زمین اولیه در مورد جستجوی حیات چه چیزی می تواند به ما بیاموزد؟

زمین تنها سیاره حامی حیات است که ما از آن می شناسیم، بنابراین وسوسه انگیز است که از آن به عنوان یک استاندارد در جستجوی حیات در جاهای دیگر استفاده کنیم. اما زمین مدرن نمی تواند به عنوان مبنایی برای ارزیابی سیارات فراخورشیدی و پتانسیل آنها برای حمایت از حیات باشد. جو زمین در طول 4.5 میلیارد سال زندگی خود به شدت تغییر کرده است.

راه بهتر این است که مشخص کنیم چه نشانگرهای زیستی در جو زمین در مراحل مختلف تکامل آن وجود داشته و بر اساس آن سیارات دیگر را قضاوت کنیم.

این کار توسط گروهی از محققان از بریتانیا و ایالات متحده انجام شد. مطالعه آنها با عنوان “زمین اولیه به عنوان آنالوگ بیوژئوشیمی فراسیاره ای“، و در Reviews in Mineralogy ظاهر می شود. نویسنده اصلی، Eva E. Stuecken، دانشجوی دکترا در دانشکده زمین و علوم محیطی، دانشگاه سنت اندروز، انگلستان است.

زمانی که زمین حدود 4.5 میلیارد سال پیش شکل گرفت، جو آن هیچ شباهتی به جو امروزی نداشت. در آن زمان اتمسفر و اقیانوس ها بی اکسیژن بودند. حدود 2.4 میلیارد سال پیش، اکسیژن آزاد در اتمسفر شروع به تجمع کرد یک رویداد بزرگ اکسیژن رسانی، یکی از دوره های تعیین کننده در تاریخ زمین است. اما اکسیژن از خود حیات می آید، به این معنی که زندگی زمانی وجود داشت که جو زمین بسیار متفاوت بود.

این تنها نمونه از تغییر جو زمین در طول زمان زمین شناسی نیست. اما آموزنده است و نشان می دهد که چرا جستجوی حیات به معنای چیزی فراتر از جستجوی جوی مانند جو زمین مدرن است. اگر این روشی بود که ما جست و جو را انجام می دادیم، دنیاهایی را که هنوز فتوسنتز در آنها ظاهر نشده بود را از دست می دادیم.

در مطالعه خود، نویسندگان اشاره می کنند که چگونه زمین میزبان جمعیت غنی و در حال تکامل میکروب ها در شرایط جوی مختلف برای میلیاردها سال بوده است.

نویسندگان می نویسند: «در بیشتر این زمان، زمین توسط یک بیوسفر صرفاً میکروبی ساکن بود، البته با افزایش پیچیدگی در طول زمان. بنابراین، سوابق غنی از این تکامل ژئوبیولوژیکی در بیشتر تاریخ زمین، بینشی در مورد قابلیت تشخیص از راه دور حیات میکروبی در شرایط مختلف سیاره ای ارائه می دهد.

این تنها زندگی نیست که با گذشت زمان تغییر می کند. تکتونیک صفحه تغییر کرده است و ممکن است برای مدت طولانی به عنوان تکتونیک “درپوش راکد” باشد. در تکتونیک درب راکد، صفحات به صورت افقی حرکت نمی کنند. این می تواند پیامدهایی برای شیمی اتمسفر داشته باشد.

نکته اصلی این است که جو زمین سحابی خورشیدی را که سیاره در آن شکل گرفته است منعکس نمی کند. بسیاری از فرآیندهای در هم تنیده در طول زمان فضا را تغییر داده اند. جستجوی حیات نه تنها مستلزم درک بهتر این فرآیندها، بلکه چگونگی تعیین اینکه سیارات فراخورشیدی ممکن است در چه مرحله ای باشند، نیز می باشد.

بدیهی است که فرآیندهای بیولوژیکی می توانند تأثیر شگرفی بر جو سیاره ای داشته باشند. محققان نوشتند: “در زمین مدرن، ترکیب جو به شدت توسط حیات کنترل می شود.” با این حال، هر گونه امضای زیستی جوی بالقوه باید از پس‌زمینه فرآیندهای غیرزیستی (زمین‌شناسی و اخترفیزیکی) که به جو سیاره‌ای کمک می‌کنند و بر جهان‌های بی‌جان و سیارات با زیست‌کره‌های بسیار کوچک تسلط دارند، جدا شود.»

نویسندگان آنچه را که به عقیده آنها مهم ترین درس هایی است که زمین اولیه می تواند در مورد جستجوی حیات به ما بیاموزد، تشریح می کنند.

اولین مورد این است که زمین در طول تاریخ طولانی خود در واقع سه جو متفاوت داشته است. اولین مورد از سحابی خورشیدی آمد و بلافاصله پس از تشکیل سیاره گم شد. این جو اولیه است. دومی با انتشار گازهایی از داخل سیاره تشکیل می شود. سوم، جو مدرن زمین، پیچیده است. این یک عمل متعادل کننده است که شامل حیات، تکتونیک صفحه، آتشفشان و حتی فرار از جو است. درک بهتر از چگونگی تغییر جو زمین در طول زمان به محققان درک بهتری از آنچه در اتمسفر سیارات فراخورشیدی می بینند، می دهد.

مورد دوم این است که هر چه بیشتر به گذشته نگاه کنیم، سابقه سنگی زندگی اولیه روی زمین بیشتر تغییر می‌کند یا از بین می‌رود. بهترین شواهد ما نشان می دهد که حیات 3.5 میلیارد سال پیش، شاید حتی 3.7 میلیارد سال پیش، وجود داشته است. اگر چنین است، اولین حیات ممکن است در جهانی پوشیده از اقیانوس ها وجود داشته باشد، بدون توده خشکی قاره ای و فقط جزایر آتشفشانی. اگر بین 3.5 تا 3.7 میلیارد سال پیش فعالیت‌های آتشفشانی و زمین‌شناسی فراوانی وجود داشت، جریان‌های زیادی از CO2 و H2 وجود داشت. از آنجایی که اینها بسترهایی برای متانوژنزپس ممکن است متان در جو فراوان بوده و قابل تشخیص باشد.

سومین درسی که نویسندگان می‌گیرند این است که یک سیاره می‌تواند برای مدت طولانی میزبان حیات تولیدکننده اکسیژن باشد قبل از اینکه بتوان اکسیژن در جو را تشخیص داد. دانشمندان بر این باورند که فتوسنتز اکسیژنی در اواسط دوران آرکئن روی زمین ظاهر شد. دوره آرکئن از 4 میلیارد تا 2.5 میلیارد سال پیش گسترش یافته است، بنابراین اواسط دوره آرکئن حدود 3.25 میلیارد سال پیش است. اما تا زمان رویداد بزرگ اکسیژن رسانی در حدود 2.4 میلیارد سال پیش، اکسیژن نمی توانست در جو انباشته شود. اکسیژن یک نشانگر زیستی قدرتمند است و یافتن آن در جو یک سیاره فراخورشیدی باعث هیجان می شود. اما حیات روی زمین مدت ها قبل از کشف اکسیژن اتمسفر وجود داشته است.

درس چهارم شامل پیدایش تکتونیک صفحه افقی و تأثیر آن بر شیمی است. نویسندگان می نویسند: «از GOE به بعد، زمین از نظر تکتونیکی شبیه امروز به نظر می رسید. اقیانوس ها احتمالاً به یک لایه بدون اکسیژن و یک لایه سطحی اکسیژن دار طبقه بندی شده اند. با این حال، فعالیت هیدروترمال به طور مداوم آهن آهنی را به اقیانوس ها وارد می کند. این باعث افزایش سطح سولفات در آب دریا می شود که باعث کاهش متان در جو می شود. بدون این متان، بیوسفر زمین بسیار کمتر قابل تشخیص خواهد بود. پیچیده، ها؟

سیاره زمین در طول 4.5 میلیارد سال گذشته از یک سیاره کاملاً بدون اکسیژن تکامل یافته است
احتمالاً با یک رژیم تکتونیکی متفاوت از جهان اشباع شده از اکسیژن و صفحه افقی
نویسندگان توضیح می دهند که زمین ساختی همانطور که امروز می شناسیم. تمام این تکامل پیچیده باعث ظهور و شکوفایی حیات شد، اما کشف زیست کره های قبلی در سیارات فراخورشیدی را نیز پیچیده تر می کند.

ما در جستجوی حیات در سیارات فراخورشیدی در یک نقطه ضعف بزرگ قرار داریم. ما می‌توانیم به معنای واقعی کلمه در صخره‌های باستانی زمین حفاری کنیم تا بخواهیم تاریخ طولانی زندگی روی زمین و چگونگی تکامل جو طی میلیاردها سال را کشف کنیم. وقتی صحبت از سیارات فراخورشیدی به میان می آید، تنها چیزی که داریم تلسکوپ است. تلسکوپ‌های قوی‌تر و قوی‌تر، اما همچنان تلسکوپ‌ها. همانطور که ما شروع به کاوش در منظومه شمسی خود می کنیم، به ویژه مریخ و قمرهای وسوسه انگیز اقیانوسی که به دور غول های گازی می چرخند، دیگر منظومه های خورشیدی خارج از دسترس فیزیکی ما هستند.

نویسندگان می نویسند: «در عوض، ما باید حضور بیوسفرهای فرازمینی را از راه دور تشخیص دهیم و چرخه های بیوژئوشیمیایی آنها را در طیف های سیاره ای به دست آمده با تلسکوپ های بزرگ زمینی و فضایی مشخص کنیم. همانطور که JWST نشان می دهد، این تلسکوپ ها می توانند ترکیبات اتمسفر را با شناسایی ویژگی های جذب مرتبط با گازهای خاص کاوش کنند.

اما وقتی دانشمندان ابزارهای بهتری به دست می آورند، فراتر از شیمی اتمسفر خواهند رفت. ما همچنین ممکن است بتوانیم ویژگی‌های سطحی را در مقیاس جهانی شناسایی کنیم، از جمله برهمکنش نور با رنگدانه‌های فتوسنتزی و تابش خیره‌کننده ناشی از انعکاس نوری از یک اقیانوس مایع.

درک آنچه در اتمسفر سیارات فراخورشیدی می بینیم به موازات درک ما از تاریخ طولانی زمین است. زمین ممکن است کلید گسترش و تسریع جستجوی حیات را داشته باشد.

نویسندگان می نویسند: «پرده برداری از جزئیات تاریخ پیچیده بیوژئوشیمیایی زمین و رابطه آن با سیگنال های طیفی سنجش از راه دور، ملاحظات مهمی برای طراحی ابزار و جستجوی خود ما برای حیات در جهان است.