بازنویسی کتاب حیات

در راستای جست وجویی نتیجه بخش برای یافتن حیات در دیگر سیارات، لازم است که ابتدا به یک فهم جامع درباره چیستی حیات نایل شویم. یکی از روش ها برای انجام این خواسته مطالعه اشکال مختلف رخ دادن حیات بوده و این همان موضوعی است که اخیرا ناسا (سازمان ملی هوا فضای آمریکا) با پروژه «کتاب حیات» به مطالعه آن پرداخته است.

دی آرکی تامپسون ( D Arcy Thompson) از دانشگاه سنت اندرو اسکاتلند در کتاب خود با عنوان «درباره پیشرفت و شکل» در سال ۱۹۱۷ برای تجسم بخشیدن به چگونگی تغییر شکل گونه ها با گذشت زمان معادلات ریاضی را دستکاری کرد. اکنون دانشمندان با استفاده از تحقیقات زیست ریاضی (Biomathematical studie) تامپسون روی اشکال حیات روی زمین به دنبال روشن کردن مسئله اشکال حیاتی در سرتاسر کیهان هستند. به طور کلی شرایط جهانی مشخصی بر کل کیهان حاکم است که همواره قالب‌های مختلف اشکال حیات را هر کجا که حیات وجود داشته باشد، تحت تأثیر قرار می دهد. تامپسون نوشته است: طبیعت در همه جا یکسان عمل کرده و طبیعتا همه چیز به اندازه حق خود از آن بهره برده است. سلول و بافت، لاک و استخوان، برگ و گل همگی جلوه هایی از ماده بوده و تحت فرمان قوانین فیزیکی هستند یعنی این ذرات دارای حرکتند، قالب گیری شده و شکل می گیرند.

برای مثال نیروی جاذبه روی همه ذرات اثر گذاشته و پیوستگی ماده، تمایل شیمیایی و حجم بدن را تحت کنترل دارد. از دیگر عوامل موثر روی مواد که در سرتاسر گیتی یکسانند، دما، فشار، بار الکتریکی و خواص شیمیایی هستند. اما پیش از آنکه بتوانیم جست وجوی گسترده ای را برای یافتن اشکال حیاتی برون زمینی ناشناخته آغاز کنیم نیاز به طبقه بندی جامع اشکال حیاتی شناخته شده روی زمین داریم. تاریخ حیات روی زمین یک مدل بسیار عالی برای پی بردن به چگونگی تکامل حیات در کیهان است.

سنگواره ها، حتی سنگواره‌های میکروبی، در مورد همه اشکال حیاتی مختلف که در یک زمان یا زمانی دیگر روی سیاره ما دیده شده اند حرف‌های زیادی برای گفتن دارند و مسائل زیادی را برای ما روشن می کنند. جان فورسبرگ (Johan Forsberg) روانشناس سوئدی نوشته است: بعضی از فسیل‌های موجود در لایه‌های رسی قدیمی چنان عجیبند که ما حتی قادر به تشخیص سر و ته این موجودات نیستیم، اما با این همه این موجودات دقیقا از همان خاستگاه مشابهی که ما (انسان ها) منشأ گرفته ایم به وجود آمده اند. پژوهشگران با استفاده از مجادلات دانشمندان بر روی این فسیل ها می توانند یک دایرهالمعارف از اشکال حیاتی میکروبی که روی زمین پدیدار نشده اند را بنویسند. به دلیل اینکه لازم است اشکال حیاتی متعددی فهرست بندی شوند، دانشمندان بر روی توسعه و بهبود ماشین دی آرکی کار می کنند که به آنها برای ایجاد «کتاب حیات» جامع کمک می کند.

حیات و زندگیپروژه «کتاب حیات» سه مرحله دارد.

مرحله اول گردآوری بانک اطلاعاتی اولیه ای از اشکال حیاتی میکروبی است که به نظر تاکنون پایان یافته باشد. بانک اطلاعاتی تصویری مورد نظر شامل ده هزار مثال مختلف است و بین اشکال حیاتی بنیادی نظیر استوانه ای ها، کروی ها، رشته ای ها و خوشه ای ها که بسیار شبیه کوکسی‌های (cocci) خوشه ای شکل و اسپیروکت‌های (Spirochete) مارپیچ مانند هستند، تمایز قائل می شود.

یک شبکه کامپیوتری به هم پیوسته قوی با ضریب دقت نود درصد برای تشخیص و طبقه بندی این اشکال حیاتی میکروبی تلاش می کند. مرحله دوم پروژه بسط و تشریح بانک اطلاعاتی مورد نظر با استفاده از یک شبکه به هم پیوسته قدرتمند است. این شبکه که به آن کامپیوتر Beowulf-class هم می گویند مجموعه ای از کامپیوترهای شخصی اند که تحت سیستم Linux کار کرده و به وسیله شبکه هایی به هم مرتبط شده اند و برای حل مسائل علمی که داده‌های زیادی در آن وجود دارد، به کار می روند.

دانشمندان این کامپیوترهای موازی جدید را لیبنیز (Leibniz) نام نهاده اند. این کلمه از نام ریاضی دان آلمانی گرفته شده است که هدف تمام عمر او سازمان دهی تمام انواع دانش بشری بود. در این کامپیوتر جدید بانک اطلاعاتی تصویری با جمع آوری و طبقه بندی تصویرهای جدید و مبهم توسعه می یابد. میکروب شناسان برای تمییز اشکال حیاتی ارگانیک از انواع غیرارگانیک از یک سنجه عجیب استفاده می کنند.

آنها از خود می پرسند آیا به نظر تو این موجود زنده است؟ شبکه کامپیوترهای موازی جدید هم با استفاده از الگوی تشخیصی بسیار ساده تر و دقیق تر همین وظیفه را به انجام می رسانند. برای انجام این کار یک تصویر را به قطعات قابل شناسایی تفکیک می کنند.

دکتر دیوید نواور (David Noever) یکی از دانشمندان مرکز پروازهای فضایی مارشال ناسا می گوید: قضاوت انسان تا حدود زیادی به تشخیص اشکال حیاتی میکروبی بستگی دارد ولی در اینجا هم مثل مورد فیلترهای خودکار جداکننده تe-mailهای به درد نخور از بقیه e-mail‌های رسیده، به نظر می رسد جواب‌های سیستم جدید بهتر و باصرفه تر است. در واقع درست است که چشم‌های کارآزموده انسان در تشخیص اشکال حیاتی میکروبی بهتر عمل می کند ولی استفاده از یک فیلتر کامپیوتری برای آزمودن الگوهای حیات مانند باعث سرعت دادن به پروژه «کتاب حیات» می شود.

مرحله سوم این پروژه زمانی است که شبکه عصبی کامپیوتر جدید آنقدر پیشرفت کرده است که قادر به طبقه بندی تصاویر جدید با حداقل مدیریت انسانی باشد. در آن هنگام از این سیستم برای پژوهش‌های بعدی شامل آزمایش شهاب سنگ‌های یافته شده در زمین یا نمونه‌های تهیه شده از ما یا فضای بین سیاره ای استفاده شود. این سیستم پیشرفته قادر به بررسی و طبقه بندی مقدار عظیمی از تصاویر میکروبی است.

یک مشکل بزرگ

سرعت و کارایی بالا برای آنالیز نمونه ها بسیار ضروری است. چرا که نه تنها مقدار عظیمی نمونه برای بررسی وجود دارد بلکه در این بررسی ها باید ابعاد مختلف آن را مد نظر قرار داد. دی آرکی تامپسون بیشتر از نقشه‌های خطی و دوبعدی برای مقایسه اشکال حیاتی مختلف استفاده می کرد. برای استفاده از نقشه‌های خطی برای مقایسه دو شکل به چهار متغیر نیاز داریم، در حالی که برای مقایسه دو حالت با استفاده از نقشه‌های دوبعدی، متغیرها به ده عدد افزایش می یابد. تامپسون در کتابش نوشته است: می دانم که در مطالعه اجسام مادی تعداد، حالت و مکان سه سرنخ عمده برای کسب اطلاعات دقیق است و این سه سرنخ در دستان ریاضیدانان به مانند یک طرح اولیه برای رسم نقشه کلی کیهان اند.

اما تا زمانی که تامپسون و دیگر زیست ریاضیدانان منحصرا از نقشه‌های خطی و دووجهی برای مطالعه چگونگی تغییر اشکال حیاتی با گذشت زمان استفاده می کردند، بررسی اشکال حیاتی پیچیده با این روابط ریاضی محدود انجام شدنی نبود. طبیعتا کارهای تامپسون را با استفاده از کامپیوترهای جدید می توان گسترش داد. هنگامی که دی آرکی تامپسون ایده مطالعه جانداران را با استفاده از اشکال هندسی مطرح کرد، کارهای او توسط دست انجام می شد اما امروزه کامپیوترها تحقیقات تامپسون را وسعت داده اند.

با کمک این برنامه‌های پیشرفته کامپیوتری، ماشین دی آرکی فصول مختلف کتاب کلاسیک تامپسون «درباره پیشرفت و شکل» را باز کرده است. کامپیوترهای باهوش مصنوعی با استفاده از شبکه‌های به هم پیوسته امکان پاسخگویی به سوالات بی شمار زیست اخترشناسی پیچیده را می دهند. از تکامل غیرخطی هوش مصنوعی حاصل از این شبکه‌های به هم پیوسته برای فراگیری الگوها و تصاویر چندگانه استفاده می شود. کامپیوترهای جدید چندین متغیر تأثیرگذار بر روی اجسام نظیر نیروی جاذبه که در مکان‌های مختلف تغییر می کند را بسیار بهتر از انواع خطی مورد بررسی قرار می دهند. برای مثال تغییرات در اثر نیروی جاذبه روی بدن زمانی که انسان به فضای خارج می رود دیده می شود. فضانوردان اغلب آسیب‌های استخوانی و تحلیل ماهیچه‌های ناشی از کاهش نیروی جاذبه را تجربه کرده اند. کامپیوترهای نسل جدید مرکز فضایی مارشال قادر به انجام محاسبات پیچیده مورد نیاز برای تحلیل‌های ریاضیاتی قالب‌های حیات خواهند شد. اگر کسی از یک ماشین حساب دستی برای جدول بندی ارتباطات خطی استفاده کند (با سرعت هر محاسبه در یک ثانیه) چهل سال برای به پایان رساندن یک میلیارد محاسبه زمان نیاز دارد. کامپیوترهای جدید ناسا این فرایند فرساینده را با سرعت عجیب ـ یک میلیارد در ثانیه ـ انجام می دهند.

نگارش کتاب حیات بین سیاره‌ای

از توانایی زیاد ماشین طبقه بندی دی آرکی همچنین برای مطالعه و فهرست کردن تصاویر چهارده شهاب سنگ مریخی شناخته شده استفاده می شود. جرم کلی ماده ای که قرار است از آنها عکس برداری شود بالغ بر بیست کیلوگرم است بنابراین اگر قرار باشد طی تحقیقات آینده تصاویری در حد میکرون تهیه کنیم (یک میکرون یک میلیونیم متر است) دستگاه مورد استفاده در عکسبرداری آنها باید بالغ بر چند تریلیون عکس تهیه کند.

برای مثال جست وجوی اشکال حیاتی در کوه‌های ماه نیاز به آنالیز خردفسیل هایی با اندازه‌های نانومتری را داراست. این ذرات آن قدر کوچک اند که پنجاه هزار عدد آنها به اندازه نوک یک موی انسان است. یک مقایسه در کارهای پیشین و مطالعات جدید با این کامپیوترهای قوی شاید جالب باشد. گروه‌های صحرایی مطالعاتی شهاب سنگ‌های قطب جنوب امیدوارند حداقل هزار شهاب سنگ را طی سه سال آینده بررسی کنند در حالی که از سال ۱۹۷۶ بیش از سیصد پژوهشگر از بیست و چهار کشور مختلف تنها توانسته اند ده هزار و هشتصد نمونه از این شهاب سنگ ها را بررسی کنند. مقایسه دیگر را با مشکلات ساخت کارتون «قصه اسباب بازی ها» انجام دهید. برای آنکه یک ابرکامپیوتر بتواند هر فریم از این کارتون صد و چهل هزار فریمی را پردازش کند به زمانی در حدود سه ساعت نیاز دارد. در حاکی که طبقه بندی اشکال حیاتی تقریبا معادل با ساخت ده هزار فیلم کارتونی این چنینی است.

حیات چیز ساده ای برای تشریح و تعریف نیست. حتی در حال حاضر هم گاهی اشکال حیاتی را روی زمین مشاهده می کنیم که هرگز پیش از این احتمال وجود آنها را نمی دادیم. اکسترو موفایل (Extreumeophile) در چشمه‌های آب گرم و محیط‌های بسیار شور در حال فعالیت دیده شده اند، محیط هایی که کاملا نامناسب برای حیات به نظر می رسیدند. در سال ،۱۹۹۷ استفان زیندر (Stephan Zinder) پژوهشگر دانشگاه کورنل یک باکتری را کشف کرد که در حلال‌های قوی پرکلرو اتیلن و تری کلرو اتیلن مورد استفاده در ماشین‌های لباسشویی به خوبی رشد می کردند. و یا باکتری اسید دوستی به نام Sulpolobus acidocaldarius را یافته اند که قادر بود در شرایطی که به راحتی حل کننده پوست انسان در چند ثانیه است، به زندگی خود ادامه دهد. با آغاز به کارگیری از ماشین دی آرکی برای مطالعه وسیع حیات میکربی روی زمین، شاید یک روزی ابزارآلات خودکار و عجیب قادر به شناخت حیات به هر شکلی و در هر کجای کیهان باشند.