دو قله علمی سال ۲۰۱۷

با پایان سال میلادی جاری، آنچه در نگاه اول از بین مشترکات دستاوردهای علمی مهم سال آشکارتر جلوه می‌کند، روزنه‌ای است که هر یک در برابر «آینده» گشوده‌اند. از ثبت نخستین همتای نوری برای امواج گرانشی تا موفقیت پژوهش‌گران در بی‌اثرسازی جهش‌های ژنتیکی از طریق «جراحی شیمیایی» مولکول‌های DNA و RNA، هریک نقطه عطفی است که نمی‌توان آینده رشته‌های مربوط به آنها را در غیاب تأثیر ناشی از این دستاوردها متصور بود.

در این مقاله نگاهی اجمالی به همین دو دستاورد آینده‌ساز سال ۲۰۱۷ داریم؛ دستاوردهایی که نه تنها در حال حاضر به مرزهای علم شکل داده‌اند، بلکه مرز مابین هریک از حوزه‌های مطالعاتی ذی‌ربط را نیز درنوردیده‌اند.

بر مرز فیزیک و اخترشناسی

هفدهم اوت ۲۰۱۷ (مصادف با ۲۶ مرداد)، برای اخترشناسان روزی ویژه بود. تنها هفده روز پس از آغازبه‌کار آشکارساز اروپایی «ویرگو» برای امواج گرانشی، این امواج برای نخستین بار نه فقط از طریق سه آشکارساز مجزا (ویرگو و آشکارسازهای دوقلوی لایگو)، بلکه از یک منبع «مرئی» دریافت شدند (نگاه کنید به: نخستین نور: ثبت یک همتای مرئی برای امواج گرانشی). این ششمین موج گرانشی دریافتی از زمان ثبت نخستین مورد از این پدیده در یازدهم مه ۲۰۱۶ بود. اما در شرایطی که پنج منبع پیشین را برخورد دو سیاهچاله تشکیل می‌داد (اجرامی عملاً فاقد ماده)، این بار امواج یادشده از تصادم زوجی از ستاره‌های نوترونی ساطع می‌شد؛ اجرامی در چگال‌ترین حالت ممکن ماده، که برخوردشان با گداخت محتویات آنها و انتشار طیفی از امواج الکترومغناطیسی نیز همراه است.

بدین‌وسیله این گسیل توأمان امواج گرانشی و الکترومغناطیسی، طیفی از مشاهدات مکمل را نیز در پی داشت. هفتاد رصدخانه زمینی و فضایی، علاوه بر آشکارسازهای امواج گرانشی، به ثبت و بررسی این پدیده در فواصل مختلف از زمان وقوع آن پرداختند. این ائتلاف علمی تنها منوط به تشخیص امواج گرانشی ناشی از این پدیده در «سه» آشکارساز مجزا یا بیشتر بود تا بدین‌وسیله موقعیت دقیق محل دریافت‌ امواج به روش مثلث‌بندی تشخیص داده شود.

اولین یافته‌ای که حکایت از تفاوت منبع این موج با سایر موارد پیشین داشت، الگوی نوسان آن بود. دو سیاهچاله تا پیش از برخورد به یکدیگر، در مسیری گرداب‌گون به چرخش درآمده و تنها اندک‌زمانی پیش از ادغام نهایی‌شان موجی با شدت کافی برای تشخیص در آشکارسازهای زمینی به فضا ساطع می‌کنند؛ اما موج حاکی از برخورد دو ستاره نوترونی ابتدا با بسامدی کم آغاز می‌شود، و پس از گذشت ده‌ها‌ ثانیه، هم‌هنگام با سرعت فزاینده چرخش دو ستاره، رو به افزایش گذاشته و شدتی قابل توجه نیز به خود می‌گیرد. پایان این اوج باشکوه و ادغام سهمگین دو ستاره، با زنجیره‌ای از آتش‌بازی‌های خیره‌کننده در نور مرئی همراه است.

ابتدا نوبت تلسکوپ‌های پرتو گاما بود؛ پرانرژی‌ترین بخش از طیف امواج الکترومغناطیسی، که به دلیل ممانعت جو زمین از رسیدن‌شان به سطح زمین، تنها در محیط فضا قابل تشخیص‌اند. لذا تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی، نخستین ایستگاه امواج مرئی دریافتی از برخورد این زوج ستاره‌های نوترونی بود. اما رزولوشن به نسبت پایین تلسکوپ، امکان مکان‌یابی دقیق محل وقوع رخداد را تا حدود ۱۱ ساعت بعد و به هنگام دریافت اولین ردپای این پدیده در بخش مرئی و فروسرخ طیف الکترومغناطیس، میسر نساخت. تلسکوپ‌های مرئی و فروسرخ، منبع برخورد را نقطه‌ای در مرز کهکشان NGC 4993 در صورت فلکی نهر تشخیص دادند.

با گذشت چند روز، نور حاصل از این برخورد، از آبی روشن به قرمز تیره تغییر یافت. روز یازدهم، نوبت به تلسکوپ‌های فضایی پرتو ایکس رسید و دیری نگذشت که با ورود تلسکوپ‌های رادیویی به جمع تماشاچیان این آتش‌بازی کیهانی، انفجار GW170817 به بررسیده‌ترین پدیده در تاریخ اخترشناسی مبدل شد. مقاله اعلام این کشف تاریخی، نام ۳۶۷۴ نویسنده از ۹۵۳ مؤسسه علمی دنیا را در پیشانی خود داشت.

این مشاهدات، به‌یکباره چند فرضیه پرسابقه را به تأیید رساندند: اینکه برخورد ستاره‌های نوترونی منجر به گسیل پرتوهای کوتاه‌مدت گاما می‌شود؛ اینکه بقایای ماده غنی از نوترون حاصل از این برخوردها، زنجیره‌ای از واکنش‌های شیمیایی موسوم به «فرآیند r» را به راه می‌اندازد که مسبب تشکیل نیمی از عناصر سنگین‌تر از آهن در جدول تناوبی‌اند؛ و نیز این فرض دیرپا در چارچوب نظریه نسبیت عام که امواج گرانشی با سرعت نور در فضا منتشر می‌شوند.

با وجود غنای یافته‌های حاصل از این مشاهدات، همچنان ناسازگای‌هایی بین جزئیات مشاهده و پیش‌بینی‌ هم دیده می‌شود که احتیاج به ثبت بیشتر و بهتر این پدیده‌ها در آینده را مطرح می‌کنند. همچنین پربسامدترین بخش امواج گرانشی دریافتی از این برخورد، که حاوی اطلاعات مربوط به چند چرخش پایانی دو ستاره نوترونی بودند، از محدوده تشخیص آشکارسازهای لایگو فراتر رفتند. این اطلاعات، منبعی بی‌بدیل برای شناخت ویژگی‌هایی همچون ابعاد و صلبیت ستاره‌های نوترونی به عنوان واپسین ایستگاه ماده تا پیش از تبدیل به یک سیاهچاله به شمار می‌روند، و کسب چنین اطلاعاتی نیز ارتقای دقت آشکارسازهای امواج گرانشی را می‌طلبد.

در حال حاضر، آشکارسازهای لایگو به منظور ارتقای توان تشخیصی‌شان جستجوهای خود را متوقف کرده‌اند. آینده‌ای که در این شاخه‌ از مطالعات فیزیکی می‌توان متصور بود، آینده‌ای روشن و مملوء از یافته‌های پرغنیمتی است که امکان درک رفتارهای ماده تحت شدیدترین شرایط متصور را فراهم می‌کنند؛ و احتمالاً هیجان‌انگیزترین یافته‌ای که در آن می‌توان از امروز متصور شد، به قول راجر بلندفورد، از فیزیکدانان نظری دانشگاه استنفورد، سیگنالی خواهد بود که اساساً هیچ‌کس پیش‌بینی‌اش را نکرده بود.

بر مرز شیمی و فیزیولوژی

جهش‌های ژنتیکی همان‌قدر که در بزرگ‌مقیاس نقشی تعیین‌کننده در پیش‌برد مسیر تکامل و تسریع گونه‌زایی ایفا می‌کنند، در کوتاه‌مدت و ذیل مقیاس عمر موجودات منفرد می‌توانند اثراتی جبران‌ناپذیر برای زیست آن موجود به دنبال بیاورند.

منشأ این جهش‌ها بروز خطا در پیوند مجدد رشته‌های برش‌‌خورده مولکول‌های DNA والدین حین فرآیند لقاح سلول اولیه یک فرزند است؛ و محل دقیق بروز چنین خطاهایی نیز عبارت است از همان «پله»های نردبان DNA و زائده‌های پیرامونی مولکول RNA، که در اصطلاح زیست‌شناسی، «بازهای نوکلئوتیدی» خوانده می‌شوند.

در مجموع پنج گونه باز نوکلئوتیدی به پیوندهای مولکول‌های DNA و RNA شکل داده که عبارتند از مولکول‌های آدنین (A)، سیتوزین (C)، گوانین (G)، تیمین (T)، و اوراسیل (U)، که نقش حروف اساسی تشکیل‌دهنده رمز ژنتیکی را ایفا می‌کنند. چنانچه این حروف در ساختار DNA یا RNA به پیوندی اشتباه منجر شوند، معنایی متفاوت و عمدتاً مخرب حین خوانش رمز ژنتیکی طی فرآیند تولید پروتئین برداشت خواهد شد، و نابهنجاری‌هایی جبران‌ناپذیر در بدن موجود مربوطه پدید خواهدآمد.

تاکنون بالغ بر ۶۰ هزار خطای ژنتیکی در ارتباط با امراض انسانی تشخیص داده شده‌ که ۳۵ هزار موردشان حاصل جابجایی تنها یک باز نوکلئوتیدی است. چند سالی است که با معرفی تکنیک اصطلاح این جابجایی‌ها (موسوم به تکنیک «ویرایش باز»، base editing)، امکان خنثی‌سازی چنین جهش‌هایی در نه فقط ساختار DNA، بلکه در ساختار RNA نیز فراهم آمده است.

ایده این تکنیک، از فناوری «کریسپر» (CRISPR) نسب می‌برد که ابزار آزمایشگاهی کارآمدی با هدف برش‌ رشته DNA از نقاطی مشخص و تعریف خطاهایی است که ژن‌ها را غیرفعال می‌کنند. اما چنین روشی از کارآمدی کافی برای اِعمال اصطلاحات نقطه‌ای در بازهای نوکلئوتیدی برخوردار نیست. در سال گذشته، دیوید لیو، از شیمیدانان دانشگاه هاروارد کوشید با ایجاد تغییراتی در فناوری کریسپر، امکان واگشایی نردبان DNA و تعویض بازهای نوکلئوتیدی را بدون اعمال هرگونه برشی در آن فراهم کند.

گروه لیو و همکارانش در سال گذشته موفق شدند از طریق همین روش، یک واحد C نابهنجار را بایک واحد T تعویض نمایند، و در سال جاری نیز یک واحد G نابهنجار (که به متداول‌ترین نوع جهش شکل داده) را با یک واحد A. همزمان تیمی مستقل به سرپرستی فنگ ژانگ از انیستیتو براود ماساچوست نیز از همین طریق یک واحد G را در مولکول RNA را به واحد A بدل کردند.

در همین اثناء، محققان چینی با اصطلاح نقطه‌ای جهش‌ها در رویان انسان، چشم‌انداز سخت روشن پیش رو را تا حدودی ترسیم کردند: اگرچه رویان اصطلاح‌شده کشت نشد و اصلاحات در کلیه موارد پاسخگو نبود، اما رؤیای بی‌اثرسازی جهش‌های ژنتیکی ِ منتهی به نابهنجاری‌های لاعلاج امروز از همه‌وقت کمتر به یک رؤیا شباهت دارد.