دمای زمین در ابتدای تشکیل حیات

حدود ۳/۴ میلیارد سال پیش وقتی که زمین دیگر پیوسته زیر ضربه های سنگ های عظیم فضای بیرونی قرار نداشت، ماگمای سرد و شکل گیری پوسته قاره یی آغاز شد. بخار آب اتمسفر باریدن گرفت و روی سطح زمین جوان، اقیانوس هایی را به وجود آورد. پس از این احتمالاً چندان طول نکشید تا حیات پدید آید.

به نظر می رسد آن سرشت داغ روزهای نخستین سیاره مان، خود را در درخت حیات نمایان ساخته است؛ کهن ترین شاخه های درخت حیات ترموفیل ها غگرمادوست هاف هستند، میکروب هایی که در دماهای بالاتر از ۵۰ درجه سلسیوس (۱۲۲ درجه فارنهایت) یا گرم تر از آن هم دوام می آورند. امروزه این اشکال حیات تک سلولی را می توان در منفذهای آتشفشانی زیر دریا یا در آبفشان های در حال بخار (مشابه آنهایی که در پارک ملی یلواستون هستند) یافت.

اما درباره دمای زمین در سرآغاز شکل گیری حیات همچنان تردیدهایی باقی مانده است، از جمله اینکه آیا ترموفیل ها واقعاً نماینده نخستین زیستمندانی هستند که روی سیاره ما نمایان شده است.

دانشمندان برای چشم دوختن به گذشته، به کهن ترین سنگ ها می نگرند. سنگ ها می توانند به ما بگویند چه نوع گازهایی اتمسفر را تشکیل دادند و از ارتباطات متقابل شیمیایی که در محیط رخ می داد، خبر دهند. متاسفانه اکثر سنگ های سیاره ما برای همیشه دگرگون شده اند و تاریخ شان پاک شده است. صفحات تکتونیکی که پوسته سیاره را می سازند، به هم کوفته می شوند تا کوه ها را بسازند و زیر یکدیگر فرو می روند تا بار دیگر ذوب شوند. با این حال برخی سنگ ها به خاطر وضعیت جغرافیایی شان، این بخت را دارند که از این برنامه بازچرخ و تدفین سنگ کنار بمانند.

گرینلند کهن ترین سنگ های رسوبی را دارد که تاریخ شان تا ۸/۳ میلیارد سال پیش هم برمی گردد. به تازگی سنگ هایی در کانادا یافت شده اند که تاریخ شان به ۷۵/۳ میلیارد سال پیش برمی گردد، درحالی که استرالیا و آفریقای جنوبی سنگ های ۵/۳ میلیارد ساله دارند. (گنیس های آتشفشانی ۴ میلیارد ساله در شمال غربی کانادا قدیمی ترین سنگ ها هستند، اما سنگ هایی که در زیر یک آتشفشان شکل گرفته اند نمی توانند چیز چندانی درباره محیط سطحی به ما بگویند. سنگ های رسوبی از انباشته شدن تدریجی لایه های خاک ساخته می شوند و علاوه بر آن فسیل هایی که درون این لایه ها به دام می افتند، از این که محیط چه شکلی بوده است تصویر بهتری ارائه می دهند.)

دانشمندان مشغول بررسی این سنگ ها هستند تا بهتر بفهمند سرد شدن زمین کی و چگونه آغاز شده است. با این وجود، اقلیم یک پدیده پیچیده است و عوامل بسیاری می توانند بر آن اثر بگذارند. دانشمندانی که به جنبه های مختلف پیشینه سنگ می نگرند، اغلب درباره گذشته دچار اختلاف نظر می شوند. خورشید حدود ۴ میلیارد سال پیش یک ستاره کم فروغ و جوان بود و بنابر این زمین پرتوهای کمتری از خورشید دریافت می کرد. با این حال دمای یک سیاره به چیزهایی بیش از ستاره یی که به دورش می گردد، بستگی دارد. دمای سطحی زهره، سیاره همسایه ما، به بیش از ۴۰۰ درجه سلسیوس (۸۰۰ درجه فارنهایت) می رسد. گرچه زهره از زمین به خورشید نزدیک تر است، اما دلیل اصلی اقلیم داغ آن به اتمسفر ضخیم و گلخانه یی زهره برمی گردد که گرما را به دام می اندازد.

مدل های نظری نشان می دهند که اتمسفر ابتدایی زمین از گازهای گلخانه یی مثل دی اکسیدکربن، متان و بخار آب و علاوه برآنها از هیدروژن و نیتروژن تشکیل شده بود. این اتمسفر متراکم می توانست زمین را سوزان و داغ نگه دارد. پس از این نقطه، دیگر دانش ما درباره تغییرات اقلیمی پیش آمده به اندازه خود اتمسفر مبهم و مه آلود است. برخی دانشمندان مثل «نورم اسلیپ» از دانشگاه استنفورد فکر می کنند که زمین ابتدایی به خاطر تاثیر حرکت های تکتونیکی به سرعت سرد شد. مواد معدنی کربناتی (که در نتیجه سطوح بالای دی اکسیدکربن در آب و اتمسفر شکل گرفتند) مدفون شدند و مقدار عظیمی از کربن را از چرخه حذف کردند و سبب تشکیل اتمسفری با دی اکسیدکربن کمتر شدند. مقادیر کمتر این گاز گلخانه یی می توانست باعث سرد شدن سریع شود تا زمانی که دماها به میانگین دمای متعادل ۳۰ درجه سلسیوس (۸۶ درجه فارنهایت) برسند. در واقع «اسلیپ» فکر می کند مقدار ابتدایی دی اکسیدکربن به قدری کم بود که زمین کهن در زمان های مختلف به یک گوی برفی تبدیل شده است، به عبارت دیگر زمین به قدری سرد شد که سیاره ما تقریباً به طور کامل با پوسته یی از یخ پوشانده شده است.

دیگر دانشمندان مثل «دیوید شوارتزمن» از دانشگاه هاروارد عقیده دارند که زمین ابتدایی داغ باقی مانده است. «شوارتزمن» فکر می کند حرکات تکتونیکی تمام کربن را مدفون نساخته است.

در عوض او می گوید که دی اکسیدکربن برای مدتی طولانی یک عامل اقلیمی مهم باقی ماند و زمین را تا ۵/۱ میلیارد سال پیش برشته نگه داشته است، با دمایی که به طور متوسط بین ۵۰ تا ۷۰ درجه سلسیوس (۱۲۲ تا ۱۵۸ فارنهایت) قرار داشت.

«شوارتزمن» در این باره می گوید؛ «تا ۸/۲ میلیارد سال پیش فشار دی اکسیدکربن حداقل یک «بار» (bar) بود که ده هزار برابر مقدار کنونی است.» حول وحوش آن زمان ساینوباکتری ها و دیگر اشکال حیات میکروبی تکثیر شدند و مکش مقادیر عظیم کربن را شروع کردند. پس از آن متان، که توسط بخشی از این حیات میکروبی در حال رشد تولید شده بود، به گاز غالب تبدیل شد. فراوانی متان نسبت به دی اکسیدکربن یک دهم یا کمتر بود و بعد به گفته «شوارتزمن»؛ «اما همان طور که امروز از گرمایش جهانی می دانیم متان، کمش هم خیلی زیاد است. متان همچنان تا ۳/۲ میلیارد سال پیش زمین را گرم نگه داشت، اما پس از آن بود که گاز پسماند تولیدشده توسط ساینوباکتری ها تاثیر بزرگ خود را کم کم شروع کرد. این گاز پسماند، اکسیژن بود و به کندی طی میلیون ها سال ساخته شد. اکسیژن به متان واکنش داد و با افت مقدار متان، افت دما هم آغاز شد.»وی در ادامه می گوید؛ «دوره های کوتاهی از سرما در خلال روند سراسری گرما رخ داد. یک دوره یخبندان حدود ۹/۲ میلیارد سال و یکی دیگر در ۳/۲ میلیارد سال پیش.»«شوارتزمن» هر دو این یخبندان ها را به افزایش اکسیژن در اتمسفر نسبت می دهد. پس از نخستین یخبندان، دما دوباره به حالت اول بازگشت تا دوباره افت های کوتاه مدت اما شدیدی را در سال های بعد تجربه کند. روند اقلیمی گرمای سراسری در نهایت زمانی به پایان رسید که اکسیژن آزاد، یافتن عناصری برای واکنش را متوقف ساخت و سطوح اکسیژن اتمسفر تازه به پایداری می رسید.«جیم کاستینگ» از دانشگاه ایالتی «پن» دیدگاه متفاوتی دارد. غیراز سناریوی «شوارتزمن» درباره دوره داغ طولانی و در پی آن سرمای نسبتاً تازه یا افت ناگهانی و زودرس دما در سناریوی «اسلیپ»، «کاستینگ» فکر می کند که سرد شدن زمین تدریجی تر بوده است. او می گوید زمین سوزان ابتدایی حدود ۴ میلیارد سال پیش سرد شدن را شروع کرد و به لطف دفن کربن در تکتونیک ها، به قدر کافی سرد شده که در ۹/۲ میلیارد سال پیش یخچال ها توسعه یابند.

دانشمندان درباره نشانه های مختلف پیشینه سنگی در دماهای گذشته بحث می کنند. آنها درباره نسبت ایزوتوپ های اکسیژن در زمان زمین شناختی، سرعت دفن تکتونیک ها، دگرگونی سیلیس غاکسید سیلیسیمف، اثر زیست شناختی بر سرعت فرسایش و دیگر فرآیندهای مختلف و پیچیده و غالباً مربوط به هم به بحث می پردازند که چیزی بسیار ساده مانند سنگ را به رونوشتی مخدوش از راز تاریخی تبدیل می کند. برای اخترزیست شناسان پرسش نهایی درباره اقلیم ابتدایی زمین این است؛ برای پیدایش حیات چه دمایی لازم بود؟ شاید هم این باشد؛ آیا حیات می توانست در بسیاری از وضعیت های دمایی مختلف رخ دهد؟ بسیاری از دانشمندان، از جمله «شوارتزمن»، تصور می کنند حیات روی زمین در منافذ هیدروترمال غگرما-آبیف فوق العاده داغ در کف اقیانوس ها شکل گرفت. در حالی که طبیعت ریشه دار ترموفیل ها غگرمادوست هاف در درخت حیات پشتوانه یی به این نظر می دهد، اما برخی دانشمندان اشاره می کنند که ساختار آسیب پذیر حیات( مثل پروتئین ها و مولکول های DNA) اغلب در دماهای بالا از هم فرومی پاشد. در ضمن «اسلیپ» تصور می کند حیات احتمالاً تحت شرایط سرما پدید آمده است، جایی که چرخه های یخ زدگی- آب شدگی عدم تعادل پرانرژی لازم را ایجاد می کند. با این حال به باور «کاستینگ» حیات به احتمال زیاد در دماهای متوسط شکل گرفت؛ پس از آنکه زمین چندین تïن ماده آلی پیچیده را از برخوردهای دنباله دار و شهاب دریافت داشت.شاید پاسخ پرسش درباره دماهای ابتدایی زمین (و حیات) در خود حیات یافت شوند.

در گزارشی که به تازگی در نشریه نیچر منتشر شد، دانشمندان پروتئین های باکتری های کهن را برای سنجش اتمسفر زمین طی اعصار گذشته، بازسازی کردند. آنها با مقایسه حساسیت گرمایی پروتئین های بازسازی شده دریافتند که زیستمندان در ۵/۳ میلیارد سال پیش در محیطی داغ در ۷۵ درجه سلسیوس (۱۶۵ درجه فارنهایت) می زیسته است و این محیط تا ۵۰۰ میلیون سال پیش به تدریج تا ۴۰ درجه سلسیوس (۱۰۰ درجه فارنهایت) سرد شده است.«اریک گاوچر» رئیس تحقیق علمی در تکامل مولکولی کاربردی در گانس ویل فلوریدا و دانشمند ارشد این پژوهش می گوید؛ «با بررسی پروتئین هایی که توسط این ژن های آغازی رمزگذاری شده اند، می توانیم اطلاعاتی درباره شرایط محیطی زمین ابتدایی کسب کنیم. ژن ها برای سازش با شرایط محیطی که ارگانیسم در آن زندگی می کند، تکامل می یابند. احیای این ژن ها (که مدت ها پیش منقرض شده اند) به ما فرصت تحلیل و تشریح محیط زندگی کهن را می دهد که در زنجیره ژن ثبت شده است. ژن ها اصولاً رفتاری مشابه فسیل های پویا دارند.»

Astrobiology, 26Feb.2008
منبع :روزنامه اعتماد – Astrobiology.com