Hidup Itu Rumit – Secara harfiah, Ahli Astrobiologi Mengatakan

0



Perburuan kehidupan di luar bumi selalu dibingungkan oleh hasil positif yang salah—kesempatan di mana para ilmuwan berpikir mereka telah menemukan kehidupan tetapi ternyata tidak memiliki kasus yang sepenuhnya meyakinkan.

Contoh pola dasar berasal dari pendarat Viking kembar NASA, yang menyampaikan bukti kontroversial kehidupan di Mars pada pertengahan 1970-an. Bukti itu adalah bau karbon radioaktif yang melayang dari tanah Mars, mengisyaratkan metabolisme mikroba yang terjadi di dalamnya—tetapi tiga eksperimen deteksi kehidupan lainnya yang dilakukan setiap pendarat hanya menemukan hasil nol. Data lebih kacau tentang kehidupan di Mars tiba pada tahun 1996, ketika para ilmuwan menemukan apa yang bisa menjadi mikrofosil mikroba di dalam meteorit Mars yang ditemukan di Antartika. Tetapi penelitian selanjutnya menunjukkan bahwa mikrofosil diduga dapat dengan mudah diproduksi oleh beberapa lainnya sepenuhnya abiotik rute. Baru-baru ini, para peneliti yang mempelajari atmosfer Venus mengklaim melihat sejumlah besar fosfin di sana—gas yang, di Bumi, terutama dibuat oleh mikroorganisme. Namun segera ilmuwan lain telah meragukan pada validitas pengukuran tersebut, dan telah mendalilkan gas—jika memang ada—berasal dari bentuk vulkanisme Venus yang aneh tapi tak bernyawa.

Dalam setiap kasus, polanya sama: kegembiraan awal, diikuti oleh skeptisisme berikutnya, dan akhirnya pemecatan. Berkali-kali, tampaknya, para ahli astrobiologi hanya menemukan tanda-tanda kehidupan asing—yang disebut biosignatures—yang sangat tidak meyakinkan. Ini sebagian besar karena ahli astrobiologi dengan kebutuhan mencari bentuk kehidupan yang paling sederhana dan paling kuat yang tampaknya mungkin terjadi di lingkungan dunia lain yang keras, dan bahan kimia serta struktur yang sering kita kaitkan dengan organisme semacam itu di Bumi seringkali dapat diproduksi secara abiotik. Dan, tentu saja, kimia kehidupan alien mungkin sama sekali berbeda dari apa yang kita amati di planet kita sendiri. Apakah ada cara yang lebih baik untuk melihat?

A teori baru diterbitkan di Komunikasi Alam berpendapat bahwa ada. Disebut teori perakitan, ia berpaling dari pencarian biosignatures kimia sederhana, alih-alih merangkul kompleksitas fundamental kehidupan. Ini didasarkan pada gagasan bahwa segala bentuk biologi di mana pun di alam semesta akan mengkodekan informasi kehidupan dalam kumpulan molekul kompleks yang secara terukur berbeda dari materi tak bernyawa.

Untuk rekan penulis studi Sara Walker, seorang ahli biofisika di Arizona State University, teori perakitan adalah tengara untuk bidang ini, karena “menghadirkan ukuran kompleksitas pertama yang dapat diuji di laboratorium.” Secara lebih luas, katanya, ini memberi kita “secercah pertama dari kemampuan kita untuk menghubungkan ide-ide teoretis yang mendalam tentang sifat kehidupan dengan yang dapat diamati secara empiris.”

Dalam astrobiologi, daya tarik terhadap kompleksitas telah meningkat untuk sementara waktu sekarang. Mengingat hasil ambigu yang dapat berasal dari penelitian yang berfokus pada tanda kimia sederhana, para ilmuwan telah mengembangkan teori dan definisi kehidupan yang melihat ke proses yang lebih canggih—metabolisme, adaptasi, replikasi, evolusi—yang dapat membantu kita membedakan sistem yang hidup dari yang tidak hidup. . Pada tahun 1994, misalnya, NASA mengadopsi definisi kehidupan yang kompleks: “Kehidupan adalah sistem kimia yang berdiri sendiri yang mampu melakukan evolusi Darwin.” Masalahnya adalah, konsep kunci di balik kerangka kerja canggih itu sendiri rumit, membuatnya sangat sulit untuk diuji dan diukur. Tanyakan, misalnya, lima ahli biologi evolusioner yang berbeda untuk definisi kerja mereka tentang “evolusi Darwin,” dan Anda mungkin akan mendapatkan lima jawaban yang sedikit berbeda. Seperti yang dijelaskan oleh kepala ilmuwan NASA, Jim Green, “Saya tidak dapat membuat instrumen yang akan keluar dan menemukan ‘evolusi,’ ‘reproduksi,’ atau ‘metabolisme.’”

Teori perakitan mungkin menawarkan cara yang lebih jelas dan lebih umum untuk mengenali kehidupan, baik yang akrab atau asing. Ini dibangun di atas dua gagasan terkait: kompleksitas dan kelimpahan fisik, yang menyatakan bahwa ketika kedua sifat ini meningkat untuk objek apa pun di lingkungan tertentu, kemungkinan asal abiotik berkurang. Kelimpahan melacak seberapa sering suatu objek muncul di lingkungan, sedangkan kompleksitas objek diukur dengan memperkirakan jumlah langkah yang diperlukan untuk perakitannya. Pertimbangkan perbedaan antara pantai yang dipenuhi dengan kerikil yang terkikis air—situasi yang dapat dengan mudah dianggap sebagai proses tak bernyawa—dan yang berserakan dengan cangkang kerang yang dipahat dengan rumit.

Meskipun teori ini bersifat umum dan dapat berkaitan dengan berbagai jenis objek dalam skala yang luas, para peneliti melihat bagaimana teori tersebut berlaku untuk molekul, yang bisa dibilang merupakan blok bangunan biologi paling penting yang dapat dicari para ilmuwan baik di laboratorium maupun di luar angkasa.

Untuk menentukan peringkat kompleksitas molekul, tim membuat indeks perakitan massa, yang secara algoritme menetapkan nomor perakitan massa (MA) untuk berbagai jenis molekul. Sebagai bukti konsep, mereka menggunakan pendekatan ini untuk mengindeks dan memberi peringkat 2,5 juta molekul dalam database kimia yang banyak digunakan. Molekul dengan MA 1 memiliki kompleksitas rendah dan dengan demikian kemungkinan lebih tinggi untuk asal abiotik; molekul yang lebih kompleks diberi nomor yang lebih tinggi. Terdiri dari satu atom fosfor dan tiga atom hidrogen, gas fosfin—biosignature Venus yang diduga—hanya memiliki nilai MA 1. Sebaliknya, asam amino triptofan memperoleh MA 12 berkat struktur rumitnya yang terdiri dari 11 atom karbon, dua belas hidrogen, dan sepasang nitrogen dan oksigen.

Menurut Lee Cronin, seorang ahli kimia di University of Glasgow yang memimpin penelitian, latihan ini mengungkapkan bahwa pada ambang tertentu—sekitar MA 15—probabilitas produksi molekul abiotik dalam kondisi mirip Bumi menjadi sangat rendah. Faktanya, kurang dari satu dari sekitar 600 sextillion, kata Cronin. Jadi, molekul dengan peringkat MA 15 atau lebih tinggi hampir selalu dibuat oleh kehidupan.

Jadi, apakah itu berarti MA 15 adalah penanda yang pasti untuk kehidupan di mana-mana? Tidak. Untuk satu hal, banyak molekul berperingkat rendah dapat menjadi biosignatures—seperti molekul oksigen sederhana yang secara struktural dipancarkan ke atmosfer bumi oleh organisme fotosintetik. Ini berarti bahwa, meskipun dapat mengurangi kemungkinan positif palsu dalam pencarian kehidupan, teori perakitan juga meningkatkan kemungkinan “negatif palsu” yang memungkinkan biosignatures asli lolos dari celah investigasi. Lebih luas lagi, kata Cronin, meskipun MA 15 tampaknya menjadi nilai ambang batas untuk kehidupan di Bumi, ambang batas itu bisa jatuh di tempat lain untuk lingkungan planet yang sangat berbeda. Triknya, menurut Cronin, adalah dengan menggunakan teori perakitan untuk memetakan kesenjangan yang harus ada antara kombinasi kimia yang dihasilkan secara abiotik dan yang dihasilkan oleh sistem kehidupan—di sini atau di mana pun.

Untuk lebih memvalidasi pendekatan mereka, Cronin dan rekannya memeriksa ulang perhitungan teoritis kompleksitas mereka dengan menggunakan fragmentasi spektrometri massa untuk mempelajari sampel besar molekul dan zat berperingkat, memecah masing-masing menjadi bagian-bagian penyusunnya untuk mengkonfirmasi jumlah langkah kimia yang diperlukan untuk merakit kembali. mereka. Hasil-hasil eksperimen tersebut disesuaikan dengan prediksi teoretis, dan dengan andal membedakan antara berbagai zat hidup, tak hidup, dan mati, termasuk E. coli bakteri, sel ragi, alkaloid tanaman, abu, batu bara, granit, batu kapur dan bahkan bir.

Salah satu validasi paling menarik datang dari kolaborator Cronin dan rekan penulis studi Heather Graham, seorang ahli astrobiologi di Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA di Greenbelt, Md. Untuk melakukan uji teori, laboratorium Graham mengirim satu set sampel buta. Salah satunya adalah bahan biologis yang diawetkan dari fosil berusia jutaan tahun. Yang lain adalah sampel dari meteorit Murchison, bolide yang kaya akan senyawa karbon organik (tetapi abiotik) yang jatuh ke Bumi pada tahun 1969. Pengujian Cronin menandai material Murchison sebagai bahan yang terkenal karena kekayaan molekul kompleksnya, tetapi masih menempatkannya di bawah ambang batas. MA 15 dan dengan demikian tak bernyawa. Bahan fosil, bagaimanapun, diidentifikasi sebagai tanda kehidupan.

Untuk rekan penulis studi dan rekan postdoctoral astrobiologi NASA Cole Mathis, ada momen yang mengejutkan pada tahap penelitian ini ketika perbedaan signifikan menjadi jelas bagi semua yang terlibat: perbedaan antara “sampel kompleks dan molekul kompleks.” Sementara berbagai bahan kimia aneh seperti yang ada di Murchison mungkin membuat orang berpikir bahwa sesuatu seperti kehidupan ada di sana, sebenarnya molekul kompleks, yang menunjukkan organisasi kimia, tampaknya menjadi kunci kehidupan.

Keberhasilan hasil ini, dan publikasi karya tersebut, memunculkan kegembiraan awal. Steven Benner, seorang ahli kimia di Foundation for Applied Molecular Evolution di Alachua, Florida, yang bukan bagian dari penelitian, mengatakan bahwa dia dan rekan-rekannya “sangat antusias” tentang teori perakitan. Meski begitu, tambahnya, Cronin dan rekan masih harus menjawab banyak pertanyaan yang belum terjawab tentang pekerjaan mereka, terutama apakah itu benar-benar dapat diterapkan di “lingkungan yang benar-benar eksotis.” Benner telah menantang Cronin untuk menguji pendekatan pada sampel bahan “semi-kompleks” yang telah disintesis oleh kelompok Benner dari prekursor karbon sederhana dalam kondisi laboratorium yang meniru atmosfer Venus. “Ini adalah lingkungan yang nyata,” kata Benner, “yang akan segera dikunjungi dalam misi luar angkasa lagi. Jika kehidupan Venus ada di awan di atas Venus, ia perlu mengikuti logika kimia yang sangat berbeda dari logika yang diikuti oleh kehidupan di Bumi.” Ini, kata Benner, bisa dibilang menjadikan Venus situs terbaik untuk uji jangka pendek metrik kompleksitas molekul.

Sebagai tanggapan, Cronin mengatakan bahwa sampel Benner menimbulkan tantangan tertentu, karena mereka direndam dalam asam sulfat—yang menguraikan molekul organik dan dengan demikian menurunkan kompleksitas organik yang dapat dideteksi. Namun demikian, kata Cronin, “kami sedang mengerjakan cara untuk merekonstruksi kompleksitas itu, jadi saya tetap berharap bahwa bahkan dalam sampel yang paling sulit sekalipun, jika molekulnya tidak rusak, kami dapat melakukan pengukuran.”

Sementara itu, Green dan yang lainnya di NASA bertanya-tanya apakah teori perakitan dapat digunakan untuk menganalisis data dari banyak spektrometer massa yang telah mengunjungi dunia lain selama berbagai misi antarplanet badan tersebut. Green pertama kali mempertimbangkan kasus spektrometer massa pada pengorbit Cassini, yang terbang melalui dan mengambil sampel gumpalan uap air yang keluar dari bulan es Saturnus Enceladus, tetapi ia menyadari bahwa instrumen Cassini hanya mencatat massa hingga 100 satuan massa atom (sma), dan teori perakitan hanya bekerja untuk molekul dengan berat setidaknya 150 sma.

Meskipun mereka bisa mencapai 150 amu dan lebih, instrumen pada penjelajah Curiosity and Perseverance Mars juga gagal, kurang spesifisitas untuk mempelajari spesies molekul tunggal untuk pengukuran MA. Misi masa depan, kata Green, semua harus dilengkapi dengan spektrometer massa yang mencatat massa yang lebih tinggi dan melakukan pengukuran dengan spesifikasi yang lebih besar. Ada janji untuk misi Dragonfly NASA, sebuah quadcopter bertenaga nuklir yang dijadwalkan untuk mulai menjelajahi atmosfer dan permukaan bulan Saturnus, Titan pada pertengahan 2030-an. Graham menunjukkan bahwa spektrometer massa Dragonfly, meskipun tidak memiliki beberapa kemampuan spektrometer laboratorium, akan memiliki kapasitas untuk mendeteksi molekul kompleks.

Di masa depan, misi lain yang direncanakan dapat mencari tanda-tanda kompleksitas molekuler kehidupan di titik panas astrobiologi di seluruh tata surya. Akhirnya, Cronin berspekulasi, teori perakitan bahkan dapat digunakan untuk menilai potensi biosignatures yang terdeteksi dari jarak jauh di atmosfer planet ekstrasurya yang berpotensi layak huni oleh teleskop besar.

Namun, untuk saat ini, pendekatan tersebut telah memberi para ahli teori dan eksperimentalis banyak ide baru untuk memahami—dan melihat—kompleksitas kosmik kehidupan.

Leave A Reply

Your email address will not be published.