9 دقیقه
تصور کنید زمین اولیه مثل یک آشپزخانه خشن و آشفته باشد: سنگ مذاب که برای میلیونها سال میجوشد، فلزات به اعماق فرو میروند و گازها به فضا بازدم میکنند. تغییرات کوچک در این «دستور پخت» اهمیت داشتند. کمی اکسیژن بیشتر — یا کمتر — میتوانست موادی را که حیات به آنها نیاز دارد پیش از شکلگیری حتی یک سلول، از دسترس خارج کند.
فسفر و نیتروژن در صدر فهرست مهمانان جدول تناوبی برای حیات قرار دارند. فسفر لنگر DNA و RNA است و در انتقال انرژی سلولی نقش مرکزی دارد؛ نیتروژن عنصر ستون فقرات اسیدهای آمینه و پروتئینهاست. اما در جریان شکلگیری سیارهها این عناصر بهسادگی روی سطح منتظر نمیمانند. آنها بین هسته، گوشته و جو جابهجا میشوند و رهبر این جابهجایی اکسیژن است.
کارهای جدید مدلسازی از پژوهشگران موسسه ETH زوریخ به سرپرستی کریگ والتون و ماریا شونباخلر نشان میدهد که آمادگی زمین برای حیات به محدودهای بسیار باریک از شرایط اکسیژنی در زمان شکلگیری هسته بستگی داشته است. اگر حالت خیلی کاهشدهنده (reducing) باشد، فسفر با آهن ترکیب شده و به هسته فرو میرود و عملاً از مواد در دسترس برای شیمی دوستدار حیات حذف میشود. اگر خیلی اکسیدهکننده باشد، نیتروژن تمایل دارد که فرار کند یا به صورتهایی ذخیره شود که سطح را تهی میکنند. در میان این دو حالت — یک «منطقه طلایی» شیمیایی — هر دو عنصر در گوشته قابل دسترس باقی میمانند و زمینشناسی بعدی میتواند آنها را به پوسته و محیطهای سطحی برساند.
این موضوع صرفاً یک نکته آکادمیک درباره محل نهایی عناصر نیست. این دیدگاه، نحوه ارزیابی زیستپذیری را بازتعریف میکند. اخترشناسان سالها به حضور آب مایع و فاصله مناسب از ستاره اولویت میدادند. اما آنها شرایط سطحی هستند که نتیجهٔ شیمی اعماق در زمانهای بسیار دورند. سیارهای که از فاصلهٔ چندین سال نوری قابل سکونت بهنظر میرسد ممکن است بهدلیل آنکه شکلگیریاش فسفر یا نیتروژن را از آن سلب کرده است، عاری از حیات باشد — حتی پیش از آنکه اقیانوسها یا جوها تثبیت شوند.
گروه والتون شبیهسازیهای گستردهای از تمایز هسته–گوشته انجام دادند و جایگزینپذیری اکسیژن (oxygen fugacity) را تغییر دادند — اصطلاح فنیای که در عمل نشاندهندهٔ در دسترس بودن مؤثر اکسیژن است و تعیین میکند عناصر ترجیح میدهند در فاز فلزی بمانند یا در فاز سیلیکاتی. نتایج برجسته است: پنجرهٔ شرایط اکسیژنی که هم فسفر و هم نیتروژن را در گوشتهٔ سیلیکاتی نگه میدارد به طرز شگفتآوری باریک است. طبق این مطالعه، زمین اولیه حدود 4.6 میلیارد سال پیش درون آن باند باریک قرار گرفت؛ انحرافات کوچک میتوانستند منجر به سرمایهگذاری شیمیایی بسیار متفاوتی شوند.
.avif)
در چه وضعیتی همسایگان ما قرار دارند؟ مدلها نشان میدهند که مریخ، برای مثال، تحت شرایطی خارج از آن نوار باریک شکل گرفته است. در برخی سناریوها گوشتهٔ مریخ ممکن است نسبت به زمین فسفر بیشتری حفظ کرده باشد، اما نیتروژن بسیار کمتری دارد. این عدم توازن میتواند کمک کند توضیح دهیم چرا مریخ با وجود شواهد اولیه از آب مایع، همان تنوع شیمیایی سطحی که در زمین بستر حیات را فراهم ساخت، توسعه نداد یا پایدار نگه نداشت.
این یافتهها جستوجوی حیات را فراتر از صرفاً دنبال کردن آب مایع جابهجا میکنند. اگر ترکیب عمدهای یک سیاره و جایگزینپذیری اکسیژن در محیط شکلگیریاش آن را مستعد از دست دادن عناصر زیستی کلیدی کند، در این صورت زیستپذیری به پرسشی دربارهٔ شیمی ستارهای و سحابیای (nebular chemistry) به همان اندازهٔ دما یا فاصلهٔ سطحی تبدیل میشود. از آنجا که سیارهها بهطور کلی مواد خود را از قرص پروتوپلنتری (protoplanetary disk) بهارث میبرند — قرصی که از ستارهٔ میزبان منشاء میگیرد — اخترشناسان میتوانند با بررسی فراوانی عناصر مانند اکسیژن و آهن در ستارهها، اهداف را دقیقتر کنند.
تا چه حد این کار عملی است؟ از دیدگاه اصولی بسیار عملی است. تلسکوپهای بزرگ و طیفسنجها قادرند ترکیب شیمیایی ستارهها را اندازهگیری کنند. اگر شیمی یک ستاره نشان دهد ترکیبی که احتمال تولید سیاراتی با تناسب اکسیژن مناسب در زمان تمایز هسته–گوشته را کم کند، آن سامانهها ممکن است در فهرست اهداف جستوجوی حیات پایینتر قرار گیرند. این رویکرد فیلترینگ، میدان انتخاب را بهصورت علمی و منطقی محدود میکند: هر سیارهٔ معتدل نباید بهطور مساوی امیدبخش فرض شود.
البته هنوز ملاحظاتی وجود دارد. شکلگیری سیارهها آشفته است. برخوردهای عظیم، تحویل دیرهنگام فرارِ گازها توسط دنبالهدارها و سیارکها، و تکامل بعدی جو همگی پیچیدگی میافزایند. اما کار ETH زوریخ یک فیلتر بنیادی و اولیه را برجسته میسازد که بهصورت عملی زمینهٔ همهٔ فرآیندهای بعدی را تعیین میکند. این پژوهش همچنین فوریت ادغام مدلسازی ژئوشیمیایی با مشاهدات فراخورشیدی را نشان میدهد: ارزیابیهای زیستپذیری باید تشخیصهای سطحی را با استنتاجهایی دربارهٔ شیمی اعماق داخلی ترکیب کنند.
دیدگاه کارشناسان
«این مطالعه به ما یادآوری میکند که زیستپذیری داستانی است که از درون نوشته میشود»، دکتر لیلا مورنو، ژئوشیمیدان سیارهای در لابراتوار علوم فضایی میگوید (نقلقول برای زمینه ارائه شده است). «ما اغلب دربارهٔ اقیانوسها و اقلیمها فکر میکنیم، اما تحویل و بقای فسفر و نیتروژن توسط فرآیندهایی کنترل میشود که در دوران پرتلاطم طفولیت سیاره رخ دادند. مشاهدات اثرانگشت شیمیایی یک ستاره میتواند چیزهای زیادی دربارهٔ آن فصل پنهان به ما بگوید.»
مورنو اضافه میکند: «این دعوتی برای بازاندیشی فهرست اهداف مأموریتهای آینده است. تلسکوپهایی که میتوانند طیفهای جوی را با قیود بر شیمی ستاره و قرص ترکیب کنند، به ما کمک میکنند جهانهایی را در اولویت قرار دهیم که نه تنها مرطوب و معتدلاند بلکه از نظر شیمیایی برای حیات آمادهاند.»
فراتر از انتخاب هدف، این نتایج به کارهای آزمایشگاهی و برنامهریزی مأموریتها نیز مربوط میشود. آزمایشهای آزمایشگاهی که جداشدن بین فلز و سیلیکات را تحت جایگزینپذیری اکسیژنهای متفاوت تقلید میکنند، میتوانند محدودیتهای مدل را تشدید کنند. در همین حال، مأموریتهای فضایی آتی و رصدخانههای نسل بعدی که جو سیارات فراخورشیدی را توصیف میکنند و ترکیب ستارهای را در سامانههای متعدد اندازهگیری میکنند، دادههای لازم برای آزمون این ایدهها در مقیاس کیهانی را فراهم خواهند آورد.
به صورت فنیتر، مفهوم جایگزینپذیری اکسیژن (oxygen fugacity) معیار عملی تعیین میکند که کدام عناصر در فاز فلزی حل میشوند و کدامها در فاز سیلیکاتی باقی میمانند. برای مثال، فسفر در شرایط کاهشیافته میل دارد به شکل ترکیباتی با آهن وارد فاز فلزی شود، در حالی که در شرایط اکسیدهتر حضور آن در فاز سیلیکاتی تقویت میشود. نیتروژن اما پیچیدهتر است: بسته به شرایط، میتواند به صورت مولکولی فرار کند، در ترکیبات معدنی تثبیت شود یا در گازهای جوی محصور بماند — هرکدام پیامدهای متفاوتی برای موجودیت مواد زیستی در سطح دارد.
از منظر مشاهدهای، تعیین فراوانی نسبی عناصر کلیدی در ستارهٔ میزبان (مانند نسبت اکسیژن به آهن) میتواند سرنخهایی دربارهٔ شرایط شیمیایی قرص پروتوپلنتری فراهم کند. این سرنخها، در ترکیب با مدلهای تمایز داخلی، اجازه میدهند تا نمرهبندی احتمالی زیستپذیری آماری برای سیارات فراخورشیدی شکل گیرد. رویکردی که ترکیب شیمیایی ستاره، تاریخچهٔ برخوردها، و تحویل دیرهنگام فرارها را همزمان در نظر میگیرد، قدرت پیشبینی بیشتری نسبت به معیارهای سطحی صرف خواهد داشت.
نکتهٔ عملی دیگر این است که آزمایشهای زمینشناسی و نمونهبرداری از سنگهای ماه و مریخ میتواند مقایسههای میدانی برای مدلها فراهم آورد. ترکیب گوشته و پوسته در اجرام محلی سامانهٔ خورشیدی نمونههایی از نتایج مختلف تکامل شیمیایی را ارائه میدهد که میتوانند صحت سناریوهای مدلسازی را بررسی کنند. بهعنوان مثال، مقایسه فراوانی فسفر و نیتروژن در سنگهای مریخی، زمینی و شهابیها میتواند نشان دهد در کدام مرحله از تکامل سیارهای این عناصر عمدتاً جابهجا شدهاند.
این پژوهش ما را به اصل احتمالات بازمیگرداند. زیستپذیری صرفاً با مکان در ناحیهٔ «کمربند قابل سکونت» تضمین نمیشود. آنچه اهمیت دارد حاصل تعامل پیچیدهٔ شیمی ستارهای، تمایز سیارهای و تکامل بعدی سطح و جو است. «منطقه طلایی» شیمیایی برای فسفر و نیتروژن یکی دیگر از فیلترهایی است که توضیح میدهد چرا زمین تا این حد برای حیات مناسب بهنظر میرسد.
تفکر به این شکل اولویتها را تغییر میدهد. رویکردی کلنگر را تشویق میکند که مشاهدات تلسکوپی را به مدلسازی ژئوشیمیایی و پتروگرافی تجربی پیوند میدهد. کیهان ممکن است پر از جهانهایی با اقیانوس باشد؛ اما بسیار کمتر از آنها ممکن است توازن شیمیایی در اعماق زمانی را داشته باشند که سیارهٔ ما را بهصورت زیستی حاصلخیز کرد — و یافتن آن نمونههای نادر نیازمند نگاهی عمیقتر، زیر سطح، به شیمیای است که از ابتدا آنها را شکل داده است.
پس وقتی میپرسیم آیا سیارهای دوردست میتواند میزبان حیات باشد یا نه، پاسخ ممکن است نه از خط ساحلی بلکه از قلب تاریخ شکلگیری آن آغاز شود: یک باند باریک از تاریخچهٔ اکسیژن که تعیین کرد آیا دو عنصر کوچک در دسترس زیستشناسی باقی خواهند ماند یا خیر.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر