اكتشف علماء الكواكب من أين حصلت الأرض على الفوسفور والنيتروجين

تعد مسألة أصل العناصر الحيوية على الأرض أحد الموضوعات الأساسية في علم الكواكب. كان يُعتقد تقليديًا أن جزءًا كبيرًا من المواد المتطايرة والمكونات الأخرى الضرورية للحياة جاءت إلى كوكبنا بمساعدة الكوندريتات الكربونية – النيازك القديمة من النظام الشمسي الخارجي. ومع ذلك، فقد أظهرت البيانات الحديثة أن هذه الصورة قد تكون مفرطة في التبسيط. تشكلت الأرض من أجيال عديدة من الكواكب المصغرة، مع مساهمات من مصادر مختلفة تختلف على مدى ملايين السنين. لا يُعرف سوى القليل عن اللبنات الأساسية للكواكب، والتي ظهرت بعد أقل من مليون سنة من ولادة نظامنا النجمي. اليوم، ما تبقى منها هو في الأساس نيازك حديدية – بقايا النوى المعدنية لأجسام الكواكب الأولية المدمرة. ومن خلال تتبع تاريخ عنصرين – الفوسفور والنيتروجين – تمكن الباحثون من معرفة المزيد عن المناطق التي تشكلت فيها الكواكب المصغرة القديمة. ولم يتم اختيار هذه العناصر عن طريق الصدفة: فالنيتروجين جزء من البروتينات والأحماض النووية، والفوسفور هو الجزء الأكثر أهمية في الحمض النووي والحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) والجزيئات المسؤولة عن نقل الطاقة في الخلايا. يتبخر النيتروجين بسهولة وهو عنصر متطاير، بينما يتكثف الفوسفور عند درجات حرارة أعلى بكثير.

لمحاكاة العمليات التي حدثت داخل الأجسام المعدنية المبكرة للنظام الشمسي، أجرى مؤلفو العمل العلمي المنشور في مجلة Science Advances سلسلة من التجارب ذات درجات الحرارة العالية. وفي المختبر، درسوا كيفية توزيع الفوسفور والنيتروجين بين سبائك الحديد والنيكل الصلبة والمذابة. ثم تم استخدام البيانات التي تم الحصول عليها لإعادة بناء تكوين الأجسام الأصلية للنيازك الحديدية. لقد اتضح أن الكواكب المصغرة الأولى في النظام الشمسي الخارجي تحتوي على نسبة من الفوسفور أكبر من النيتروجين مقارنة بالأجسام المماثلة في المنطقة الداخلية. صحيح، بالنسبة للأجسام اللاحقة – الكوندريت – كانت الصورة عكس ذلك: كان لممثليها من المنطقة الخارجية للنظام قيم أقل لهذه النسبة. أي أنه خلال الملايين القليلة الأولى فقط من السنين، تغير التركيب الكيميائي لقرص الكواكب الأولية بشكل ملحوظ. واقترح الباحثون أنه في المراحل الأولى من وجود نظامنا النجمي، كانت المناطق الداخلية للقرص شديدة الحرارة والاضطراب. هناك تم تشكيل معدن الشريبرسيت الغني بالفوسفور بشكل نشط. وحملت تيارات من المواد هذه الجسيمات إلى الخارج إلى المناطق الأكثر برودة، حيث تشكلت الكواكب المصغرة الأولى للجزء الخارجي من النظام. وفي وقت لاحق، خفت حدة الاضطراب، وحال كوكب المشتري المتنامي دون انتقال المواد بين المناطق الداخلية والخارجية. ونتيجة لذلك، انخفض توصيل الجزيئات الغنية بالفوسفور وتحول التوازن الكيميائي في الاتجاه الآخر.

ومن ثم، لاختبار أنواع الكواكب المصغرة التي يمكنها إعادة إنتاج النسبة الحالية للفوسفور والنيتروجين في وشاح الأرض، قام العلماء بمحاكاة تكوين الأرض. أظهرت الحسابات أن الكوندريتات الكربونية الموجودة في النظام الشمسي الخارجي وحدها تعطي قيمًا عالية جدًا. في المقابل، فإن الكواكب المصغرة المبكرة للجزء الداخلي من النظام تعيد إنتاج التركيب المرصود للأرض بشكل أفضل بكثير. وكانت الحجة الإضافية هي البيانات النظائرية عن النيتروجين. إذا كان مصدرها الرئيسي هو الأجسام الكربونية الخارجية، فإن التركيب النظائري لغطاء الأرض سيكون مختلفًا. وأظهرت النماذج أيضًا أن الكواكب المصغرة الداخلية تتوافق بشكل أفضل مع الخصائص الكيميائية والنظائرية للأرض الحديثة. وبهذه الطريقة، رسم علماء الكواكب صورة أكثر تعقيدًا لأصول العناصر الأساسية للحياة. بدلًا من الإمداد لمرة واحدة بالعناصر الحيوية من النظام الشمسي الخارجي، من المحتمل أن الأرض تلقتها طوال فترة نموها من أجيال مختلفة من الكواكب المصغرة. علاوة على ذلك، لعبت أقدم الهيئات في المنطقة الداخلية من قرص الكواكب الأولية دورًا مهمًا – وهي الأشياء التي كانت موجودة قبل وقت طويل من ظهور النيازك المعتادة.