شناسنامه زمین در دل سنگهای معدنی
بیش از 4 میلیارد سال از عمر زمین میگذرد و در این مدت نسبتا طولانی فرآیند مرموز شکلگیری حیات، دوران مختلفی را پشتسر گذاشته است، اما همواره یک بحث ثابت در تمامی این مراحل وجود داشته و همین موجب شده تا دانشمندان به آن به عنوان بازیگر اصلی داستان شکلگیری زمین نگاه کنند؛ مواد معدنی.
زمین سیارهای است منحصر به فرد، دارای آب مایع و جوی که قسمت اعظم آن از نیتروژن و اکسیژن تشکیل شده که تداوم حیات را امکان پذیر میسازند. در منظومه شمسی، زمین پنجمین سیاره از لحاظ بزرگی و سومین سیاره نزدیک به خورشید است. چگالی زمین از تمام سیارات دیگر بیشتر است. این سیاره متفاوت در بدو پیدایش به صورت کرهای از مواد بسیار داغ و نیمه مذاب بوده. بتدریج عناصر سنگینتر تهنشین شده و هسته فلزی را به وجود آوردند و در عین حال عناصر سبکتر به سطوح فوقانی آمده و جبه و پوسته را تشکیل دادند. پس از گذشت میلیاردها سال زمین سرد شد، سطح زمین جامد گشت، جو زمین شکل گرفت و اقیانوسها به وجود آمدند. تکامل زمین هنوز ادامه دارد: پوسته زمین توسط فورانهای آتشفشانی در کف اقیانوسها نوسازی شده، دائما بر اثر زمینلرزهها و حرکتهای قارهای در حال تغییر و تحول است.
در واقع در روزگاران بسیار دور اثری از هیچ نوع ماده معدنی در زمین نبود و هیچ ماده سفت و جامدی وجود نداشت و این دورانی است که به پس از شکلگیری «انفجار بزرگ» در زمین اطلاق میشود. در این دوران بسیار سخت، تنها تندبادهای شدید فوقالعاده داغ و سوزان در جریان بودهاند. تقریبا نیم میلیون سال طول کشید تا سر و کله نخستین اتمها (هیدروژن، هلیوم و کمی لیتیوم) پیدا شد. میلیونها سال نیز به این منوال گذشت و این در حالی بود که جاذبه، این اتمهای بنیادین را به یکدیگر نزدیک کرد تا نخستین سحابیها تشکیل و با سقوط آنها نیز سر و کله ستارگان پیدا شود.
پس از این مرحله و زمانی که ستارگان غولپیکر منفجر میشدند تا نخستین ابرنواخترهای هستی شکل بگیرند، نخستین ترکیبات عناصر شیمیایی نیز به وجود میآمدند و به فضای بیکران پرتاب میشدند. این مقدمه تنها برای آن گفته شد که مشخص شود نخستین مواد معدنی عالم چگونه تشکیل شدهاند. با انتشار این ترکیبات در فضا و همزمان با سردشدن ساختارهای ستارهای، نخستین قطعات معدنی نیز در عالم شکل گرفتند، اما تا آن زمان مواد معدنی در سراسر عالم در حکم تازه واردهایی بودند که بندرت اثری از آنها دیده میشد و بیشتر در قالب اتمها و مولکولهایی در میان گازها و ذرات گرد و غبار متراکم بودند. داستان تبدیل شدن زمین روایتی است که بدون درک پیدایش و تکامل گونههای معدنی این سیاره بیمعنی است.
نخستین مواد معدنی عالم
دانشمندان بر این عقیدهاند که کریستالهای میکروسکوپیکی الماس و گرافیت که هر دو اشکال خالصی از کربن به شمار میآیند، احتمالا نخستین ترکیبات معدنی عالم بودهاند. این احتمال وجود دارد که به فاصله اندکی این ترکیبات با طیفی از میکروکریستالهای سخت پیوند خورده باشند که ازجمله آنها میتوان به کاربید سیلیکن، نیترات تیتانیوم و چند اکسید و سیلیکات دیگر اشاره کرد. از این رو میتوان به جرات گفت دهها میلیون سال پیش این ترکیبات معدنی، تنها کریستالهای موجود در عالم بودهاند.
مواد کانی فرآیند شکلگیری مولکولهای زیستی را تسریع بخشیدهاند که درخصوص زمین این فرآیند به پیدایش حیات منجر شده است
امروزه زمین در وضعیتی کاملا متفاوت با آنچه که تاکنون به تصویر کشیده شد، قرار دارد. بیش از 4400 گونه معدنی شناخته شده وجود دارد، این در حالی است که هنوز گونههای بسیار زیادی به طور ناشناخته باقی ماندهاند. پرسشی که اکنون مطرح میشود این است که چه نکتهای موجب شده تا از تعدادی محدود اشکال کریستالی، این تنوع خیرهکننده معدنی شکل گیرد؟ شاید تنها یک پاسخ بتوان برای این پرسش ارائه کرد؛ تکامل معدنی.
تکامل معدنی
پروفسور رابرت هیزن از آزمایشگاه ژئوفیزیک انستیتو کارنگی سالهاست که روی مواد معدنی یا همان کانیها تحقیق میکند. او میگوید: به نظر میرسد تکامل معدنی بهترین پاسخ برای این معما باشد. البته باید توجه کرد که تکامل معدنی با نگرشی که از قرنها پیش و تحت عنوان کانیشناسی شکل گرفته متفاوت است. در این نگرش سنتی به کانیها به عنوان اشکال ارزشمندی نگاه میشود که مشخصههای فیزیکی و شیمیایی خاصی دارند که به گذر زمان یا همان بعد چهارم زمینشناسی هیچ ارتباطی ندارند، اما در نگرشی که ما مطرح کردهایم از تاریخچه زمین به عنوان چارچوبی برای درک کانیها و فرآیندهایی که به شکل گرفتن آنها منجر شده است، استفاده میشود.
داستان از کجا آغاز میشود؟
به عقیده پروفسور هیزن، داستان تکامل معدنی با ظهور سیارات صخرهای آغاز میشود، زیرا این سیارات در حقیقت موتورهای فرآیند شکلگیری کانیها به شمار میآیند. این داستان طی بیش از 5/4 میلیارد سال پیش که زمین مراحل مختلفی را پشتسر گذاشته، ادامه داشته است. در هر یک از این مراحل اتفاقاتی در زمین روی داده که نتیجه نهایی آن غنیتر شدن سطح زمین از ترکیبات معدنی بوده است. البته گرچه میتوان انتظار داشت که با گسترش دانش نوین بشری بخشهایی از این سناریو دچار تغییراتی شود، اما کلیت آن یعنی تکامل معدنی زمین بر همگان ثابت شده و حتی از آن به عنوان یک علم یاد میشود. در خلال بررسی این دورانها که با نگاه دقیق به ترکیبات کانی همراه است یک نتیجه جالب توجه به چشم میخورد و آن این که درصد قابل توجهی از هزاران گونه معدنی که تاکنون در زمین شناخته شدهاند، وجودشان را مدیون تکامل حیات در زمین میدانند. چنین نگرشی تاثیر قابل توجهی بر نگاه ما به حیات و سرنخهایی از آن در دیگر سیارات و دنیای دور دست خواهد داشت. عقیده بر این است که مواد کانی بسیار سخت در مقایسه با ترکیبات ارگانیکی سست و نه چندان پایدار سرنخهای مطمئنتری از زیستشناسی را در سایر اجرام آسمانی در اختیار ما قرار میدهند.
شکلگیری زمین
سیارات در سحابیهای ستارهای شکل گرفتهاند که آنها نیز به وسیله ابرنواخترها تغذیه میشوند. مطالعات نشان دادهاند، درصد قابل توجهی از توده تشکیلدهنده سحابیها بسرعت به درونشان سقوط میکند که این فرآیند نتیجهای ندارد جز شکل گرفتن ستاره مرکزی، اما بر سر باقی مواد ناشی از سقوط چه میآید؟ مطالعاتی که در این زمینه انجام شده نشان میدهد مواد باقیمانده، صفحه چرخان وسیعی را در اطراف ستاره تشکیل میدهد. این بقایا در ادامه با یکدیگر آمیخته شده و خوشههای بزرگی متشکل از سنگریزه و نخستین اشکال معدنی را تشکیل دادهاند. در چنین فرآیندی تغییر بزرگ زمانی روی میدهد که ستاره مرکزی برافروخته شده و انبوه قابل توجهی از گرد و غبار و گازها را به اطراف پرتاب کند. اخترشناسان این فرآیند را به حمام کردن ستاره تشبیه کردهاند. در منظومه شمسی این فرآیند 6/4 میلیارد سال پیش شکل گرفت. پالسهایی از گرمای خورشید نوپا موجب ذوب شدن عناصر و ترکیب دوباره آنها با یکدیگر میشد که در نتیجه کریستالهای مختلف و جدیدی به وجود میآمدند. دانشمندان متوجه شدهاند در میان نخستین ترکیبات کریستالی در نخستین مراحل شکلگیری تکامل معدنی زمین آلیاژهایی همچون آهن و نیکل، سولفیدها، فسفاتها و البته انبوهی از فسفاتها و سیلیکاتها وجود داشته است. نکته جالب توجه این که بسیاری از این مواد کانی در ابتداییترین شهاب سنگها نیز دیده شده است. این شهاب سنگها چیزی جز قطراتی از صخرههای ذوب شده نبودهاند، اما برای اخترشناسان اهمیت خاصی دارند.
در سحابی خورشیدی منظومه شمسی، این شهاب سنگهای ابتدایی با سرعت زیادی به سیارات کوچک برخورد کرده و حفرههای بزرگی تا بیش از 150 کیلومتر قطر ایجاد میکنند. این حفرهها آنقدر بزرگ هستند که برای لایه لایه شدن سیاراتی که با آنها برخورد میکنند، کافی باشند. در این میان مواد معدنی مختلفی به صورت لایه لایه درمیآیند. از این نوع برخوردها به وفور دیده شده است. البته در این میان آب نیز نقش قابل توجهی ایفا میکند. مطالعات دانشمندان نشان میدهد همان طور که ردپای تودههای یخ در اشکال ابتدایی سحابی دیده شده است واکنش میان مواد شیمیایی مختلف با آب که به تولید مواد کانی جدیدی منجر شده نیز از اهمیت خاصی برخوردار است. به عبارت دیگر میتوان گفت آب در پیدایش کانیهای جدید نقش حیاتی داشته است.
دانشمندان برآورد میکنند در نتیجه چنین پردازشهایی که در این سیارات کوچک روی میدهد تا 250 گونه کانی متفاوت تولید شود. تمامی این 250 کانی متفاوت در حقیقت مواد خامی هستند که صخرههای سیارهای را تشکیل میدهند و نکته جالب توجه این که دانشمندان ردپای تمامی آنها را در شهاب سنگهایی که به زمین رسیدهاند نیز پیدا کردهاند.
آینده تکامل معدنی
چشماندازی که درخصوص معدن و کانیشناسی در زمین ایجاد شده به یکی از فرصتهای هیجانانگیز تحقیقاتی تبدیل شده است. دانشمندان متوجه این موضوع شدهاند که در سیارات مختلف مراحل گوناگونی برای تکامل کانیها وجود داشته است. به عنوان مثال درخصوص سیارات کوچکی نظیر عطارد و همچنین ماه میتوان گفت به جهت برخورداری از سطحی ساده همواره دارای تنوع بسیار محدودی از ترکیبات معدنی بودهاند، اما درخصوص اجرام آسمانی نظیر مریخ که آب در آنها دیده شده، اوضاع کمی متفاوت است و تنوع بهتری را میتوان متصور شد. اما زمانی که صحبت از زمین یا ونوس به میان میآید با گنجینهای ارزشمند از تنوع کانیها روبهرو میشویم. ترکیبات معدنی ازجمله فاکتورهای مهم در دستیابی به پیدایش حیات محسوب میشوند. در حقیقت مواد کانی فرآیند شکلگیری مولکولهای زیستی را تسریع بخشیدهاند که درخصوص زمین این فرآیند به پیدایش حیات منجر شده است.
دوران سیاه زمین
حدود 4/4 میلیارد سال پیش زمین دارای سطحی بود که عملا نمیتوان شکلگیری ریشههای حیات را در آن متصور شد. سطح زمین پوشیده از بازالت سیاه است.
این سنگ از ماگما و تودههای آتشفشانی تشکیل میشود. از اینرو بخوبی میتوان متصور شد در جایی که تنها این ماده وجود داشته باشد، اثری از حیات نخواهد بود.
زمان میگذرد و طی 2 میلیارد سال بعد حدود 1500 گونه مختلف کانی در زمین تشکیل میشود. در نتیجه ذوب شدن و پیوند چندین باره این مواد عناصر لیتیوم، برلیوم و بورون آزاد و واکنشهای شیمیایی و البته شرایط خاص آب و هوایی آن دوران زمین با اقیانوسهای زمین و اتمسفر بدون اکسیژن در هم آمیخته میشوند. در این شرایط مواد کانی نظیر یشم سبز تحت فشار بالا تشکیل میگردد. اما چگونه سر از سطح زمین در میآورند؟
پاسخ ساده است؛ صفحات تکتونیک زمین و تکانهای همیشگی آنها این جابهجایی را انجام دادهاند.
دوران سرخ زمین
این دوران به حدود 2 میلیارد سال پیش مربوط میشود. در حقیقت این دوران زمین را به عنوان دورانی که نشانههایی از حیات جان گرفته است در نظر میگیرند. در این دوران فعالیت ارگانیسمهای زنده فتوسنتزی موجب میشود تا اتمسفر بدون اکسیژن زمین دارای مقادیر بسیار اندکی از این گاز حیاتبخش شود و در نتیجه تغییرات اندکی در واکنشهای شیمیایی آن روی میدهد. در این شرایط آهن نقش قابل توجهی را ایفا میکند و از آنجا که در بیشتر واکنشها حضور دارد، موجب شده تا دانشمندان این دوران از زمین را به عنوان دوران سرخ زمین برشمرند. فروس به عنوان ترکیبات کانی شناخته شده آهن که در بازالت سیاه یافت میشود، اکسید شده و به ترکیبی قرمز رنگ تبدیل میشود. از این فرآیند به اکسیداسیون بزرگ یاد میشود. به عقیده دانشمندان، همین فرآیند به ظاهر ساده راه را برای به وجود آمدن 2500 کانی جدید در زمین فراهم کرده است که از جمله آنها میتوان به فیروزه سولفات قلیایی آلومینیوم یا در علم زمین شناسی تورکوز اشاره کرد. در همین دوران است که میکروارگانیسمهای سبز رنگ در قالب لایههایی از موادی که استروماتولیتس نامیده میشود، میرویند و به این ترتیب میتوان گفت حیات بتدریج در زمین گسترش پیدا میکند.
دوران یخبندان زمین
این دورانی است که دانشمندان آن را در حدود 700 میلیون سال پیش عنوان میکنند. در نتیجه با فعالیتهای شدید آتشفشانی و فوران ماگما و تودههای آتشفشانی در سراسر زمین بستر بسیار مناسبی برای تغییرات عمده جوی فراهم میشود. پس از گذشت چند میلیارد سال، این تغییرات موجب میشود تا در سراسر زمین تنها یک ماده دیده شود و آن چیزی نیست جز یخ. میلیونها سال از عمر زمین با یخبندان همراه بوده، اما بتدریج زمین راهی برای خلاص شدن از تودههای یخ پیدا میکند. انتشار تدریجی دیاکسید کربن از کوههای آتشفشانی موجب میشود تا فرآیند گرمایش زمین به آرامی آغاز شود. زمینشناسان این دوران را به دورانی تشبیه میکنند که زمین درگیر چرخههای سرد و گرمسیر بوده است. در چرخه گرمسیر، اوضاع خاص جوی زمین موجب افزوده شدن مقادیر قابل توجهی از مواد معدنی رسی نظیر کائولینیت به لایههای تشکیل دهنده زمین شده است. دانشمندان این دوران از تاریخچه زمین را به دورانی مملو از راز و رمز تشبیه میکنند. از آنجا که این دوران مملو از چرخههای سردسیری ـ گرمسیری بوده است، این عقیده وجود دارد که تنوع قابل توجهی در طیف گسترده کانیهای زمین ایجاد شده باشد.
دوران سبز زمین
به دورانی درحدود 400 میلیون سال پیش باز میگردیم. این دورانی است که در آن ارگانیسمهای چند سلولی نیز ظاهر شدهاند. گذشته از آن پوشش گیاهی زمین شکل گرفته است و گیاهان در دستههای کوچک و بزرگ میرویند. گوشه و کنار زمین پوشیده از گیاهان سبز است. این زمینه بسیار مناسبی است که جانوران نیز در زمین شکل گرفته و نسخه جدیدی از حیات تشکیل شود. در این دوران طلایی فعالیتهای زیست - شیمیایی گیاهان و قارچها نقش قابل توجه و حتی میتوان گفت حیاتی در فرسایش زمین و تولید ترکیبات رسی ایفا میکنند. برای نخستین بار است که زمین شکل و شمایلی نسبتا مدرن پیدا میکند و این درحالی است که تنوع کانیهای آن نیز به طور مدرنی توزیع شده است. در این دوران نسخهای از حیات در زمین دیده میشود که مستقیما مواد معدنی نظیر آراگونیت و سنگ آهک بلوری را تولید میکند. این شرایط بستر مناسبی را برای جانورانی فراهم میکند که در دورانهای بعدی ساکن زمین میشوند و به دنبال آنها دایناسورها به حکمفرمایی در زمین مشغول میشوند.
مترجم: مهدی کیا
منبع: Scientific American
تازه ها
گوناگون
پیشنهاد سردبیر
در تپش این هفته، ماجرای فریب و تعرض در پوشش عرفانهای دروغین و رمالی را بررسی کردیم
پشت پرده اتاقهای دود و طلسـم
