الغلاف الجوي قبل الحيوي

الأغلفة الجوية التالية للاصطدامات

كذلك، وقد نقّحت دراساتٌ نمذجية ذلك بتقسيم التطوّر التالي للاصطدام إلى ثلاث مراحل: إنتاجٌ أوّلي لـH2 من تفاعلات الحديد مع البخار، ثم تبرُّدٌ يصاحبه تكوّن CH4 وNH3 (يحفّزه سطح النيكل)، ثم إنتاجٌ كيميائي ضوئي طويل الأمد للنتريلات. فعندما تكون نسبة CH4 إلى CO2 أكبر من 0.1 تنشأ أغلفةٌ جوية ضبابية مع تساقُط HCN وHCCCN يصل إلى 109 جزيء لكل سنتيمتر مربع في الثانية، بينما تعطي النسب الأصغر كمياتٍ مهملة من HCCCN. ويستمر إنتاج النتريلات هذا حتى انفلات H2 إلى الفضاء في غضون بضعة ملايين من السنين. وتتراوح الكتل الدنيا اللازمة للاختزال الفعّال بين 4×1020 و5×1021 كيلوغرام، تبعًا لكفاءة الحديد واتّزان الانصهار. وإضافةً إلى فرضية القصف بالنتريلات، تجد دراساتٌ أخرى أن عمليات السربنتة الناتجة عن عمليات الوشاح العميق ربما كانت كافية بمفردها لإنتاج HCN بمقدارٍ أقل بعشر مرات من آلية القصف، وإن كان دون HCCCN.

علاوةً على ذلك، اقتُرح أن التدفّق الكبير من الأجسام المصطدِمة في المجموعة الشمسية المبكرة ربما غيّر طبيعة الغلاف الجوي قبل الحيوي تغييرًا كبيرًا؛ فخلال حقبة الغلاف الجوي قبل الحيوي يُتوقَّع أن بضعة اصطداماتٍ كويكبية كبيرة بما يكفي لتبخير المحيطات وصهر سطح الأرض ربما وقعت، مع توقُّع أعدادٍ أكبر بكثير من الاصطدامات الأصغر. وكانت هذه الاصطدامات لتغيّر كيمياء الغلاف الجوي قبل الحيوي تغييرًا كبيرًا بتسخينه وقذف بعضه إلى الفضاء وإيصال مادةٍ كيميائية جديدة. وتشير دراسات الأغلفة الجوية التالية للاصطدامات إلى أنها كانت لتجعل الغلاف الجوي قبل الحيوي شديد الاختزال لفترةٍ من الزمن بعد اصطدامٍ كبير. وفي المتوسط، احتوت المصطدِمات في المجموعة الشمسية المبكرة على معادن شديدة الاختزال (مثل الحديد الفلزي) وكانت غنيةً بمركّبات مختزَلة تدخل الغلاف الجوي بسهولة على هيئة غاز. وفي هذه الأغلفة الجوية شديدة الاختزال التالية للاصطدامات، تكون وفرة الغازات المختزَلة أعلى بكثير مثل CH4 وHCN وربما NH3. ويُتوقَّع أن تدوم الأغلفة الجوية المختزَلة التالية للاصطدامات، بعد تكاثف المحيط، حتى عشرات الملايين من السنين قبل عودتها إلى حالتها الخلفية.

تركيب الغلاف الجوي

وفي هذا السياق، لا يُعرف التركيب الدقيق للغلاف الجوي قبل الحيوي بسبب نقص البيانات الجيوكيميائية من تلك الحقبة، وتشير الدراسات الحالية عمومًا إلى أنه كان «ضعيف الاختزال»، بمستوياتٍ مرتفعة من ثاني أكسيد الكربون (CO2)، ونيتروجين (N2) ضمن عاملٍ قدره 2 من المستوى الحديث، وكمياتٍ مهملة من الأكسجين (O2)، وغازاتٍ حاملة للهيدروجين أكثر من الأرض الحديثة (انظر أدناه). كما وُجدت الغازات النبيلة والنواتج الكيميائية الضوئية للأنواع السائدة بكمياتٍ صغيرة.

العلاقة بأصل الحياة

من جهة ثانية، وبمجرد أن نشأت الحياة وبدأت تتفاعل مع الغلاف الجوي، انتقل الغلاف الجوي قبل الحيوي إلى الغلاف الجوي التالي للحيوي بحكم التعريف.

وفي هذا الصدد، يمكن للغلاف الجوي قبل الحيوي أن يوفّر مكوّناتٍ كيميائية وييسّر ظروفًا بيئية تسهم في تخليق المركّبات العضوية الداخلة في أصل الحياة؛ فمثلًا، خُلِّقت مركّباتٌ يُحتمَل أنها تشارك في أصل الحياة في تجربة ميلر-يوري، وفي هذه التجربة يجب افتراض ما كان موجودًا من غازات في الغلاف الجوي قبل الحيوي. وتشمل المكوّنات المهمة المقترَحة لأصل الحياة (مثلًا لا الحصر) الميثان (CH4) والأمونيا (NH3) والفوسفات (PO43−) وسيانيد الهيدروجين (HCN) والسيانواسيتيلين (HCCCN) ومركّبات عضوية متنوعة ونواتج كيميائية ضوئية متنوعة. ويؤثّر تركيب الغلاف الجوي في استقرار هذه المركّبات وإنتاجها على سطح الأرض؛ فمثلًا قد يُنتج الغلاف الجوي قبل الحيوي «ضعيف الاختزال» بعض هذه المكوّنات — لا كلها — عبر تفاعلاتٍ مع البرق. في المقابل، يتعزّز إنتاج مكوّنات أصل الحياة واستقرارها كثيرًا في الغلاف الجوي شديد الاختزال، مما يجعل الأغلفة الجوية التالية للاصطدامات وثيقة الصلة على نحوٍ خاص. كما اقتُرح أن الظروف اللازمة لأصل الحياة ربما ظهرت محليًا في نظامٍ معزول عن الغلاف الجوي (مثل المنافس المائية الحرارية). وقد شدّدت الحجج المعارِضة لهذه الفرضية على أن مركّباتٍ مثل السياندات المستخدَمة لصنع القواعد النووية للحمض النووي الريبوزي (RNA) ستكون مخفَّفة أكثر من اللازم في المحيط، بخلاف البحيرات على اليابسة التي قد تخزّنها بسهولة على هيئة أملاح فيروسيانيد. ويمكن تجاوز ذلك بفرض شرطٍ حدّي مثل منافس المياه الضحلة التي شهدت دورات تبخّرٍ موضعية. وقد تُنتج آلية المنفس كذلك «HCCCN»، لكنها تتطلّب ضغطًا ودرجة حرارةٍ مرتفعين للغاية للتخزين الفعّال. وتنبع أهمية الطرائق التي تُنتج HCCCN بسهولة من كونه مكوّنًا لازمًا في أفضل فهمٍ حالي لتخليق البيريميدين.

نشأة الغلاف الجوي قبل الحيوي

وفي هذا السياق، يُعتقد أن الأرض تكوّنت قبل أكثر من 4.5 مليار سنة بتراكم مادة السديم الشمسي. وتشكّل القمر في اصطدامٍ يُعرف بـ«الاصطدام المُشكِّل للقمر»، يُعتقد أنه وقع بعد 30 إلى 50 مليون سنة من تكوّن الأرض، إذ اصطدم بالأرض البدائية جِرمٌ بحجم المريخ يُدعى ثيا، فتشكّل القمر من بقايا الاصطدام. وقد وفّر هذا الاصطدام على الأرجح طاقةً كافية لصهر أغلب وشاح الأرض وتبخير نحو 20% منه، فارتفعت حرارة سطح الأرض إلى ما يصل إلى 8000 كلفن (نحو 14000 °ف). واتّسم سطح الأرض في أعقاب الاصطدام المُشكِّل للقمر بدرجات حرارة عالية (نحو 2500 كلفن)، وغلافٍ جوي مكوّن من بخار الصخر والبخار المائي، ومحيط صهارة. ومع برودة الأرض بإشعاعها الطاقة الفائضة من الاصطدام، تصلّب محيط الصهارة، وتوزّعت المواد المتطايرة بين الوشاح والغلاف الجوي حتى بلوغ حالةٍ مستقرة. ويُقدَّر أن الأرض انتقلت من البيئة الحارة التالية للاصطدام إلى بيئةٍ يُحتمل أن تكون صالحة للسكن مع إعادة تدوير للقشرة، وإن اختلفت عن الصفائح التكتونية الحديثة، قبل نحو 10 إلى 20 مليون سنة من الاصطدام المُشكِّل للقمر، أي قبل نحو 4.4 مليار سنة. ويُشار إلى الغلاف الجوي الموجود من هذه النقطة في تاريخ الأرض حتى نشوء الحياة بالغلاف الجوي قبل الحيوي.

من جانب آخر، ولا يُعرف بالضبط متى نشأت الحياة؛ فأقدم دليلٍ مباشر على الحياة على الأرض يبلغ عمره نحو 3.5 مليار سنة، مثل الستروماتوليتات المتحجّرة من نورث بول في غرب أستراليا. أما الأدلة المُفترَضة على الحياة من أزمنة أقدم (مثل 3.8 و4.1 مليار سنة) فتفتقر إلى السياق الإضافي اللازم للجزم بأنها ذات أصلٍ حيوي حقًا، ولا تزال محل جدل. ومن ثمّ، انتهى الغلاف الجوي قبل الحيوي قبل 3.5 مليار سنة أو أبكر، مما يضعه في مطلع الدهر السحيق أو أواسط الدهر الجهنمي وأواخره.

النيتروجين

ومن ناحية أخرى، يشكّل النيتروجين في صورة N2 نحو 78% من غلاف الأرض الجوي الحديث حجمًا، مما يجعله أوفر غازاته. ويُعدّ N2 عمومًا غازًا خلفيًا في غلاف الأرض الجوي لأنه قليل التفاعل نسبيًا بسبب قوة رابطته الثلاثية. ومع ذلك، كان N2 الجوي مهمًا إلى حدٍّ معتدل على الأقل في البيئة قبل الحيوية لأنه يؤثّر في المناخ عبر تبعثر رايلي، وربما كان أنشط كيميائيًا ضوئيًا في ظل الأشعة السينية وفوق البنفسجية المعزَّزة من الشمس الفتية. وكان N2 على الأرجح مهمًا كذلك في تخليق مركّباتٍ يُعتقد أنها حاسمة لنشأة الحياة، مثل سيانيد الهيدروجين (HCN) والأحماض الأمينية المشتقة منه. وقد حاولت دراساتٌ تقييد وفرة N2 في الغلاف الجوي قبل الحيوي بتقديراتٍ نظرية ونماذج وبيانات جيولوجية، فأسفرت عن نطاقٍ من القيود المحتملة على تلك الوفرة؛ فمثلًا، تشير دراسةٌ نمذجية حديثة تدمج انفلات الغلاف الجوي وكيمياء محيط الصهارة وتطوّر كيمياء باطن الأرض إلى أن وفرة N2 الجوية كانت على الأرجح أقل من نصف قيمتها الحالية، غير أن هذه الدراسة تندرج ضمن مجموعةٍ أوسع من الأعمال التي تُقيّد وفرة N2 قبل الحيوية عمومًا بين نصف المستوى الحالي وضعفه.

العوامل البيئية

ومن ناحية أخرى، تتطلّب دراسة الغلاف الجوي قبل الحيوي معرفةَ العوامل البيئية التي كانت فاعلة على الأرض المبكرة. ويأتي أغلب ما نعرفه عن البيئة قبل الحيوية من بلورات الزركون — وهي بلورات سيليكات الزركونيوم (ZrSiO4) — إذ تسجّل العمليات الفيزيائية والكيميائية التي جرت على الأرض قبل الحيوية أثناء تكوّنها، وهي شديدة المتانة. وتوجد أغلب بلورات الزركون المؤرَّخة إلى الحقبة قبل الحيوية في تشكيل مرتفعات جاك بغرب أستراليا، لكنها تظهر في مواضع أخرى كذلك. وتُظهر البيانات الجيوكيميائية من عدة بلورات زركون قبل حيوية أدلةً نظائرية على تغيّرٍ كيميائي أحدثه الماء السائل، مما يدل على أن البيئة قبل الحيوية كانت تضمّ محيطًا سائلًا ودرجة حرارة سطحٍ لم تُجمِّده ولم تُغلِه. ولا يُعرف بالضبط متى برزت القارات فوق هذا المحيط السائل، مما يزيد الغموض حول البيئات المحلية التي قد تكون ضرورية لنشأة الحياة، غير أن وجود جزرٍ محيطية كان مرجَّحًا. كما أن حالة أكسدة وشاح الأرض كانت على الأرجح مختلفة في الأزمنة المبكرة، وهو ما يغيّر تدفّقات الأنواع الكيميائية الواصلة إلى الغلاف الجوي من التغويز البركاني.

علاوةً على ذلك، وأثّرت في الأرض قبل الحيوية عواملُ بيئية أخرى من المجموعة الشمسية؛ فقد كانت الشمس أخفت بنحو 30% إجمالًا في زمن تكوّن الأرض، مما يعني أن الغازات الدفيئة ربما كانت مطلوبة بمستوياتٍ أعلى من اليوم لمنع تجمّد الأرض بالكامل. ورغم الانخفاض العام في الطاقة الواردة من الشمس، أصدرت الشمس المبكرة إشعاعًا في نطاقَي الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية أكثر مما تُصدره في الوقت الحالي، مما يدل على أن تفاعلاتٍ كيميائية ضوئية مختلفة ربما سادت في غلاف الأرض المبكر، وهو ما تترتّب عليه آثارٌ في كيمياء الغلاف الجوي العالمية وتكوّن مركّبات مهمة قد تفضي إلى نشأة الحياة. وأخيرًا، كان ثمّة تدفّقٌ أعلى بكثير من الأجسام التي اصطدمت بالأرض — مثل المذنبات والكويكبات — في المجموعة الشمسية المبكرة، وربما كانت هذه المصطدِمات مهمة في الغلاف الجوي قبل الحيوي لأنها تستطيع إيصال موادّ إلى الغلاف الجوي، وقذف موادّ منه، وتغيير طبيعته الكيميائية بعد وصولها.

الأكسجين

وعلى صعيد آخر، يشكّل الأكسجين في صورة O2 نحو 21% من غلاف الأرض الجوي الحديث حجمًا. ويرجع الأكسجين الجوي الحديث للأرض بأكمله على وجه التقريب إلى الأحياء (إذ يُنتَج مثلًا أثناء التركيب الضوئي المُنتِج للأكسجين)، ولذا لم يكن قريبًا من هذه الوفرة في الغلاف الجوي قبل الحيوي، وهو أمرٌ مواتٍ لنشأة الحياة، إذ إن الأكسجين يؤكسِد المركّبات العضوية اللازمة لها. ويمكن حساب وفرة الأكسجين في الغلاف الجوي قبل الحيوي نظريًا بنماذج كيمياء الغلاف الجوي، فالمصدر الرئيسي للأكسجين في هذه النماذج هو تفكّك مركّباتٍ أخرى حاوية للأكسجين وما يتلوه من تفاعلات كيميائية؛ فبإمكان الفوتونات الشمسية الواردة أو البرق تفكيك جزيئات CO2 وH2O، محرِّرةً ذرات الأكسجين وسائر الجذور (أي الغازات الشديدة التفاعل في الغلاف الجوي)، ثم يتّحد الأكسجين الحر مكوّنًا جزيئات O2 عبر عدة مسارات كيميائية. ويتحدّد معدّل تكوّن الأكسجين في هذه العملية بالتدفّق الشمسي الوارد ومعدّل البرق ووفرة الغازات الجوية الأخرى المشارِكة في التفاعلات (مثل CO2 وH2O وOH) وتوزيعاتها الرأسية. ويُزال الأكسجين من الغلاف الجوي عبر تفاعلاتٍ كيميائية ضوئية تشمل أساسًا H2 وCO قرب السطح؛ وأهمها يبدأ حين تُفكِّك الفوتونات الشمسية الواردة جزيء H2 إلى ذرتَي هيدروجين، فيتفاعل الهيدروجين الحر مع O2 ويكوّن في النهاية H2O، مما يؤدي إلى إزالةٍ صافية للأكسجين وزيادةٍ صافية للماء. وتُظهر النماذج التي تحاكي كل هذه التفاعلات في غلافٍ جوي محتمل قبل حيوي أن وفرة الأكسجين الجوية كانت على الأرجح ضئيلة للغاية. وفي أحد هذه النماذج الذي افترض قيمًا لوفرة CO2 وH2 ومصادرهما، حُسبت نسبة الخلط الحجمي للأكسجين بين 10−18 و10−11 قرب السطح وحتى 10−4 في الغلاف الجوي العلوي.

الهيدروجين والغازات المختزَلة

ومن ناحية أخرى، يمكن النظر إلى وفرة الهيدروجين في الغلاف الجوي قبل الحيوي من منظور كيمياء الأكسدة والاختزال (الريدوكس). فالغلاف الجوي الحديث مؤكسِدٌ بسبب الحجم الكبير من O2 الجوي، وفي الغلاف المؤكسِد تكون غالبية الذرّات المكوّنة للمركّبات الجوية (مثل الكربون) في صورةٍ مؤكسَدة (مثل CO2) بدلًا من صورةٍ مختزَلة (مثل CH4)، بينما في الغلاف المختزِل تكون أنواعٌ أكثر في صورها المختزَلة الحاملة للهيدروجين عادةً. ولأن الأكسجين كان قليلًا جدًا في الغلاف الجوي قبل الحيوي، يُعتقد عمومًا أنه كان «ضعيف الاختزال»، وإن رأى بعضهم أنه كان «شديد الاختزال». وفي الغلاف ضعيف الاختزال تتوافر الغازات المختزَلة (مثل CH4 وNH3) والمؤكسَدة (مثل CO2) معًا. وقد قُدِّرت وفرة H2 الفعلية في الغلاف الجوي قبل الحيوي بحسابٍ يأخذ في الاعتبار معدّل تغويز H2 بركانيًا إلى السطح ومعدّل انفلاته إلى الفضاء، وتشير إحدى هذه الحسابات الحديثة إلى أن وفرة H2 قبل الحيوية كانت نحو 400 جزء في المليون، لكنها قد تكون أعلى بكثير إذا كان مصدر التغويز البركاني معزَّزًا أو كان الانفلات الجوي أقل كفاءةً مما هو متوقَّع. ويمكن لاحقًا حساب وفرة الأنواع المختزَلة الأخرى في الغلاف الجوي بنماذج كيمياء الغلاف الجوي.

التسمية

وعلى صعيد آخر، «الغلاف الجوي قبل الحيوي» ترجمةٌ للمصطلح الإنجليزي ، و«قبل الحيوي» (أو «قبل الأحياء») تعني ما سبق نشوء الحياة، فهو الغلاف الجوي الذي ساد الأرض قبل ظهور الكائنات الحية.

ثاني أكسيد الكربون

إضافةً إلى ذلك، وتشير الأدلة إلى أن دورة الكربونات-السيليكات تنظّم وفرة ثاني أكسيد الكربون في غلاف الأرض على مقاييس زمنية تناهز مليون سنة؛ وهي حلقة ارتجاع سلبي تعدّل درجة حرارة سطح الأرض بتوزيع الكربون بين الغلاف الجوي والوشاح عبر عدة عمليات سطحية. وقد اقتُرح أن عمليات دورة الكربونات-السيليكات تؤدي إلى مستوياتٍ عالية من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف قبل الحيوي لتعويض انخفاض الطاقة الواردة من الشمس الصغيرة الخافتة، ويمكن استخدام هذه الآلية لتقدير وفرة ثاني أكسيد الكربون قبل الحيوي، لكنها محل نقاشٍ وغير مؤكدة. ويعود عدم اليقين أساسًا إلى نقص المعرفة بمساحة اليابسة المكشوفة، وكيمياء باطن الأرض المبكرة وبنيته، ومعدّل التجوية العكسية وتجوية قاع البحر، وزيادة تدفّق المصطدِمات. وتشير إحدى الدراسات النمذجية الواسعة إلى أن ثاني أكسيد الكربون كان أعلى بنحو 20 ضعفًا في الغلاف قبل الحيوي منه في القيمة الحديثة السابقة للثورة الصناعية (280 جزءًا في المليون)، مما يؤدي إلى متوسط درجة حرارة سطحٍ عالمية يناهز 259 كلفن (6.5 °ف) وأسٍّ هيدروجيني للمحيط يناهز 7.9. ويتوافق ذلك مع دراساتٍ أخرى تخلص عمومًا إلى أن وفرة ثاني أكسيد الكربون قبل الحيوية كانت أعلى من الحديثة، وإن كانت درجة حرارة السطح العالمية ربما ظلّت أبرد كثيرًا بسبب الشمس الصغيرة الخافتة.

وفي هذا الصدد، يُعدّ ثنائي أكسيد الكربون (CO2) مكوّنًا مهمًا في الغلاف الجوي قبل الحيوي، لأنه بوصفه غازًا دفيئًا يؤثّر بقوة في درجة حرارة السطح، كما يذوب في الماء ويمكن أن يغيّر حموضة المحيط. ولا تُقيَّد وفرة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي قبل الحيوي مباشرةً بالبيانات الجيوكيميائية، بل يجب استنتاجها.