حقوق الصورة: ESA
يستغرق الأمر ما لا يقل عن ثلاثة عناصر لإيواء الحياة كما نعرفها: الماء والطاقة والغلاف الجوي. بين المريخ والأقمار حول كل من المشتري وزحل ، هناك دليل على واحد أو اثنين من هذه العناصر الثلاثة ، ولكن القليل معروف إذا كانت هناك مجموعة كاملة متاحة. فقط قمر زحل ، تيتان ، لديه جو مشابه لضغط الأرض ، وهو أكثر سمكا بكثير من المريخ (1 ٪ من ضغط مستوى سطح البحر).
النقطة الأكثر إثارة للاهتمام حول محاكاة ضباب تيتان الهيدروكربوني هي أن هذا المكون الضبابي يحتوي على جزيئات تسمى الثولين (من الكلمة اليونانية ، الموحلة) التي يمكن أن تشكل أسس لبنات الحياة. على سبيل المثال ، تتكون الأحماض الأمينية ، وهي إحدى كتل بناء الحياة الأرضية ، عندما توضع هذه الجسيمات الشبيهة بالدخان الأحمر البني في الماء. كما أشار كارل ساجان ، يمكن اعتبار تيتان موازًا واسعًا للجو الأرضي المبكر فيما يتعلق بالكيمياء ، وبهذه الطريقة ، فإنه ذو صلة بالتأكيد بأصول الحياة.
هذا الصيف ، من المقرر أن تذهب المركبة الفضائية كاسيني ، التي أطلقت في عام 1997 ، إلى مدار حول زحل وأقماره لمدة أربع سنوات. في أوائل عام 2005 ، من المقرر أن يغرق مسبار Huygens الصاعد في جو Titan الضبابي ويهبط على سطح القمر. هناك 12 أداة على متن مركبة كاسيني المركبة الفضائية ، و 6 أجهزة على متن مسبار Huygens. تم توجيه مسبار Huygens في المقام الأول نحو أخذ عينات من الغلاف الجوي. تم تجهيز المسبار لأخذ القياسات وتسجيل الصور لمدة تصل إلى نصف ساعة على السطح. لكن المسبار ليس له أرجل ، لذلك عندما ينزل على سطح تيتان ، سيكون اتجاهه عشوائيًا. وقد لا يكون هبوطها من قبل موقع يحمل مواد عضوية. يتم تحديث صور مكان وجود كاسيني في مدارها الحالي باستمرار وتكون متاحة للعرض مع تقدم المهمة.
أتيحت لمجلة علم الأحياء الفلكي فرصة للتحدث مع عالم الأبحاث جان ميشيل برنارد من جامعة باريس حول كيفية محاكاة كيمياء تيتان المعقدة في أنبوب اختبار أرضي. تعتمد محاكاة محاكاة بيئة تيتان على حساء البريبايوتيك الكلاسيكي ، الذي ابتكره لأول مرة قبل خمسين عامًا باحثون من جامعة شيكاغو ، هارولد أوري وستانلي ميللر.
مجلة علم الأحياء الفلكي (AM): ما الذي أثار اهتمامك أولاً بالكيمياء الجوية لتيتان؟
جان ميشيل برنارد (JB): كيف يمكن لجزيئين بسيطين (النيتروجين والميثان) إنشاء كيمياء معقدة للغاية؟ هل تصبح الكيمياء الكيمياء الحيوية؟ تسمح الاكتشافات الأخيرة للحياة في الظروف القاسية على الأرض (البكتيريا في القطب الجنوبي عند -40 درجة مئوية والأثرية عند أكثر من +110 درجة مئوية بالقرب من المصادر الحرارية المائية) بافتراض أن الحياة يمكن أن تكون موجودة في عوالم أخرى وغيرها الظروف.
يمتلك تيتان اهتمامًا بيولوجيًا لأنه القمر الصناعي الوحيد في النظام الشمسي مع جو كثيف. الغلاف الجوي لتيتان مصنوع من النيتروجين والميثان. تسمح الجسيمات النشطة القادمة من بيئة الشمس وزحل بالكيمياء المعقدة ، مثل تكوين الهيدروكربونات والنتريل. تولد الجسيمات أيضًا ضبابًا دائمًا حول القمر الصناعي ، وأمطار الميثان ، والرياح ، والمواسم مؤخرًا ، يبدو أنه تم اكتشاف بحيرات الهيدروكربونات على سطح تيتان. أعتقد أن هذا الاكتشاف ، إذا تم تأكيده من قبل بعثة كاسيني-هيغنز ، سيكون ذا فائدة كبيرة.
ستجعل تيتان تناظرية للأرض ، حيث سيكون لها جو (غاز) ، بحيرات (سائلة) ، ضباب وتربة (صلبة) ، البيئات الثلاث الضرورية لظهور الحياة.
تكوين ضباب تيتان غير معروف. تتوفر البيانات الضوئية فقط ويصعب تحليلها بسبب تعقيد هذه المادة الكربونية. تم إجراء العديد من التجارب من أجل محاكاة كيمياء الغلاف الجوي لتيتان ، وعلى الأخص نظائر الهباء الجوي التي تسمى مجموعة الثولين من قبل مجموعة كارل ساجان. يبدو أن الثولين يمكن أن يشارك في أصل الحياة. في الواقع ، يؤدي التحلل المائي لهذه النظائر من تيتانوسول إلى تكوين الأحماض الأمينية ، سلائف الحياة.
صباحا: هل يمكنك وصف المحاكاة التجريبية الخاصة بك لتوسيع تجارب Miller-Urey بطريقة مخصصة لدرجات حرارة تيتان المنخفضة والكيمياء الفريدة؟
JB: منذ تجارب Miller-Urey ، تم تنفيذ العديد من المحاكاة التجريبية لنظام البريبايوتك المفترض. ولكن بعد استعادة بيانات فوييجر ، بدا من الضروري العودة إلى هذا النهج لمحاكاة جو تيتان. ثم أجرى العديد من العلماء تجارب المحاكاة هذه من خلال إدخال خليط النيتروجين والميثان في نظام مثل جهاز ميلر. ولكن أصبحت المشكلة واضحة بسبب الاختلاف بين الظروف التجريبية وظروف تيتان. لم يكن الضغط ودرجة الحرارة يمثلان بيئة تيتان. ثم قررنا إجراء تجارب تعيد إنتاج ضغط ودرجة حرارة الستراتوسفير في تيتان: خليط غاز 2٪ من غاز الميثان في النيتروجين ، ضغط منخفض (حوالي 1 ملي بار) ونظام تبريد من أجل الحصول على درجة حرارة منخفضة. علاوة على ذلك ، يتم وضع نظامنا في صندوق قفازات يحتوي على نيتروجين نقي لتجنب تلوث الهواء بالمنتجات الصلبة.
صباحا: ما رأيك في أفضل مصدر للطاقة لإطلاق الكيمياء الاصطناعية تيتان: الغلاف المغناطيسي لجسيمات زحل ، الإشعاع الشمسي ، أو أي شيء آخر؟
JB: يناقش العلماء حول مصدر الطاقة الذي يحاكي بشكل أفضل مصادر الطاقة في الغلاف الجوي لتيتان. الأشعة فوق البنفسجية (UV)؟ أشعة كونية؟ الإلكترونات والجسيمات النشطة الأخرى القادمة من الغلاف المغناطيسي لكوكب زحل؟ كل هذه المصادر متورطة ، لكن حدوثها يعتمد على الارتفاع: الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة والإلكترونات في الأيونوسفير ، والأشعة فوق البنفسجية في الستراتوسفير ، بينما تحدث الأشعة الكونية في التروبوسفير.
أعتقد أن السؤال المناسب يجب أن يكون: ما هو الهدف التجريبي؟ إذا كان لفهم كيمياء سيانيد الهيدروجين (HCN) في الستراتوسفير في تيتان ، فإن محاكاة الأشعة فوق البنفسجية لـ HCN مناسبة. إذا كان الهدف هو تحديد آثار المجالات الكهربائية المتولدة عن الأشعة الكونية المجرية في طبقة التروبوسفير ، فمن الأفضل تفريغ الاكليل لغلاف جوي محاكاة.
في دراسة ظروف الستراتوسفير في تيتان ، اخترنا استخدام تفريغ كهربائي في محاكاة لدينا. تنازع أقلية من العلماء هذا الخيار لأن مصدر الطاقة الرئيسي في الستراتوسفير في تايتان هو الأشعة فوق البنفسجية. لكن نتائجنا أثبتت صحة تجربتنا. اكتشفنا جميع الأنواع العضوية التي لوحظت في تيتان. توقعنا وجود CH3CN (أسيتونتريل) قبل ملاحظته. اكتشفنا لأول مرة ديسيانو أسيتيلين ، C4N2 ، وهو جزيء غير مستقر في درجة حرارة الغرفة تم اكتشافه أيضًا في الغلاف الجوي لتيتان. كان توقيع الأشعة تحت الحمراء الوسطى للمنتجات الصلبة التي تم إنشاؤها في تجربتنا يتماشى مع ملاحظات تيتان.
صباحا: كيف تكون نتائجك جزءًا من الاختبار الجوي المخطط له لمسبار كاسيني-هيغنز؟
JB: بعد التعاون مع فريق من المرصد الفلكي بوردو في فرنسا ، حددنا الثوابت العازلة لنظائر الهباء الجوي. سيسمح لنا هذا بتقدير كيفية تأثير الغلاف الجوي وخصائص سطح تيتان على أداء تجارب الرادار Cassini-Huygens. يمكن أن يتأثر مقياس الارتفاع على متن مسبار Huygens بخصائص الهباء الجوي ، ولكن يجب إجراء تجارب تكميلية لتأكيد هذه النتيجة.
قدمنا منذ عامين خليط غاز N2 / CH4 / CO (98 / 1.99 / 0.01). كان الهدف هو تحديد تأثير أول أكسيد الكربون ، وهو المركب الأكثر أكسجة وفرة على تيتان. من المدهش أننا اكتشفنا أن الأوكسيرين في المرحلة الغازية هو المنتج المؤكسج الرئيسي. تم اكتشاف هذا الجزيء غير المستقر في الوسط النجمي لكن النماذج النظرية لا تتنبأ به في كيمياء تيتان. ربما هذا الجزيء موجود على تيتان.
حاليًا ، نحن نحلل الجزيئات الأولى والجذور والذرات والأيونات (أو "الأنواع") التي تم إنشاؤها داخل مفاعلنا التجريبي. نحن نستخدم مطياف الأشعة تحت الحمراء وانبعاث الأشعة المرئية لدراسة الأنواع المتحمسة مثل CN ، CH ، NH ، C2 ، HCN ، C2H2. بعد ذلك ، سنلاحظ العلاقة بين وفرة هذه الأنواع وهياكل المنتجات الصلبة. عند ربط هذه النتائج التجريبية بنموذج نظري تم تطويره بالتعاون مع جامعة بورتو في البرتغال ، سيكون لدينا فهم أفضل للكيمياء التي تحدث في المفاعل التجريبي. سيسمح لنا هذا بتحليل بيانات Cassini-Huygens وتكوين ضباب تيتان.
يشارك فريقنا أيضًا في مستوى علوم المهمة ، حيث أن أحد علماء البعثة موجود أيضًا في مجموعتنا في Laboratorire Inter-Universitaire des Syst؟ mes Atmosph؟ riques، LISA). سيتم استخدام tholins المختبرية لدينا كدليل لمعايرة العديد من الأدوات الموجودة في مسبار Huygens ومدار كاسيني.
يوجد 18 أداة على متن المسبار والمدار. هناك حاجة إلى اختبارات المعايرة للكروماتوغرافيا الغازية والتحليل الطيفي الكتلي [GC-MS]. سيحدد GC-MS ويقيس المواد الكيميائية في الغلاف الجوي لتيتان.
هناك حاجة أيضًا إلى اختبارات المعايرة لمجمع الأيروسول والبيروليزر (ACP). ستقوم هذه التجربة بسحب جزيئات الهباء الجوي من الغلاف الجوي من خلال المرشحات ، ثم تسخين العينات المحتبسة في الأفران لتبخير المواد المتطايرة وتحلل المواد العضوية المعقدة.
يجب أيضًا معايرة مطياف الأشعة تحت الحمراء المركب (CIRS) ، وهو أداة قياس حرارية على المدار. مقارنة بمهمات الفضاء السحيق السابقة ، يعد مقياس الطيف على متن Cassini-Huygens تحسنًا كبيرًا ، مع دقة طيفية أعلى بعشر مرات من مطياف المركبة الفضائية فوييجر.
صباحا: هل لديك خطط مستقبلية لهذا البحث؟
JB: خطوتنا التالية هي تجربة تم تطويرها بواسطة Marie-Claire Gazeau ، تسمى "SETUP". تتكون التجربة من جزأين: بلازما باردة لفصل النيتروجين ، ومفاعل كيميائي ضوئي من أجل فصل الميثان ضوئيًا. سيعطينا هذا محاكاة عالمية أفضل لحالة Titan.
المصدر الأصلي: مجلة ناسا لعلم الأحياء الفلكية
