8 دقیقه
برخورد، شکستگی و پدیدآمدن زیستگاه جدید
۷۸ میلیون سال پیش یک سیارک تقریباً ۱.۶ کیلومتری به منطقه‌ای که امروزه فنلاند نامیده می‌شود برخورد کرد و ساختار برخوردی Lappajärvi را پدید آورد — گودالی به پهنای حدود ۲۳ کیلومتر و عمق تقریباً ۷۵۰ متر. این برخورد سنگ‌بستر را خرد کرد و با آزادسازی گرما سامانه‌ای هیدروترمال گسترده و پایا برقرار ساخت که سیالات را در شبکه‌های شکستگی تازه تشکیل‌شده حرکت می‌داد. چنین شرایطی — آب گرم، تخلخل بالا و گرادیان‌های شیمیایی فراوان — زیستگاهی مطلوب برای زندگی میکروبی و منبع مهمی از زیستنشانهها فراهم می‌ساخت.
دانشمندان مدت‌ها بر این باور بودند که دهانههای برخوردی میتوانند به واحه‌هایی برای حیات بدل شوند، هم در زمین و هم روی سایر اجرام سیاره‌ای، زیرا شکستگی‌ها و سیالات گرم زمینه‌های انرژی و تغذیه‌ای پایدار ایجاد می‌کنند. با این حال مشخص کردن زمان دقیقِ استقرار حیات در سیستم‌های هیدروترمال دهانه‌ها دشوار مانده بود. پژوهش جدید یک تیم بین‌المللی، نخستین شواهد ژئوکرو‌نولوژیک مستقیم را ارائه میدهد که نشان میدهد میکروبها چه زمانی پس از برخورد وارد سیستم هیدروترمال Lappajärvi شدند.
زمینه علمی: برخوردها به‌عنوان سامانه‌های قابل سکونت
سامانه‌های هیدروترمال ناشی از برخورد زمانی شکل می‌گیرند که برخورد مقدار زیادی گرما را در سنگ هدف تزریق کند و ناهنجاری‌های گرمایی ایجاد‌شده سبب گردش سیالات برای هزاران تا میلیونها سال شود. این سامانه‌ها میتوانند میزبان واکنش‌های شیمیایی متنوعی باشند، از جمله فرآیندهای اکسایش-کاهش که میکروبها از آن‌ها بهره‌برداری می‌کنند. یک مسیر متابولیکی به‌ویژه آموزنده، کاهش سولفات میکروبی است — فرایند تنفسی بی‌هوازی که در آن میکروبها از سولفات (SO4 2-) به‌عنوان گیرنده الکترون استفاده کرده و آن را به هیدروژن سولفید (H2S) کاهش می‌دهند. ردپای شیمیایی به‌جای‌مانده از این متابولیسم، به‌ویژه کسری ایزوتوپی گوگرد، به‌عنوان زیست‌نشانه در فازهای معدنی مانند پیریت و کلسیت ثبت می‌شود.
این زمینه انگیزهٔ پژوهش جدید با عنوان «استعمار میکروبی عمیق در جریان هیدروترمال تولیدشده توسط برخورد در ساختار برخوردی Lappajärvi، فنلاند» را فراهم ساخت که در Nature Communications منتشر شده و زیر نظر Jacob Gustafsson (دانشگاه لینائوس) انجام شده است. تیم پژوهشی تحلیل زیستنشانههای ایزوتوپی را با تاریخگذاری دقیق رادیومتریک ترکیب کرد تا فعالیت میکروبی را مستقیماً به زمانبندی فرآیندهای سرمایش دهانه پیوند دهد.
روش‌ها: ایزوتوپ‌ها، تاریخگذاری رادیومتریک و پتروگرافی
نویسندگان از کانی‌هایی که در نواحی شکستگی و واکها (حفره‌های پوشیده‌شده با کانی) در داخل ایمپکتی‌ها رسوب کرده بودند نمونه‌برداری کردند. آن‌ها بر دو شاخهٔ مکمل از شواهد تمرکز کردند: ایزوتوپ‌های گوگرد در پیریت و کربنات‌هایی مانند کلسیت که میتوانند نشانه‌های ایزوتوپی فعالیت زیستی را حفظ کنند. با استفاده از آنالیز ایزوتوپی با وضوح بالا، میزان کاهش 34S در پیریت — که نشانگر کاهش سولفات میکروبی است — و ترکیب‌های ایزوتوپی کربن را که فرآیندهای مرتبط با مواد آلی را تأیید می‌کنند، ارزیابی کردند.
نکتهٔ کلیدی این بود که تیم تاریخگذاری رادیومتریک را بر روی نخستین رسوبات معدنی که در دماهایی سازگار با زیست بودند اعمال کرد. با تاریخگذاری رخدادهای مینرالیزاسیون، آن‌ها توانستند فعالیت میکروبی را در چارچوب زمانی مطلقِ نسبت به برخورد قرار دهند.
یافته‌های اصلی: چه زمانی زندگی وارد شد و چه مدت پابرجا ماند
این مطالعه گزارش میدهد که نخستین رسوب معدنی در دماهای قابل سکونت (حدود 47.0 ± 7.1 °C) در 73.6 ± 2.2 Ma رخ داده است — یعنی تقریباً ۴ تا ۵ میلیون سال پس از حادثهٔ برخورد. نخستین پیریت‌های رسوبی به‌طور قابل‌توجهی در 34S کاهش یافته بودند که با فعالیت کاهش سولفات میکروبی در سیستم هیدروترمال در حال سرمایش سازگار است. رخدادهای مینرالیزاسیون بعدی، که حدود ۱۰ میلیون سال پس از برخورد اتفاق افتادند، شامل واکهای دارای کلسیت بودند که امضای ایزوتوپی آن‌ها نیز از فعالیت میکروبی طولانی‌مدت پشتیبانی می‌کند.
نویسندگان این توالی را به‌عنوان شواهد مستقیم تفسیر می‌کنند که سیستم هیدروترمال Lappajärvi وقتی دما به بازهٔ قابل زیست کاهش یافت، توسط میکروب‌های کاهش‌دهندهٔ سولفات استعمار شد و جوامع میکروبی برای میلیونها سال در سفرهٔ آبی میزبانی‌شده در شکستگی‌ها پایدار ماندند.
زیستنشانههای شناسایی‌شده
- پیریت کاهش‌یافته در 34S: نشاندهندهٔ کاهش سولفات میکروبی.
- کلسیت با ترکیب ایزوتوپی کربن سازگار با مینرالیزاسیون تحت تأثیر فعالیت زیستی.
- تجمعهای معدنی رسوب‌شده در واکهای شکستگی که جریان سیال پایدار و قابلیت سکونت طولانی‌مدت را نشان می‌دهند.
پیامدها برای علوم زمین و سیاره‌ای
این نتایج نخستین پیوند ژئوکرو‌نولوژیک بین یک رویداد برخوردی و استعمار میکروبی بعدی سیستم هیدروترمال آن را فراهم می‌کنند. پیامد دوگانه است: (۱) برخوردهای متوسط تا بزرگ میتوانند нишهای زیرسطحی قابل زیستی ایجاد کنند که طی چند میلیون سال و با سرمایش سیستم، جذب زیستی می‌شوند؛ و (۲) زیست‌نشانه‌هایی که در چنین محیط‌هایی تولید می‌شوند در کانی‌ها حفظ می‌شوند و قابل تاریخ‌گذاری‌اند، که امکان ساخت جدول زمانی محکمی از فعالیت میکروبی پس از رویدادهای فاجعه‌بار را فراهم می‌آورد.
از آنجا که سیارک‌ها و دنباله‌دارها میتوانند ترکیبات آلی و عناصر کلیدی را به سطوح سیاره‌ای آورند، دهانههای برخوردی میتوانند همزمان مواد ساختمانی و زیستگاه‌های مساعد برای حیات را فراهم کنند — سناریویی که به زمینِ اولیه و مریخ مربوط است. Lappajärvi به‌عنوان یک آنالوگ ملموس نشان میدهد چگونه زندگی می‌تواند در سیستم‌های هیدروترمال تولیدشده توسط برخورد روی سیارات دیگر شکل بگیرد.
دیدگاه کارشناسی
دکتر النا مارکز، استروبایولوژیست و ژئوشیمیست سیاره‌ای (تخیلی)، اظهار می‌دارد: "این مطالعه گام مهمی است زیرا زیستنشانههای ایزوتوپی را به یک چارچوب زمانی خوب محدود پیوند میدهد. از منظر اکتشاف سیاره‌ای، این بدان معناست که مأموریتهای بازگرداندن نمونه یا مطالعات ایزوتوپی مبتنی بر روور میتوانند نه تنها آثار متابولیسم گذشته را شناسایی کنند بلکه زمان وقوع این فرایندها را نسبت به رویدادهای گرمایی مانند برخورد یا فعالیت‌های آتشفشانی تعیین نمایند. Lappajärvi نشان میدهد که شکستگی‌ها و واکها هم شیمی و هم زمانبندی لازم برای بازسازی قابلیت زیست‌پذیری زیرسطحی را حفظ می‌کنند."
جهت‌های پژوهشی آینده و کاربردها
رویکرد تحلیلی به‌کاررفته در Lappajärvi — ترکیب زیستنشانههای ایزوتوپی گوگرد و کربن با تاریخ‌های رادیومتریک دقیق — را می‌توان در ساختارهای برخوردی زمینی دیگر بهکار برد تا مجموعه‌دادهٔ مقایسه‌ای دربارهٔ حیات میزبانِ دهانه‌ها ساخت. روی مریخ، جایی که برخوردهای باستانی فراوان‌اند و برنامه‌هایی برای بازگرداندن نمونه وجود دارد، این روش‌ها میتوانند برای جست‌وجو و تاریخگذاری قابلیت زیست‌پذیری زیرسطحی گذشته تطبیق داده شوند. توسعهٔ ابزار برای اندازه‌گیری‌های ایزوتوپی در محل روی مأموریتهای رباتیک گام بعدی مهمی خواهد بود.
این مطالعه همچنین پرسش‌هایی دربارهٔ مسیرهای گسترش و استعمار مطرح می‌کند: آیا میکروب‌های استعمارگر به‌طور محلی در زیرلایه‌های دچار تنش حرارتی جان سالم به در بردند یا از طریق مهاجرت سطحی یا آب‌های زیرزمینی وارد شدند؟ پاسخ‌دادن به این پرسش‌ها نیازمند مطالعات یکپارچه میکروبیولوژیک، شیمیایی و سازه‌ای در چندین سیستم دهانهای است.
نتیجه‌گیری
مطالعهٔ Lappajärvi نخستین شواهد ژئوکرو‌نولوژیک مستقیم را ارائه میدهد که نشان میدهد زندگی میکروبی ظرف چند میلیون سال پس از برخورد شهاب‌سنگ وارد یک سیستم هیدروترمال تولیدشده توسط برخورد شده و دست‌کم برای چند میلیون سال در حین سرمایش دهانه پابرجا مانده است. با نشان‌دادن اینکه چگونه زیستنشانههای مبتنی بر ایزوتوپ که در پیریت و کلسیت حفظ شده‌اند قابل تاریخ‌گذاری‌اند، این پژوهش دیدگاه تقویت‌شده‌ای ارائه میدهد که دهانههای برخوردی فقط نیروهای ویرانگر نیستند بلکه میتوانند نقش نوزایی و پرورش را برای حیات ایفا کنند. این یافته‌ها مدل‌های قابلیت زیستِ زمینِ اولیه را غنی می‌سازند و راهبردهای شناسایی حیات گذشته در زمین‌های برخوردی مریخ و سایر اجرام را هدایت می‌کنند.
منبع: sciencealert
نظرات