Πώς η ζωή και η τύχη άλλαξαν τα ορυκτά της γης
Είναι η εξέλιξη προβλέψιμη ή διαμορφώθηκε σε μεγάλο βαθμό από τυχαία γεγονότα; Οι βιολόγοι έχουν διαφωνήσει για αυτό το ερώτημα εδώ και δεκαετίες. Κάποιοι έχουν προτείνει ότι αν επαναλαμβάναμε την ιστορία της ζωής στον πλανήτη μας, το είδος που θα προέκυπτε θα ήταν διαφορετικό. Οι αντίπαλοι υποστηρίζουν ότι η ζωή είναι σε μεγάλο βαθμό ντετερμινιστική.
Πρόσφατα, οι ερευνητές άρχισαν να κάνουν τις ίδιες ερωτήσεις για τους βράχους. Περίπου 5.000 ορυκτά - κρυσταλλικές ουσίες όπως ο χαλαζίας, το ζιρκόνιο και το διαμάντι - έχουν βρεθεί στη Γη. Αλλά τα ορυκτά δεν εμφανίστηκαν μόνο ταυτόχρονα όταν σχηματίστηκε η Γη. Υλοποιήθηκαν με την πάροδο του χρόνου, και κάθε κρύσταλλος προέκυψε ως απάντηση στις συνθήκες της συγκεκριμένης εποχής στην οποία σχηματίστηκε. Τα ορυκτά εξελίχθηκαν — σε ορισμένες περιπτώσεις, ως απάντηση στη ζωή. Και έτσι οι γεωλόγοι μένουν να αναρωτηθούν:Είναι τα σημερινά ορυκτά μια προβλέψιμη συνέπεια της χημικής σύνθεσης του πλανήτη; Ή μήπως είναι αποτέλεσμα τυχαίων γεγονότων; Τι θα γινόταν αν κοιτούσαμε έξω στον κόσμο και εντοπίσαμε έναν άλλο πλανήτη που μοιάζει με τη Γη — θα περιμέναμε ότι οι πολύτιμοι λίθοι του θα ταιριάζουν με τους δικούς μας ή θα έλαμπαν με μια λάμψη που δεν είχε ξαναδεί;
Ο Robert Hazen, φυσικός ορυκτών στο Ινστιτούτο Carnegie του Γεωφυσικού Εργαστηρίου της Ουάσιγκτον, και οι συνάδελφοί του δημοσιεύουν μια σειρά τεσσάρων εργασιών φέτος που αποκαλύπτουν ευρείες γνώσεις σχετικά με το εάν η γεωλογία είναι θέμα μοίρας. Τα ορυκτά στη Γη μπορεί πράγματι να καθοδηγούνται από ορισμένους ντετερμινιστικούς κανόνες που θα μπορούσαν να ισχύουν και σε άλλους κόσμους, ανακάλυψαν. Όμως ο πλανήτης μας είναι γεμάτος με εξαιρετικά σπάνια ορυκτά, γεγονός που υποδηλώνει ότι τα τυχαία συμβάντα παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο.
Επιπλέον, αν βρίσκαμε ένα δίδυμο που μοιάζει με τη Γη αλλού στο σύμπαν, πολλά κοινά ορυκτά πιθανότατα θα ήταν τα ίδια — αλλά αυτός ο πλανήτης πιθανότατα θα περιέχει επίσης πολλά ορυκτά διαφορετικά από κανένα που υπάρχει εδώ.
Τα ευρήματα δεν είναι απλώς θέμα περιέργειας. Ορισμένα μέταλλα μπορεί να βοήθησαν στην εμφάνιση πρώιμων οργανισμών. Και η κατανόηση των ορυκτών που θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί σε πλανήτες που μοιάζουν με τη Γη μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να προβλέψουν καλύτερα ποιοι κόσμοι είναι πιο πιθανό να φιλοξενούν ζωή. Αντίθετα, ορισμένα μέταλλα προκύπτουν μόνο με την παρουσία οργανισμών. Έτσι, η εύρεση μοτίβων στην κατανομή των ορυκτών της Γης θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να εντοπίσουν μια ορυκτολογική υπογραφή για τη ζωή, την οποία στη συνέχεια θα μπορούσαν να αναζητήσουν σε άλλους πλανήτες.
Χρόνος και ευκαιρία
Παραδοσιακά, η ορυκτολογία κυριαρχείται από την ανάλυση των δομών και του σχηματισμού μεμονωμένων ορυκτών. Αλλά σε μια μελέτη του 2008 στο American Mineralogist , ο Hazen και οι συνεργάτες του είχαν μια πιο ιστορική άποψη. Οι ερευνητές αξιολόγησαν τα γνωστά ορυκτά της Γης και προσπάθησαν να καταλάβουν πότε ήταν οι κατάλληλες συνθήκες για το σχηματισμό τους. Η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι περίπου τα δύο τρίτα των ορυκτών της Γης δεν θα είχαν αναδυθεί έως ότου υπήρχε ζωή.
Για παράδειγμα, οι πρώιμοι μικροοργανισμοί έσπειραν την ατμόσφαιρα με οξυγόνο, το οποίο αλληλεπιδρούσε με τα υπάρχοντα ορυκτά για να δώσει νέα. Το λεγόμενο Great Oxygenation Event «ήταν μια τεράστια αλλαγή του παιχνιδιού», είπε ο Hazen. "Ανοίγετε την πόρτα σε κυριολεκτικά χιλιάδες νέα ορυκτά."
Ο Hazen και οι συνεργάτες του ξεκίνησαν στη συνέχεια να διερευνήσουν τον ρόλο που έπαιξε η τύχη στον σχηματισμό ορυκτών. Πρώτον, οι ερευνητές μελέτησαν τη σχέση μεταξύ της ορυκτής ποικιλότητας και της αφθονίας των μεμονωμένων στοιχείων στον φλοιό της Γης. Διαπίστωσαν ότι όσο πιο άφθονο το στοιχείο, τόσο περισσότερα ορυκτά σχηματίζει, μια σχέση που δημοσιεύτηκε τον περασμένο μήνα στο The Canadian Mineralogist . Στη συνέχεια έκαναν την ίδια άσκηση με ορυκτά από το φεγγάρι. Παρόμοια σχέση υπήρχε, παρόλο που ο αριθμός των γνωστών ορυκτών εκεί είναι πολύ μικρότερος. Αυτή η κοινή τάση υποδηλώνει ένα στοιχείο ντετερμινισμού:Δεδομένων των αρχικών χημικών συνθηκών, θα μπορούσε κανείς να προβλέψει, σε κάποιο βαθμό, ποια ορυκτά θα σχηματίζονταν.
Ωστόσο, η ομάδα βρήκε ακραίες τιμές. Για παράδειγμα, το στοιχείο ρουβίδιο σχηματίζει λιγότερα ορυκτά από τα αναμενόμενα, δεδομένης της αφθονίας του. Ωστόσο, η ομάδα του Hazen πιστεύει ότι υπάρχουν χημικοί λόγοι για τις αποκλίσεις. Το ρουβίδιο συχνά υποκαθιστά το κάλιο στα μέταλλα και έτσι «εξαντλείται» σε υπάρχοντα ορυκτά που κυριαρχούν στο κάλιο. Εν τω μεταξύ, ορισμένα στοιχεία όπως ο χαλκός σχηματίζουν περισσότερα ορυκτά από τα αναμενόμενα, επειδή έχουν πολλές χημικές καταστάσεις που τους επιτρέπουν να συνδυάζονται με άλλα άτομα με πολλούς τρόπους. Αυτά τα αποτελέσματα εξακολουθούν να υποστηρίζουν την ιδέα του ντετερμινισμού, είπε ο συν-συγγραφέας Ed Grew, πετρολόγος στο Πανεπιστήμιο του Maine, επειδή «μπορούμε να εξηγήσουμε γιατί δεν υπακούουν στους κανόνες».
Ο Peter Heaney, ορυκτολόγος στο Penn State, University Park, σημειώνει ότι η συσχέτιση για τα ορυκτά της Γης είναι αρκετά ασθενής. Αλλά είπε ότι οι λόγοι που δίνονται για τις ακραίες τιμές είναι λογικοί. "Αυτό που πιστεύω ότι είναι πολύ σημαντικό είναι ότι [ο Hazen] θέτει αυτές τις ερωτήσεις και μας κάνει να σκεφτούμε τη διαφοροποίηση των ορυκτών με τρόπο που κανείς δεν έχει κάνει πραγματικά στο παρελθόν", δήλωσε ο Heaney, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Η ομάδα του Hazen βρήκε επίσης στοιχεία για τον ρόλο της τύχης. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια βάση δεδομένων που προέρχεται από το πλήθος για να ανακτήσουν περισσότερες από 650.000 παρατηρήσεις ορυκτών σε συγκεκριμένες τοποθεσίες σε όλο τον κόσμο. Το 22 τοις εκατό όλων των ορυκτών αναφέρθηκαν μόνο σε ένα μέρος και το 12 τοις εκατό βρέθηκαν μόνο σε δύο μέρη. Η παρουσία τόσων πολλών «onesies and twosies» υποδηλώνει ότι η τυχαιότητα παίζει ρόλο, είπε ο Chris McKay, αστροβιολόγος στο Ερευνητικό Κέντρο Ames της NASA στο Moffett Field της Καλιφόρνια, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. «Αυτό είναι το χαρακτηριστικό των τυχαίων γεγονότων». Αυτά τα σπάνια ορυκτά μπορεί να εμφανιστούν μόνο υπό τυχαίες συνθήκες, όπως μια ασυνήθιστη συναρμολόγηση πετρωμάτων που συγκεντρώνει στοιχεία μαζί. «Θα ήταν σαν να συνδυάζατε ένα ολόκληρο χάος με υλικά και να το μαγειρέψατε και να βγει ένα βραβευμένο γαστρονομικό πιάτο», είπε ο Γκρου.
Και τι θα συνέβαινε αν επαναλαμβάνατε την ιστορία της Γης; Υπάρχουν περίπου 15.300 εύλογοι τρόποι για να συνδυαστούν φυσικά στοιχεία σε μοναδικά ορυκτά, εκτιμούν οι ερευνητές. Σε μια επανάληψη της Γης, λένε, τουλάχιστον το ένα τέταρτο των περίπου 5.000 ορυκτών του πλανήτη θα έβγαινε διαφορετικά.
Επιπλέον, οι πιθανότητες ένας άλλος πλανήτης να έχει ακριβώς το ίδιο σύνολο ορυκτών με τη Γη είναι μικρότερες από 1 στις 10, αναφέρουν οι ερευνητές σε μια εργασία που θα δημοσιευτεί τον επόμενο μήνα στο Earth &Planetary Science Letters . Με άλλα λόγια, η ακριβής σύνθεση ορυκτών του πλανήτη μας είναι απίθανο να βρεθεί πουθενά αλλού στο σύμπαν.
Η βραχώδης αρχή της ζωής
Η ζωή προσθέτει άλλο ένα μπαλαντέρ. Προηγούμενες εργασίες του Hazen και άλλων επιστημόνων έδειξαν ότι τα ορυκτά και η ζωή πιθανότατα συνεξέλιξαν. Τα ορυκτά μπορεί να έχουν ωθήσει τη ζωή καταλύοντας αντιδράσεις που παρήγαγαν βιομόρια, για παράδειγμα. Και η ζωή σίγουρα άλλαξε τη βιόσφαιρα με τρόπους που επηρέασαν τον τρόπο σχηματισμού των ορυκτών. "Η προέλευση της ζωής εξαρτάται από τα ορυκτά, αλλά η προέλευση των ορυκτών εξαρτάται από τη ζωή", είπε ο Hazen.
Λόγω αυτής της σχέσης, η παρουσία ή η απουσία ορισμένων ορυκτών σε μακρινούς πλανήτες θα μπορούσε να επηρεάσει την πιθανότητα ο πλανήτης να φιλοξενεί ανιχνεύσιμη ζωή. Για παράδειγμα, οι αστρονόμοι γνωρίζουν ότι ορισμένα αστέρια έχουν διαφορετικές αναλογίες στοιχείων από ότι ο Ήλιος. Η χημική σύνθεση του αστεριού επηρεάζει την αφθονία των στοιχείων σε οποιουσδήποτε πλανήτες που βρίσκονται σε τροχιά, και επομένως τα ορυκτά που μπορεί να σχηματιστούν. Αυτά τα ορυκτά με τη σειρά τους θα μπορούσαν να επηρεάσουν τις γεωλογικές διεργασίες, τις πιθανότητες εμφάνισης ζωής και το αν θα ήταν ορατά σημάδια ζωής. Εάν οι επιστήμονες μπορούν να συνυπολογίσουν την πιθανότητα ύπαρξης διαφόρων ορυκτών στα μοντέλα τους, ίσως να είναι σε θέση να επιλέξουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τους πιο υποσχόμενους πλανήτες για μελέτη. «Είναι ένα παιχνίδι στατιστικών», είπε ο Πάτρικ Γιανγκ, θεωρητικός αστροφυσικός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, στο Τέμπε.
Αλλά ποια ορυκτά χρειάζονται για τη ζωή, αν υπάρχουν, είναι ακόμα θολή. Ο Stephen Freeland, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Maryland, στην κομητεία της Βαλτιμόρης, επισημαίνει το παράδειγμα του στοιχείου φώσφορου. Δεν είναι τόσο άφθονο, αλλά είναι κρίσιμο για τη ζωή στη Γη. Μήπως κάποιο ορυκτό συγκέντρωσε και συμπύκνωσε το στοιχείο, επιτρέποντας έτσι στη ζωή να το ενσωματώσει; «Τα ορυκτά, κατά μία έννοια, είναι τρόποι για να βγάλουμε την τάξη από το χάος», είπε ο Freeland. Αλλά, προσθέτει, «όλα αυτά κολυμπούν σε έναν ωκεανό αγνώστων».
Εάν η ζωή απαιτεί μόνο κοινά ορυκτά για να σχηματιστεί, αυτά τα ορυκτά πιθανότατα θα είναι διαθέσιμα σε έναν άλλο πλανήτη που μοιάζει με τη Γη. Ωστόσο, εάν η ζωή εξαρτάται από σπάνια ορυκτά, τότε οι πιθανότητες ανάδυσής της μπορεί να είναι μεγαλύτερες. Οι ορυκτολογικές διαφορές μεταξύ των πλανητών μπορεί να είναι «μόνο ακαδημαϊκού ενδιαφέροντος ή μπορεί να σημαίνει ότι έχουν βαθιές διαφορές στην ορυκτολογία», είπε ο McKay.
Η ομάδα του Hazen εργάζεται τώρα για να προσδιορίσει ποια ορυκτά χαρακτηρίζουν πλανήτες που μοιάζουν με τη Γη. Ο Hazen πιστεύει ότι η παρουσία πολλών σπάνιων ορυκτών μπορεί να υποδηλώνει ότι εμφανίστηκε ζωή. Για παράδειγμα, οι αλληλεπιδράσεις διαφορετικών τύπων μικροβίων με το έδαφος δημιουργούν πολλά εξειδικευμένα «μικροπεριβάλλοντα» όπου μπορούν να σχηματιστούν νέα ορυκτά. Και τα ορυκτά μπορεί να αφήσουν ένα πιο διαρκές αποτύπωμα από τα κυτταρικά υπολείμματα.
Η ομάδα του Hazen έχει κάνει επίσης προβλέψεις για τα ορυκτά στη Γη. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η κατανομή των ορυκτών —μερικά κοινά και πολλά σπάνια— μοιάζει με την κατανομή των λέξεων σε ένα κείμενο. Μερικές λέξεις όπως a και το εμφανίζονται συχνά, αλλά πολλές λέξεις εμφανίζονται μόνο σποραδικά. Ως εκ τούτου, η ομάδα θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει μοντέλα που χρησιμοποίησαν οι γλωσσολόγοι για να αναλύσουν τα δεδομένα τους σχετικά με τα ορυκτά και να υπολογίσουν πόσα μη ανακαλυφθέντα ορυκτά μπορεί να υπάρχουν στη Γη. Υπάρχουν τουλάχιστον 6.394 ορυκτά, πράγμα που σημαίνει ότι περίπου 1.500 νέα θα μπορούσαν να βρεθούν με τις τρέχουσες τεχνικές αναζήτησης, εκτιμούν οι ερευνητές σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε τον Ιούνιο στο Mathematical Geosciences .
Πολλά από αυτά τα "ορυκτά που λείπουν" πιθανότατα διέφυγαν από την προσοχή επειδή έχουν θαμπά χρώματα ή είναι ασταθή, σημειώνει η ομάδα σε ένα έγγραφο που έχει προγραμματιστεί να δημοσιευτεί τον Οκτώβριο στο American Mineralogist . Αλλά ο Hazen ελπίζει να κυνηγήσει μερικούς. Για παράδειγμα, τα ορυκτά νατρίου τείνουν να είναι λευκά ή γκρι και μπορεί να βρεθούν στη λίμνη Natron στην Τανζανία, η οποία περιέχει τεράστια κοιτάσματα λευκών ορυκτών.
Η εύρεση των ορυκτών που λείπουν πιθανότατα δεν θα προσθέσει στην κατανόησή μας για το πώς εμφανίστηκε η ζωή. «Αμφιβάλλω αν πρόκειται να βρούμε κάποιο ορυκτό που είναι το όπλο καπνίσματος για την προέλευση της ζωής», είπε ο Hazen. Ωστόσο, η εργασία μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να κάνουν σταθερές προβλέψεις για το ποια νέα ορυκτά μπορεί να υπάρχουν, αντί να αφήσουν την ανακάλυψή τους στην τύχη.
