آب به تدریج به زمین رسید، نه در یک رویداد بزرگ
1
زمین، تنها سیاره شناخته‌شده‌ای که از حیات پشتیبانی می‌کند، بخش عمده‌ای از قابلیت سکونت خود را مدیون آب است. درک زمان و چگونگی ورود آب به زمین برای کنار هم قرار دادن داستان منشأ حیات حیاتی است.
دانشمندان مدت‌هاست که در این مورد بحث می‌کنند که آیا آب از همان ابتدا همراه با شکل‌گیری زمین وجود داشته یا اینکه بعدها از منابع خارجی وارد شده است. یک مطالعه جدید که توسط یک دانشمند از دانشگاه راتگرز-نیو برانزویک انجام شده، نظریه‌های موجود را به چالش می‌کشد و پیشنهاد می‌دهد که آب بسیار دیرتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد، به زمین رسیده است.
یافته‌های این تحقیق نشان می‌دهد که زمین در مراحل پایانی شکل‌گیری خود آب دریافت کرده است. این کشف می‌تواند درک علمی ما را از شرایط لازم برای شکل‌گیری حیات دگرگون کند.
محققان با بررسی ایزوتوپ‌های موجود در سنگ‌های زمین و مقایسه آن‌ها با شهاب‌سنگ‌ها، بینش‌های جدیدی در مورد زمان و فرآیند ورود آب به سیاره ما ارائه کرده‌اند.
زمان‌بندی منشأ حیات
دانشمندان در تلاش هستند تا زمان ظهور اولین عناصر کلیدی برای حیات بر روی زمین را مشخص کنند. آب، انرژی و ترکیبی از مواد شیمیایی آلی معروف به CHNOPS (کربن، هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن، فسفر و گوگرد) برای ظهور حیات ضروری هستند.
تعیین زمان ورود این عناصر می‌تواند سرنخ‌هایی درباره زمان آغاز حیات ارائه دهد.
کاترین برمینگام، استاد دانشیار در گروه علوم زمین و سیاره‌ای دانشگاه راتگرز و نویسنده اصلی این مطالعه می‌گوید:
“زمان ورود آب به زمین یکی از سؤالات بی‌پاسخ عمده در علم سیاره‌شناسی است. اگر پاسخ این پرسش را بدانیم، می‌توانیم به‌طور دقیق‌تر مشخص کنیم که حیات چگونه و چه زمانی توسعه یافته است.”
تحقیقات او نشان می‌دهد که برخلاف برخی نظریه‌ها، آب در مراحل اولیه تشکیل زمین وجود نداشته است. در عوض، این سیاره آب را بسیار دیرتر از طریق فرآیندی به نام “افزایش نهایی” (Late Accretion) دریافت کرده است؛ زمانی که مواد اضافی از فضا همچنان به شکل‌گیری زمین کمک می‌کردند.
بررسی اجزای سازنده سیارات
برمینگام در زمینه کیهان‌شیمی تخصص دارد، شاخه‌ای از علم که ترکیب شیمیایی مواد سیاره‌ای را برای درک منشأ آن‌ها مطالعه می‌کند. او با تجزیه و تحلیل سنگ‌های زمینی و مواد فرازمینی مانند شهاب‌سنگ‌ها، نحوه تشکیل و تکامل سیارات سنگی از جمله زمین را بررسی می‌کند.
در این مطالعه، تیم تحقیقاتی برمینگام از روش طیف‌سنجی جرمی یونیزاسیون حرارتی (TIMS) استفاده کرده‌اند که روشی دقیق برای اندازه‌گیری ترکیبات ایزوتوپی است. آن‌ها یک روش تحلیلی جدید برای بررسی ایزوتوپ‌های مولیبدن (Mo) توسعه دادند؛ عنصری که هم در پوسته زمین و هم در شهاب‌سنگ‌ها یافت می‌شود.
ایزوتوپ‌ها گونه‌هایی از یک عنصر هستند که تعداد پروتون‌های یکسان اما تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند. این تفاوت باعث ایجاد جرم اتمی متفاوت در آن‌ها می‌شود، در حالی که خواص شیمیایی آن‌ها ثابت می‌ماند.
برمینگام توضیح می‌دهد:
“ترکیب ایزوتوپی مولیبدن در سنگ‌های زمینی، دریچه‌ای منحصر به فرد به رویدادهایی است که در زمان شکل‌گیری نهایی هسته زمین رخ داده‌اند، زمانی که ۱۰ تا ۲۰ درصد از مواد باقی‌مانده به این سیاره افزوده می‌شدند. این دوره با زمان تشکیل ماه همزمان در نظر گرفته می‌شود.”
مقایسه شهاب‌سنگ‌ها و سنگ‌های زمینی
برای ردیابی تاریخچه شیمیایی اولیه زمین، تیم تحقیقاتی نمونه‌های شهاب‌سنگی را از موزه ملی تاریخ طبیعی اسمیتسونیان بررسی کرد. دانشمندان شهاب‌سنگ‌ها را بر اساس محل پیدایش آن‌ها در منظومه شمسی به دو گروه اصلی تقسیم می‌کنند:
گروه اول، شهاب‌سنگ‌های “CC” که احتمالاً در بخش خارجی منظومه شمسی، جایی که شرایط مرطوب‌تر بوده، تشکیل شده‌اند.
گروه دوم، شهاب‌سنگ‌های “NC” که از بخش داخلی منظومه شمسی، جایی که شرایط خشک‌تر بوده، منشأ گرفته‌اند.
در این مطالعه، محققان بر روی شهاب‌سنگ‌های گروه NC تمرکز کردند تا ترکیب شیمیایی آن‌ها را با سنگ‌های زمینی مقایسه کنند.
آن‌ها ایزوتوپ‌های مولیبدن را در سنگ‌هایی از گرینلند، آفریقای جنوبی، کانادا، ایالات متحده و ژاپن بررسی کردند. این سنگ‌ها به دوران تشکیل ماه بازمی‌گردند و تصور می‌شود که حاوی عناصری هستند که در آن زمان به زمین اضافه شده‌اند.
آب زمین ممکن است دیرتر از تصور قبلی رسیده باشد
برمینگام می‌گوید:
“پس از جمع‌آوری نمونه‌های مختلف و اندازه‌گیری ترکیب ایزوتوپی آن‌ها، امضای ایزوتوپی شهاب‌سنگ‌ها را با سنگ‌های زمینی مقایسه کردیم تا ببینیم شباهت یا تفاوتی وجود دارد. و از آنجا، نتیجه‌گیری‌های خود را انجام دادیم.”
تجزیه و تحلیل نشان داد که ترکیب مولیبدن سنگ‌های زمینی شباهت زیادی به شهاب‌سنگ‌های گروه NC دارد، که از بخش خشک‌تر منظومه شمسی منشأ گرفته‌اند.
این یافته نشان می‌دهد که اجزای سازنده زمین عمدتاً از منطقه‌ای در منظومه شمسی که آب در آن کمیاب بوده، آمده‌اند.
بازنگری در منشأ آب زمین
برمینگام اظهار داشت:
“ما باید مشخص کنیم که اجزای سازنده زمین – گرد و غبار و گازها – از کجا آمده‌اند و این فرآیند چه زمانی رخ داده است. این اطلاعات برای درک زمان آغاز حیات ضروری است.”
اگر بیشتر مواد اولیه زمین از بخش خشک‌تر منظومه شمسی آمده باشد، پس رویداد تشکیل ماه احتمالاً سهم زیادی در ورود آب به زمین نداشته است. در عوض، آب باید بعدها در مقادیر کمتری وارد شده باشد.
سؤالاتی درباره شرایط اولیه حیات
برمینگام توضیح داد:
“نتایج ما نشان می‌دهد که برخلاف تصورات قبلی، رویداد تشکیل ماه سهم عمده‌ای در تأمین آب زمین نداشته است. با این حال، یافته‌های ما نشان می‌دهد که مقدار کمی آب پس از شکل‌گیری نهایی هسته، در طی دوره‌ای به نام افزایش نهایی، به زمین اضافه شده است.”
این کشف سؤالات جدیدی را درباره مدت زمانی که زمین برای تبدیل شدن به سیاره‌ای قابل سکونت نیاز داشت، مطرح می‌کند. اگر آب دیرتر از آنچه تصور می‌شد به زمین رسیده باشد، پس شاید ظهور حیات نیز بیشتر از آنچه تاکنون فکر می‌کردیم زمان برده است.
گام بعدی در جستجوی منشأ آب زمین
این مطالعه گامی به جلو در کشف گذشته زمین محسوب می‌شود اما همزمان سؤالات بی‌پاسخ زیادی را درباره منشأ آب و حیات مطرح می‌کند.
تحقیقات آینده احتمالاً بر اصلاح مدل‌های تشکیل سیارات، بررسی نمونه‌های شهاب‌سنگی بیشتر و مطالعه نشانگرهای ایزوتوپی دیگر تمرکز خواهد کرد.
این پژوهش که در مجله Geochimica et Cosmochimica Acta منتشر شده است، مرزهای علم سیاره‌شناسی را گسترش می‌دهد و ما را به درک بهتر از اینکه چگونه زمین به سیاره‌ای با قابلیت پشتیبانی از حیات تبدیل شد، نزدیک‌تر می‌کند.
