أو دحض وجود حياة سابقة على المريخ بشكل نهائي. ولكن من خلال رسم كل الطرق التي يمكن تصورها لصنع البذور والبقع في المختبر، يمكن للعلماء تحديد ما إذا كان من المرجح أن تكون الميزات الواضحة في شلالات تشيافا قد تم صنعها باستخدام الميكروبات أو بدونها.

طبخ بذور الخشخاش وبقع الفهد

يدين الكون بالكثير لسلوك الإلكترونات. سواء كنا نتحدث عن الموت الانفجاري للنجوم، أو تكوين الكواكب، أو الطقس أو المخلوقات التي تعيش تحته، فغالبًا ما تقود الإلكترونات الكيمياء التي تجعل الأشياء تحدث.

يُعرف أحد الأنواع المهمة بشكل خاص من الدراما الكيميائية بتفاعل الأكسدة والاختزال، أو الأكسدة والاختزال. الأكسدة تنطوي على فقدان الإلكترونات، في حين أن الاختزال هو اكتساب الإلكترونات. تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال في كل مكان، وفي كل وقت، وفي جميع أنواع البيئات، وهي ضرورية للأداء الطبيعي للكائنات الحية، مما يسمح للكائنات بالحصول على الطاقة، والحفاظ على العمليات الخلوية الأساسية وحتى حماية نفسها من الأخطار الخارجية.

لم يتوقع أحد أن يرى كائنات متحجرة، أو حتى جثث ميكروبية محفوظة بالضرورة، على سطح المريخ. لكن العثور على أدلة ضئيلة على تفاعلات الأكسدة والاختزال المدفوعة بيولوجيًا كان أمرًا معقولًا للغاية، ويُعد نتوء شلالات تشيافا – وبيئته الأوسع – مكانًا شبه مثالي للبحث فيه.

يقول سانجيف جوبتا، عالم الأرض في إمبريال كوليدج لندن وعضو في فريق المركبة الجوالة بيرسيفيرانس: “إنهم يسجلون بيئة قديمة صالحة للسكن”. وفي داخلها، حصلت المثابرة على كمية كبيرة من المواد العضوية. كما شهدت أيضًا عقيدات صغيرة وملامح أكبر تشبه الهالة: بذور الخشخاش وبقع النمر، على التوالي. كل من بذور الخشخاش وبقع النمر هي الكتابة على الجدران التي خلفتها رحلات مكوكية للإلكترونات تشبه الأكسدة والاختزال.

تحتوي بذور الخشخاش على شكل مخفض من الحديد، Fe(II)، الموجود في معدن يسمى فيفيانيت (يُرى على شكل بقع سوداء). يتم إنتاج Fe(II) عندما يكتسب Fe(III) الموجود مسبقًا إلكترونًا. تم العثور على Fe(III)، النسخة المؤكسدة من هذا الحديد، داخل طين شلالات تشيافا الأصلي.

تحتوي بقع النمر أيضًا على الحديد (II) في شكلين معدنيين مختلفين: الفيفيانيت (الذي يظهر كحواف داكنة) والجريجيت (الذي يوجد داخل البقع). تحتوي البقع أيضًا على كبريتيدات، وهي شكل مخفض من الكبريتات الموجودة مسبقًا والتي توجد أيضًا في طين شلالات تشيافا؛ تعتبر الكبريتيدات أيضًا جزءًا من معدن الجريجيت.

يقول جوبتا إن البذور والبقع هي في الأساس “تفاعل كيميائي متحجر”. وأي تجارب على الأرض تأمل في إعادة إنشائها ستتخذ أحد المسارين المحتملين: أحدهما ينشر الميكروبات والآخر لا يفعل ذلك.

أولاً، دعونا نلقي نظرة على الخيارات غير البيولوجية. تتمثل إحدى طرق تحويل الحديد (III) والكبريتات إلى الحديد (II) والكبريتيدات في تسخين المكونات الموجودة في تلك الأوحال والانتظار. يقول مايكل تايس، عالم الأحياء الجيولوجية في كلية تكساس إيه آند إم للفنون والعلوم وعضو فريق بيرسيفيرانس العلمي: “هذا رد فعل يمكن أن يحدث بدون حياة. لكنه بطيء بشكل لا يصدق”. ويعني بالبطء احتمالية ملايين السنين.

التشبيه الجيد هو السكر والأكسجين. يمكن أن يتفاعل الاثنان لإطلاق طاقة كيميائية وفيرة، لكن الحرارة القوية المستمرة هي ما يجعل ذلك يحدث حقًا. لا يتفاعل السكر كثيرًا مع الأكسجين بمجرد وضعه على طاولة مطبخك. وبالمثل، لن تحصل على ميزات شلالات تشيافا إلا إذا قمت بخبز الطين الأصلي في درجات حرارة عالية تصل إلى 150 درجة مئوية أو أكثر. ومع ذلك، لم تكشف مركبة بيرسيفيرانس الجوالة التابعة لناسا عن أي دليل على مثل هذا الطهي في شلالات تشيافا، ويبدو أن البذور والبقع قد تكونت بعد وقت قصير من ترسب الطين.

الآن دعونا نلقي نظرة على المسار الميكروبي. ولو أن هذا الحجر الطيني قد تشكل بدلاً من ذلك من قاع بحيرة على الأرض، لكان من المتوقع أن “تستهلك” الميكروبات السائدة المادة العضوية وتكتسب الطاقة بشكل فعال من اختزال الحديد (III) والكبريتات. قد يحدث هذا بسرعة نسبية؛ لأن الميكروبات الأرضية تنشر إنزيمات قوية تخفف من عتبات التفاعل النشطة؛ لا حاجة للطهي بدرجة حرارة عالية. يقول جوبتا: “إنه بالضبط المكان الذي تتوقع أن تعيش فيه الميكروبات”.

أهمس: بناءً على الأدلة الحالية، يبدو أن الميكروبات هي التي صنعت هذه البذور والبقع أكثر من النشاط الجيولوجي. لكن المشكلة هي أن المسارين الكيميائيين “يبدأان بنفس المواد المتفاعلة وينتهيان بنفس المنتجات”، كما يقول مورجان كيبل، عالم الأبحاث في مجموعة الدراسات المخبرية في مختبر الدفع النفاث وعضو فريق بيرسيفيرانس العلمي. “رد الفعل هو نفسه في الأساس. وهنا تصبح الأمور صعبة.”

كيمياء المختبر

بفضل الاستطلاع المداري من المركبات الفضائية والحقيقة الأرضية من المركبات الجوالة، لدينا بالفعل فكرة جيدة عما كانت عليه فوهة جيزيرو في أيامها الذهبية منذ عصور مضت. وفقًا للمعايير المريخية، كانت أرض العجائب المائية، حيث تتدفق المياه عبر القنوات لتشكل وتغذي بحيرة فوهة بركانية، مما أدى إلى تراكم دلتا مترامية الأطراف من الرواسب المنجرفة، وكل ذلك تحت سماء أكثر دفئًا وأكثر سمكًا وغنية بثاني أكسيد الكربون. ومن اللافت للنظر أن العلماء يمكنهم إعادة إنشاء أجزاء من هذا العالم الماضي في مختبراتهم الحديثة.

يمكن الاحتفاظ بغرف الاختبار عند درجات الحرارة المناسبة لمحاكاة ظروف المريخ، ويمكن ملؤها بعدد لا يحصى من خليط الغازات لإعادة إنتاج الضغوط والتركيبات الجوية التي سادت الكوكب في ماضيه العميق. يمكن للأحجار الطينية الاصطناعية التي يتم تصنيعها خصيصًا في المختبرات أو التي تم شراؤها مسبقًا أن تشتمل على وصفات مختلفة مستمدة من قياسات بيرسيفيرانس، مع كميات متقلبة من الأكسجين والمواد العضوية والحموضة والملوحة وما إلى ذلك.

وبمرور الوقت، وبينما تتكشف هذه المحاكاة في ظل ظروف بيئية مختلفة، يستطيع العلماء اليقظون رؤية ما يحدث، والتكيف وفقًا لذلك لاستكشاف المشهد الواسع حقًا من الاحتمالات. يقول هورويتز: “سواء كان ذلك للأفضل أو للأسوأ، فإن “نطاق التجارب التي يجب التعامل معها لا نهاية له”.

على الأرض، من المعروف أن الحياة تنتشر في كل مكان. يقول كيبل إن الحرارة يمكن أن تضمن تعقيم بعض الأحجار الطينية، على غرار الطريقة التي يمكن بها غلي الماء لإلغاء تنشيط أي حشرات مجهرية. لكن لا يمكنك فقط إشعال الحجارة الطينية، لأن ذلك من شأنه أن يغير أيضًا كيمياء البداية الشبيهة بالمريخ.

تُعرف الطريقة اللطيفة والمجربة والمختبرة لقتل الكائنات الحية الدقيقة باسم تقليل الميكروبات بالحرارة الجافة، أو DHMR. يقول كيبل: “إنها الطريقة التي نقوم بها بتعقيم المركبات الفضائية”. لن تصبح الأمور ساخنة للغاية بهذه الطريقة؛ وبدلاً من ذلك، سيتم تسخين الأحجار الطينية تدريجيًا في الظروف الجافة لمئات الساعات. وتقول: “هذا عادة ما يقتل أو يعطل معظم أشكال الحياة، بما في ذلك الجراثيم البكتيرية”. لكي نكون آمنين، يمكن للمجربين الذين يستخدمون هذه التقنية فحص التربة المفترض أنها معقمة بشكل مستمر للتأكد من عدم وجود أي ميكروبات فيها.

بالنسبة للتجارب البيولوجية المتعمدة، فإن فريق مختبر الدفع النفاث محتار في الاختيار. يمكن العثور على أنماط التفاعل التي تتوسطها الميكروبات والتي تشبه بذور الخشخاش وبقع النمر في جميع أنحاء الأرض، حيث لا تزال مرتبطة غالبًا بالنظم البيئية الميكروبية المتنوعة التي صنعتها. يقول هورويتز: “ستجدها في الوحل، وتحت الماء”، في كل من الحاضر والماضي البعيد، بدءًا من الرواسب البحرية المترسبة حديثًا قبالة شواطئ تايوان، وحتى الصخور القديمة للغاية في اسكتلندا. ومهما كان المصدر الأرضي، يحتاج الفريق ببساطة إلى تلقيح بعض أحجاره الطينية الشبيهة بالمريخ بميكروبات قادرة على التهام الحديد (III) والكبريتات بشكل جشع، وإحداث طفرة سكانية.

يقول كيبل: “سنبدأ من هنا ونرى إلى أين ستقودنا ردود الفعل هذه”. “سوف ننزل إلى العديد من جحور الأرانب المختلفة.” إلى جانب محاولة استدعاء بذور الخشخاش وبقع النمر إلى الوجود في الصخور الطازجة، يريد الفريق أيضًا معرفة كيفية منعها من النمو في المقام الأول.

يؤدي تقليل الحديد (III) إلى إنتاج طاقة أكبر من تقليل الكبريتات. ولكن إذا كانت الميكروبات متورطة، فإنها تحولت من اختزال الحديد (III) (لصنع معدن الفيفيانيت) إلى اختزال الكبريتات (لصنع معدن الجريجيت). ليس من الواضح السبب، ولكن من الغريب بالتأكيد أن العلماء يتوقعون أن تفضل الحشرات الجائعة الأطعمة الغنية بالطاقة، فلماذا يتركون “حلوى” Fe(III) دون أن يمسوها لتتناول “البروكلي” الكبريتي بدلاً من ذلك؟ يمكن أن تقدم هذه التجارب إجابات وتضع قيودًا على أنواع الميكروبات – والتركيبات الكيميائية القديمة – التي ربما كانت موجودة على المريخ قبل 3.5 مليار سنة.

يتوقع علماء المثابرة أن يؤدي عملهم في النهاية إلى إنتاج بذور الخشخاش وبقع النمر بمساعدة الحياة وبدونها. لكن الظروف البيئية المؤدية إلى كليهما من المرجح أن تكون مختلفة جذريا. بعد ذلك، يمكن للباحثين إعادة تركيزهم إلى بيرسيفيرانس – الذين ما زالوا يتجولون حول جيزيرو – لمحاولة شم الصخور الأخرى القريبة التي تكون أقرب إلى التطابقات الجيوكيميائية مع أي أحجار طينية قاموا بإقناعها بإنبات البقع الواضحة، سواء مع علم الأحياء أو بدونه.

ومن الناحية المثالية، ستواجه المركبة موقعًا مثيرًا آخر، وتكتشف المزيد من التلميحات المثيرة للحياة المريخية القديمة. يقول تايس: “أنت لا تريد خطًا واحدًا من الأدلة فحسب، بل تريد شيئًا مستقلاً تمامًا عنه يشير إلى نفس الاتجاه”.

لكن شلالات تشيافا بحد ذاتها تمثل بالفعل إثارة لفريق بيرسيفيرانس العلمي. العثور عليه كان الجزء السهل. يقول هورويتز: “الآن يبدأ العمل الشاق”.