Η προέλευση των χημικών στοιχείων
Όλα τα χημικά στοιχεία που αποτελούν το σώμα μας και τον κόσμο γύρω μας προέρχονται από τις φυσικές διεργασίες στο Σύμπαν, οι οποίες λαμβάνουν χώρα κυρίως στο εσωτερικό των άστρων εδώ και περίπου δεκατρία δισεκατομμύρια χρόνια. Γνωρίζουμε ότι αρχικά το Σύμπαν αποτελούνταν από υδρογόνο, το απλούστερο χημικό στοιχείο, και ήλιο. Η δημιουργία των αστεριών προϋποθέτει ένα μηχανισμό παραγωγής ενέργειας στο εσωτερικό τους, η οποία τελικά ακτινοβολείται υπό τη μορφή φωτός από τις ατμόσφαιρές τους. Κατά τα κύρια στάδια ζωής των αστεριών, το υδρογόνο του πυρήνα τους μετατρέπεται σε ήλιο και άλλα ελαφρά στοιχεία ως ενδιάμεσα παράγωγα, ενώ καθώς το αστέρι οδηγείται προς τον αστρικό θάνατο, οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις παράγουν κάποια από τα βαρύτερα στοιχεία. Στα αστέρια μεγαλύτερης μάζας η διαδικασία μπορεί να οδηγήσει ως την παραγωγή σιδήρου. Το τέλος της ζωής αυτών των αστεριών σηματοδοτείται συνήθως από λαμπρές εκρήξεις, τις εκρήξεις υπερκαινοφανών, οι οποίες ευνοούν τη δημιουργία μιας ακόμα μεγαλύτερης ποικιλίας χημικών στοιχείων και, το σημαντικότερο, τα διασκορπίζουν στο διάστημα, όπου τροφοδοτούν περαιτέρω τη δημιουργία της επόμενης γενιάς αστεριών. Σε αστροφυσικά περιβάλλονται με ακραίες συνθήκες, όπως οι συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων μπορούμε να έχουμε τη δημιουργία ακόμα βαρύτερων στοιχείων.
Πώς, όμως, γνωρίζουμε για την προέλευση των στοιχείων;
Οι διαδικασίες που έχουν ως αποτέλεσμα την παραγωγή των στοιχείων χαρακτηρίζονται ως διαδικασίες πυρηνοσύνθεσης ή νουκλεοσύνθεσης (nucleosynthesis είναι ο αγγλικός όρος). Για την κατανόηση της προέλευσης των στοιχείων συνδυάζονται η θεωρητική έρευνα στην πυρηνική φυσική με τις πρακτικές της αστρικής φασματοσκοπίας. Η πρώτη βασίζεται στην κβαντομηχανική και μας υποδεικνύει τις διαδικασίες μετατροπής των πυρήνων των στοιχείων που είναι εφικτές υπό συγκεκριμένες φυσικές συνθήκες. Με τη βοήθεια της φασματοσκοπίας, αναλύουμε το φως που λαμβάνουμε από τα αστέρια και άλλα αστροφυσικά αντικείμενα, μελετώντας την απορρόφηση που προκαλούν σε αυτό τα διάφορα χημικά στοιχεία που βρίσκονται στις ατμόσφαιρές τους. Με αυτό τον τρόπο βγάζουμε συμπεράσματα τόσο για τις φυσικές συνθήκες που επικρατούν εκεί όσο και για τις αφθονίες των χημικών στοιχείων που τις αποτελούν.
Τα χημικά στοιχεία στη Γη και στους πλανήτες
Στα λιγότερο θερμά περιβάλλοντα της Γης και των πλανητών μελετάμε πιο συγκεκριμένα τις χημικές διεργασίες στις οποίες συμμετέχουν τα πετρώματα και τα στοιχεία των ατμοσφαιρών τους. Φυσικά, στη Γη είναι ευκολότερη η συλλογή πετρωμάτων, η μελέτη της χημικής τους σύστασης και της κρυσταλλικής τους δομής, και η αλληλεπίδρασή τους με παράγοντες όπως η ηλιακή ακτινοβολία, τα ατμοσφαιρικά φαινόμενα, το νερό, καθώς επίσης και οι διάφορες γεωλογικές διεργασίες (ηφαίστεια κλπ). Στην περίπτωση των πλανητών και των άλλων σωμάτων του ηλιακού συστήματος, η έρευνα αυτή βασίζεται είτε σε παρατηρήσεις ή σε αποστολές, οι οποίες διεξάγουν επιτόπιες μετρήσεις και αναλύσεις πετρωμάτων, όπως η πρόσφατη αποστολή Perseverance στον Άρη, η αποστολή Rosetta στον κομήτη 67P/Churyumov-Gerasimenko, κ.α.
Σε ό,τι αφορά τα στοιχεία στη Γη, αναζητούμε πιο συγκεκριμένες απαντήσεις σχετικά με το πώς εμπλουτίστηκε το γήινο περιβάλλον σε συγκεκριμένα στοιχεία και πώς αυτά επηρέασαν την εξέλιξη του περιβάλλοντος και την εμφάνιση της ζωής. Για να απαντήσουμε τα σχετικά ερωτήματα αναζητούμε όχι απλώς την προέλευση των στοιχείων ως μεμονωμένα άτομα ή μόρια, αλλά και τις συγκεκριμένες μορφές τους σε διάφορες χημικές ουσίες, οι οποίες μπορούν να τροφοδοτήσουν συγκεκριμένες χημικές αντιδράσεις, υπό τις παρατηρούμενες ή θεωρητικά αναμενόμενες συνθήκες.
Η προέλευση του φωσφόρου της Γης
Σύμφωνα με όσα γνωρίζουμε μέχρι στιγμής, ο πλανήτης μας δημιουργήθηκε πριν περίπου 4.5 δισεκατομμύρια χρόνια, ενώ η ζωή εμφανίστηκε περίπου μισό με ένα δισεκατομμύριο έτη αργότερα. Ο φώσφορος, αν και βρίσκεται σε μικρές ποσότητες στο σώμα μας, είναι ένα από τα βασικά χημικά «συστατικά» της ζωής, απαραίτητος, μεταξύ άλλων, για το σχηματισμό των μορίων DNA και RNA καθώς επίσης και της τριφοσφωρικής αδενοσίνης (adenosine triphosphate, ATP), ένα μόριο που σχηματίζεται κατά τη φωτοσύνθεση και κατά τη διάρκεια της κυτταρικής αναπνοής και είναι απαραίτητο για τις βιοχημικές λειτουργίες του κυττάρου.
Στη Γη, φώσφορος υπάρχει άφθονος σε ορυκτά υπό τη μορφή φωσφορικών αλάτων. Τα ορυκτά αυτά, ωστόσο δεν είναι υδατοδιαλυτά, επομένως αυτή η μορφή φωσφόρου δεν θα μπορούσε να «αξιοποιηθεί» εύκολα σε πρόδρομες για την εμφάνιση ζωής χημικές αντιδράσεις. Αντιθέτως, μια μορφή ανηγμένου φωσφόρου που μπορεί να τροφοδοτήσει αντιδράσεις δημιουργίας οργανικών μορίων βρίσκεται στο ορυκτό σρεϊβερσίτη (schreibersite, (Fe,Ni)3P), το οποίο είναι υδατοδιαλυτό. Τα οργανικά μόρια που παράγονται από τον σρεϊβερσίτη μπορούν στη συνέχεια, αντιδρώντας με το υπεριώδες φως του Ήλιου να οδηγήσουν στη δημιουργία προβιοτικών μορίων. Για αυτό το λόγο ο σρεϊβερσίτης θεωρείται μια σημαντική πηγή φωσφόρου για τις βιοχημικές αντιδράσεις που οδήγησαν στην εμφάνιση ζωής στη νεαρή Γη. Η ύπαρξη σρεϊβερσίτη σε κάποιες κατηγορίες μετεωριτών (σιδηρομετεωρίτες) έχει τροφοδοτήσει την άποψη ότι πιθανόν οι συχνές προσκρούσεις μετεωριτών να αποτελούσαν τη σημαντικότερη πηγή φωσφόρου κατάλληλης μορφής, στη πρώιμη Γη.
Υπολογίζεται ότι λόγω των προσκρούσεων μετεωριτών, η Γη δεχόταν περίπου εκατό με δέκα χιλιάδες τόνους ανηγμένου φωσφόρου ετησίως, κατά τα πρώτα ένα δισεκατομμύριο έτη της ύπαρξής της. Παρόλο που ο ρυθμός πρόσπτωσης μετεωριτών στη Γη μειώνεται σταθερά, μια τέτοια πηγή φαίνεται να καθιστά οποιοδήποτε άλλο μηχανισμό ασήμαντο. Ωστόσο, μια πρόσφατη μελέτη από ερευνητές του Πανεπιστημίου του Leeds, η οποία δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Communications, φέρνει νέα στοιχεία, τα οποία υποστηρίζουν τον πιθανά σημαντικό ρόλο των κεραυνών στην αφθονία του ανηγμένου φωσφόρου στο πρώιμο γήινο περιβάλλον.
Κεραυνοί και φώσφορος στην πρώιμη Γη
Η πρόσπτωση κεραυνών στο έδαφος μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την απότομη θέρμανση των πλούσιων σε πυρίτιο πετρωμάτων του σε χιλιάδες βαθμούς, και την εξάτμιση πολλών από τα συστατικά του. Λόγω αυτού του γεγονότος, είναι δυνατός ο σχηματισμός πετρωμάτων που έχουν την όψη λιωμένου γυαλιού και ονομάζονται φουλγουρίτες.
Οι ερευνητές μελέτησαν μια τομή ενός φουλγουρίτη χρησιμοποιώντας τεχνικές όπως φασματοσκοπία φθορισμού ακτίνων Χ, περίθλαση ακτίνων Χ, φασματοσκοπία Raman, κ.λπ. για να εξερευνήσουν τη σύσταση και δομή του υλικού. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο φουλγουρίτης περιείχε «παγιδευμένα» σφαιρίδια σρεϊβερσίτη, ο οποίος με τη σειρά του περιέχει ανηγμένο φώσφορο. Συγκριτική ανάλυση με τη σύσταση του εδάφους από το οποίο προήλθε ο φουλγουρίτης τούς έδωσε τη δυνατότητα να εκτιμήσουν την ποσότητα του ανηγμένου φωσφόρου που μπορεί να δημιουργηθεί από την επίδραση των κεραυνών στο έδαφος.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές προσπάθησαν να εκτιμήσουν τον αριθμό των κεραυνών που αναπτύχθηκαν στην πρώιμη Γη. Βασίστηκαν σε μοντέλα που περιγράφουν τη σύσταση της ατμόσφαιρας και την ατμοσφαιρική κυκλοφορία του αέρα, κατά τους καταρχαιοζωικό και πρώιμο αρχαιοζωικό αιώνες (δηλαδή 4.5 με 3.5 δισεκατομμύρια έτη πριν). Σύμφωνα με τους υπολογισμούς τους, ο αριθμός των κεραυνών μπορεί να έφτανε ακόμα και το ένα πεντακισεκατομμύριο, κάτι που συνεπάγεται τη δημιουργία περισσότερων από ένα δισεκατομμύριο φουλγουριτών το χρόνο. Υιοθετώντας μέσες τιμές μεγέθους των φουλγουριτών και περιεκτικότητάς τους σε φώσφορο, οι ερευνητές εκτίμησαν ότι η συνεπαγόμενη ποσότητα των ενώσεων που περιέχουν φώσφορο σε ανηγμένη μορφή μπορεί να φτάνει τα χίλια με δέκα χιλιάδες κιλά ετησίως. Η ποσότητα αυτή είναι σημαντικός παράγοντας αφθονίας ανηγμένου φωσφόρου. Σύμφωνα με τους ερευνητές, τα αποτελέσματα αυτά αφορούν την τάξη μεγέθους της ποσότητας του φωσφόρου που μπορεί να οφείλεται στους κεραυνούς και, επομένως, δεν είναι πολύ ευαίσθητα στις αρχικές υποθέσεις.
Αν αυτή η εκτίμηση είναι ακριβής, τότε οι κεραυνοί παρέχουν έναν πολύ αποδοτικό μηχανισμό παραγωγής φωσφόρου κατάλληλου για βιοχημικές αντιδράσεις, όχι μόνο στη Γη αλλά ενδεχομένως και σε άλλους πλανήτες. Ο μηχανισμός αυτός δεν εξαρτάται από τη συχνότητα πρόσπτωσης μετεωριτών (η οποία μπορεί να μεταβάλλεται με το χρόνο και να διαφέρει σε διαφορετικά πλανητικά περιβάλλοντα), ενώ αποτελεί έναν μακράν λιγότερο καταστροφικό μηχανισμό, επιτρέποντας τη συνέχιση των διεργασιών στο εμπλουτισμένο με φώσφορο περιβάλλον.
Πηγές:
Hess, B.L., Piazolo, S. & Harvey, J. Lightning strikes as a major facilitator of prebiotic phosphorus reduction on early Earth. Nat Commun 12, 1535 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-21849-2
https://science.nasa.gov/where-your-elements-came
