دماي زمين در ابتداي تشکيل حيات

حدود 3/4 ميليارد سال پيش وقتي که زمين ديگر پيوسته زير ضربه هاي سنگ هاي عظيم فضاي بيروني قرار نداشت، ماگماي سرد و شکل گيري پوسته قاره يي آغاز شد. بخار آب اتمسفر باريدن گرفت و روي سطح زمين جوان، اقيانوس هايي را به وجود آورد. پس از اين احتمالاً چندان طول نکشيد تا حيات پديد آيد.

به نظر مي رسد آن سرشت داغ روزهاي نخستين سياره مان، خود را در درخت حيات نمايان ساخته است؛ کهن ترين شاخه هاي درخت حيات ترموفيل ها غگرمادوست هاف هستند، ميکروب هايي که در دماهاي بالاتر از 50 درجه سلسيوس (122 درجه فارنهايت) يا گرم تر از آن هم دوام مي آورند. امروزه اين اشکال حيات تک سلولي را مي توان در منفذهاي آتشفشاني زير دريا يا در آبفشان هاي در حال بخار (مشابه آنهايي که در پارک ملي يلواستون هستند) يافت.

اما درباره دماي زمين در سرآغاز شکل گيري حيات همچنان ترديدهايي باقي مانده است، از جمله اينکه آيا ترموفيل ها واقعاً نماينده نخستين زيستمنداني هستند که روي سياره ما نمايان شده است.

دانشمندان براي چشم دوختن به گذشته، به کهن ترين سنگ ها مي نگرند. سنگ ها مي توانند به ما بگويند چه نوع گازهايي اتمسفر را تشکيل دادند و از ارتباطات متقابل شيميايي که در محيط رخ مي داد، خبر دهند. متاسفانه اکثر سنگ هاي سياره ما براي هميشه دگرگون شده اند و تاريخ شان پاک شده است. صفحات تکتونيکي که پوسته سياره را مي سازند، به هم کوفته مي شوند تا کوه ها را بسازند و زير يکديگر فرو مي روند تا بار ديگر ذوب شوند. با اين حال برخي سنگ ها به خاطر وضعيت جغرافيايي شان، اين بخت را دارند که از اين برنامه بازچرخ و تدفين سنگ کنار بمانند.

گرينلند کهن ترين سنگ هاي رسوبي را دارد که تاريخ شان تا 8/3 ميليارد سال پيش هم برمي گردد. به تازگي سنگ هايي در کانادا يافت شده اند که تاريخ شان به 75/3 ميليارد سال پيش برمي گردد، درحالي که استراليا و آفريقاي جنوبي سنگ هاي 5/3 ميليارد ساله دارند. (گنيس هاي آتشفشاني 4 ميليارد ساله در شمال غربي کانادا قديمي ترين سنگ ها هستند، اما سنگ هايي که در زير يک آتشفشان شکل گرفته اند نمي توانند چيز چنداني درباره محيط سطحي به ما بگويند. سنگ هاي رسوبي از انباشته شدن تدريجي لايه هاي خاک ساخته مي شوند و علاوه بر آن فسيل هايي که درون اين لايه ها به دام مي افتند، از اين که محيط چه شکلي بوده است تصوير بهتري ارائه مي دهند.)

دانشمندان مشغول بررسي اين سنگ ها هستند تا بهتر بفهمند سرد شدن زمين کي و چگونه آغاز شده است. با اين وجود، اقليم يک پديده پيچيده است و عوامل بسياري مي توانند بر آن اثر بگذارند. دانشمنداني که به جنبه هاي مختلف پيشينه سنگ مي نگرند، اغلب درباره گذشته دچار اختلاف نظر مي شوند. خورشيد حدود 4 ميليارد سال پيش يک ستاره کم فروغ و جوان بود و بنابر اين زمين پرتوهاي کمتري از خورشيد دريافت مي کرد. با اين حال دماي يک سياره به چيزهايي بيش از ستاره يي که به دورش مي گردد، بستگي دارد. دماي سطحي زهره، سياره همسايه ما، به بيش از 400 درجه سلسيوس (800 درجه فارنهايت) مي رسد. گرچه زهره از زمين به خورشيد نزديک تر است، اما دليل اصلي اقليم داغ آن به اتمسفر ضخيم و گلخانه يي زهره برمي گردد که گرما را به دام مي اندازد.

مدل هاي نظري نشان مي دهند که اتمسفر ابتدايي زمين از گازهاي گلخانه يي مثل دي اکسيدکربن، متان و بخار آب و علاوه برآنها از هيدروژن و نيتروژن تشکيل شده بود. اين اتمسفر متراکم مي توانست زمين را سوزان و داغ نگه دارد. پس از اين نقطه، ديگر دانش ما درباره تغييرات اقليمي پيش آمده به اندازه خود اتمسفر مبهم و مه آلود است. برخي دانشمندان مثل «نورم اسليپ» از دانشگاه استنفورد فکر مي کنند که زمين ابتدايي به خاطر تاثير حرکت هاي تکتونيکي به سرعت سرد شد. مواد معدني کربناتي (که در نتيجه سطوح بالاي دي اکسيدکربن در آب و اتمسفر شکل گرفتند) مدفون شدند و مقدار عظيمي از کربن را از چرخه حذف کردند و سبب تشکيل اتمسفري با دي اکسيدکربن کمتر شدند. مقادير کمتر اين گاز گلخانه يي مي توانست باعث سرد شدن سريع شود تا زماني که دماها به ميانگين دماي متعادل 30 درجه سلسيوس (86 درجه فارنهايت) برسند. در واقع «اسليپ» فکر مي کند مقدار ابتدايي دي اکسيدکربن به قدري کم بود که زمين کهن در زمان هاي مختلف به يک گوي برفي تبديل شده است، به عبارت ديگر زمين به قدري سرد شد که سياره ما تقريباً به طور کامل با پوسته يي از يخ پوشانده شده است.

ديگر دانشمندان مثل «ديويد شوارتزمن» از دانشگاه هاروارد عقيده دارند که زمين ابتدايي داغ باقي مانده است. «شوارتزمن» فکر مي کند حرکات تکتونيکي تمام کربن را مدفون نساخته است.

در عوض او مي گويد که دي اکسيدکربن براي مدتي طولاني يک عامل اقليمي مهم باقي ماند و زمين را تا 5/1 ميليارد سال پيش برشته نگه داشته است، با دمايي که به طور متوسط بين 50 تا 70 درجه سلسيوس (122 تا 158 فارنهايت) قرار داشت.

«شوارتزمن» در اين باره مي گويد؛ «تا 8/2 ميليارد سال پيش فشار دي اکسيدکربن حداقل يک «بار» (bar) بود که ده هزار برابر مقدار کنوني است.» حول وحوش آن زمان ساينوباکتري ها و ديگر اشکال حيات ميکروبي تکثير شدند و مکش مقادير عظيم کربن را شروع کردند. پس از آن متان، که توسط بخشي از اين حيات ميکروبي در حال رشد توليد شده بود، به گاز غالب تبديل شد. فراواني متان نسبت به دي اکسيدکربن يک دهم يا کمتر بود و بعد به گفته «شوارتزمن»؛ «اما همان طور که امروز از گرمايش جهاني مي دانيم متان، کمش هم خيلي زياد است. متان همچنان تا 3/2 ميليارد سال پيش زمين را گرم نگه داشت، اما پس از آن بود که گاز پسماند توليدشده توسط ساينوباکتري ها تاثير بزرگ خود را کم کم شروع کرد. اين گاز پسماند، اکسيژن بود و به کندي طي ميليون ها سال ساخته شد. اکسيژن به متان واکنش داد و با افت مقدار متان، افت دما هم آغاز شد.»وي در ادامه مي گويد؛ «دوره هاي کوتاهي از سرما در خلال روند سراسري گرما رخ داد. يک دوره يخبندان حدود 9/2 ميليارد سال و يکي ديگر در 3/2 ميليارد سال پيش.»«شوارتزمن» هر دو اين يخبندان ها را به افزايش اکسيژن در اتمسفر نسبت مي دهد. پس از نخستين يخبندان، دما دوباره به حالت اول بازگشت تا دوباره افت هاي کوتاه مدت اما شديدي را در سال هاي بعد تجربه کند. روند اقليمي گرماي سراسري در نهايت زماني به پايان رسيد که اکسيژن آزاد، يافتن عناصري براي واکنش را متوقف ساخت و سطوح اکسيژن اتمسفر تازه به پايداري مي رسيد.«جيم کاستينگ» از دانشگاه ايالتي «پن» ديدگاه متفاوتي دارد. غيراز سناريوي «شوارتزمن» درباره دوره داغ طولاني و در پي آن سرماي نسبتاً تازه يا افت ناگهاني و زودرس دما در سناريوي «اسليپ»، «کاستينگ» فکر مي کند که سرد شدن زمين تدريجي تر بوده است. او مي گويد زمين سوزان ابتدايي حدود 4 ميليارد سال پيش سرد شدن را شروع کرد و به لطف دفن کربن در تکتونيک ها، به قدر کافي سرد شده که در 9/2 ميليارد سال پيش يخچال ها توسعه يابند.

دانشمندان درباره نشانه هاي مختلف پيشينه سنگي در دماهاي گذشته بحث مي کنند. آنها درباره نسبت ايزوتوپ هاي اکسيژن در زمان زمين شناختي، سرعت دفن تکتونيک ها، دگرگوني سيليس غاکسيد سيليسيمف، اثر زيست شناختي بر سرعت فرسايش و ديگر فرآيندهاي مختلف و پيچيده و غالباً مربوط به هم به بحث مي پردازند که چيزي بسيار ساده مانند سنگ را به رونوشتي مخدوش از راز تاريخي تبديل مي کند. براي اخترزيست شناسان پرسش نهايي درباره اقليم ابتدايي زمين اين است؛ براي پيدايش حيات چه دمايي لازم بود؟ شايد هم اين باشد؛ آيا حيات مي توانست در بسياري از وضعيت هاي دمايي مختلف رخ دهد؟ بسياري از دانشمندان، از جمله «شوارتزمن»، تصور مي کنند حيات روي زمين در منافذ هيدروترمال غگرما-آبيف فوق العاده داغ در کف اقيانوس ها شکل گرفت. در حالي که طبيعت ريشه دار ترموفيل ها غگرمادوست هاف در درخت حيات پشتوانه يي به اين نظر مي دهد، اما برخي دانشمندان اشاره مي کنند که ساختار آسيب پذير حيات( مثل پروتئين ها و مولکول هاي DNA) اغلب در دماهاي بالا از هم فرومي پاشد. در ضمن «اسليپ» تصور مي کند حيات احتمالاً تحت شرايط سرما پديد آمده است، جايي که چرخه هاي يخ زدگي- آب شدگي عدم تعادل پرانرژي لازم را ايجاد مي کند. با اين حال به باور «کاستينگ» حيات به احتمال زياد در دماهاي متوسط شکل گرفت؛ پس از آنکه زمين چندين تïن ماده آلي پيچيده را از برخوردهاي دنباله دار و شهاب دريافت داشت.شايد پاسخ پرسش درباره دماهاي ابتدايي زمين (و حيات) در خود حيات يافت شوند.

در گزارشي که به تازگي در نشريه نيچر منتشر شد، دانشمندان پروتئين هاي باکتري هاي کهن را براي سنجش اتمسفر زمين طي اعصار گذشته، بازسازي کردند. آنها با مقايسه حساسيت گرمايي پروتئين هاي بازسازي شده دريافتند که زيستمندان در 5/3 ميليارد سال پيش در محيطي داغ در 75 درجه سلسيوس (165 درجه فارنهايت) مي زيسته است و اين محيط تا 500 ميليون سال پيش به تدريج تا 40 درجه سلسيوس (100 درجه فارنهايت) سرد شده است.«اريک گاوچر» رئيس تحقيق علمي در تکامل مولکولي کاربردي در گانس ويل فلوريدا و دانشمند ارشد اين پژوهش مي گويد؛ «با بررسي پروتئين هايي که توسط اين ژن هاي آغازي رمزگذاري شده اند، مي توانيم اطلاعاتي درباره شرايط محيطي زمين ابتدايي کسب کنيم. ژن ها براي سازش با شرايط محيطي که ارگانيسم در آن زندگي مي کند، تکامل مي يابند. احياي اين ژن ها (که مدت ها پيش منقرض شده اند) به ما فرصت تحليل و تشريح محيط زندگي کهن را مي دهد که در زنجيره ژن ثبت شده است. ژن ها اصولاً رفتاري مشابه فسيل هاي پويا دارند.»

Astrobiology, 26Feb.2008