Planet, podoben Zemlji

Kaj točno imamo v mislih, ko govorimo o Zemlji podobnim planetom? Danes bomo v Znanstvenem komentarju odgovarjali na to vprašanje z vidika mineralne evolucije. Minerali so naravni materiali z opredeljeno kristalno strukturo in kemično sestavo. Sestavljajo vse kamnine na Zemlji in do danes poznamo nekaj več kot 5000 vrst različnih mineralov.

Teorijo mineralne evolucije je pred slabimi petnajstimi leti prvič predlagal mineralog Robert Hazan. Navedel je, da fizikalni, kemični in biološki procesi na Zemlji povzročajo nastanek novih vrst mineralov, ki jih je razdelil v deset mineraloških faz. Torej, kateri mineral je bil prva kristalna snov v zgodovini nastanka Zemlje? Odgovor stroka še danes išče v procesu formiranja zvezd, kjer poteka nukleosinteza. Tako nastajajo elementi – ogljik, kisik, silicij, dušik, magnezij in celo železo. Ti elementi med drugim nastajajo tudi v velikih zvezdah, in ko izgori, zvezda eksplodira kot supernova. Vesolje zaradi tega postane nasuto z novimi elementi, težjimi od železa, ki lahko nastanejo le v taki eksploziji. Pogoji za prvo kristalizacijo so bili idealni še posebej na robovih eksplozije supernove, kjer je bila temperatura dovolj nizka, atomov ogljika pa je bilo dovolj, da so se med seboj našli in povezali. Stvoril se je prvi mineral v zgodovini – diamant. Poleg ogljika so bili v izobilju tudi dušik, kisik, magnezij, kalcij, titan, železo in nikelj. Visoka koncentracija teh atomov je omogočila nastanek še dvanajstih mineralov, sestavljenih iz omenjenih desetih kemijskih elementov v ostankih supernove. Skupaj z diamantom to skupino imenujemo »ur minerali« in ti so tvorci vseh danes znanih materialov.

Ur minerali zaznamujejo začetek fizičnih procesov, ki oblikujejo minerale. V nebuli, ki je obdajala nastajajoče sonce, so zaradi vročine iz plina in delcev začele nastajati kapljice hondrul. Te predstavljajo prvi hitro staljen in nenadno ohlajen material v vesolju. Tako se je kondenziralo 60 novih vrst mineralov. Te še danes najdemo v primarnih meteoritih. Kondenzaciji je sledila akrecija kapljic v večje tvorbe, od velikosti riževega zrna do velikosti pomaranče, velikosti sobe, mesta, do premera dvesto kilometrov. Taka velikost povzroči notranje taljenje in materiali se pričnejo diferencirati, torej proti jedru nastale tvorbe potujejo težje snovi, lažji materiali pa ostajajo na površju. Z akrecijo in diferenciacijo se je število mineralov povzpelo na 250 vrst. Na primer Luna, ki kroži okoli Zemlje, je dosegla tretjo stopnjo mineralnega razvoja in sledi procesu akrecije in diferenciacije. Med njenim ločenim jedrom in skorjo že potekajo reakcije, ki tvorijo nove minerale. Tako danes na Luni najdemo okoli tristo različnih mineralov.  

Četrto stopnjo razvojne lestvice mineralov dobro predstavlja Mars. Bistvena razlika, ki je število mineralnih vrst na Marsu dvignila z luninih 300 na 420, je voda, s katero so nastali hidroksidi in glineni minerali. Sicer raziskave Marsa še potekajo, a trenutno se ne pričakuje, da bi na tem planetu odkrili kaj več kot 420 mineralnih vrst. Mars je namreč premajhen planet in se je prehitro ohladil. Zemlji, po drugi strani, je ravno notranja toplota omogočila razvoj zemljine skorje in nastanek bazalta. Zaradi prisotnosti vode se je ta kamnina delno stalila in nastali so graniti, število mineralnih vrst pa je s tem poskočilo na tisoč. S pojavom granitov pa se je začelo tudi oblikovanje in premikanje litosferskih plošč oziroma tektonika, vključno z vzpostavitvijo vulkanskih sistemov. To predstavlja šesto stopnjo mineralne evolucije, za katero je značilnih 1500 različnih mineralov.

Od primarnih dvanajstih ur mineralov, sestavljenih iz desetih elementov, se Zemlja danes kiti z več kot pet tisoč minerali iz 72 kemijskih elementov. Trenutno smo z opisom mineralne evolucije pri številki 1500 mineralnih vrst. Do te točke je Zemlja prilezla le s kemijskimi in fizičnimi procesi. Še vedno pa ostajata dve tretjini mineralov, ki jih do sedaj sploh še nismo omenili. Milijardo let staro Zemljo je sestavljal seštevek približno 1500 mineralov, potem pa se je razvilo življenje. Biološki procesi so dramatično vplivali na količino nastalih mineralov, danes poznamo kar 3500 mineralnih vrst, povezanih z biološkimi faktorji.

Da je nastanek mineralnih vrst povezan z razvojem življenja, bi se nekdaj smatralo za herezijo. Danes pa vemo, da sta biosfera in geosfera koevolucijsko prepletena. Eden najpomembnejših dogodkov biosfere, ki je prinesel pomembne spremembe tudi v geosferi, je oksidacija oziroma nakopičenje kisika v atmosferi. To se je zgodilo pred približno dvema milijardama let in posledično je nastalo preko tri tisoč novih vrst mineralov. Sodelovanje med biosfero in geosfero je potekalo na več ravneh. Predhodniki organskih molekul, na primer, so se najverjetneje skrivali v luknjicah preperele mineralne površine, ki jih je ščitila pred radiacijo. Ali pa recimo magnetit, železov oksid, ki sproži reorganizacijo vodikovih in dušikovih plinov. Z magnetitom kot katalizatorjem tako nastane amonijak, ključna spojina, iz katere žive celice pridobivajo dušik. Živi organizmi so pred približno petstotimi milijoni let celo začeli vgrajevati minerale v svoj skelet in začela se je biomineralizacija. Vse to je le majhen nabor primerov, ki kaže, da dve tretjini nam danes znanih mineralov sploh ne bi mogli nastati, če se na Zemlji ne bi razvilo življenje. 

Vendar do kakšne mere mineralna evolucija na Zemlji pogojuje nek splošen potek mineralne evolucije v vesolju oziroma kako visoke so verjetnosti, da se taka mineralna evolucija ponovi in dobimo Zemlji podoben planet? Nekaj mineralov bo zelo razširjenih. Devetindevetdeset odstotkov zemljine skorje sestavlja okoli sto pogostih mineralnih vrst. Še vedno pa obstaja nekaj tisoč mineralov, ki so redki. Če bi Zemljino časovnico ponovno zavrteli, obstaja 2900 vrst mineralov, ki bi z veliko verjetnostjo ponovno nastali. Za 1800 vrst mineralov pa obstaja malo možnosti, da bi ponovno nastale. Eden takih redkih mineralov je recimo lorandit, talijevo-arzenova sulfosol, ki ga najdemo izključno v rudniku Alšar v Makedoniji. Tak edinstven mineral je lahko nastal zaradi unikatne kombinacije magmatskih in karbonatnih kamnin, ki so v tektonsko zelo dinamičnem okolju vzpostavile svojevrstne geokemične odnose. 

Vsak mineral predstavlja kemijsko reakcijo in njen potek je odvisen od termodinamskih ravnovesij, torej tlaka, temperature in razpoložljivih kemijskih elementov. Velika večina teh kemijskih reakcij je le nadaljevanje predhodnih reakcij. Od nastanka Zemlje pred 4.5 milijardami let je trajalo približno šeststo milijonov let, da so se pojavile prve organske molekule, in v tem času je poteklo vsaj deset na 54-to kemijskih reakcij. Nekatere reakcije so bile zelo pogoste, druge pa izjemno redke, in posledica unikatnih reakcijskih pogojev oziroma nekega enkratnega dogodka, kot je recimo padec desetkilometrskega meteorita na območje današnje Mehike. A nebesna telesa imajo na razpolago milijarde let časa, kar veča možnosti, da se bodo take unikatne reakcije zgodile. Ko torej govorimo o Zemlji podobnim planetom, se moramo zavedati, da današnji izgled Zemlje z rastlinstvom in vretenčarji predstavlja le deset odstotkov njene celotne zgodovine. 

Iskanja Zemlji podobnih planetov se moramo lotiti z nekaj ključnimi dejstvi v glavi. Življenje na Zemlji je zaporedje kemijskih reakcij, ki so potekle v geokemično zapletenih okoljih. Torej okolje, zasičeno z minerali, ki med seboj reagirajo in se prilagajajo okolju. Hkrati pa za potek teh reakcij veljajo določeni termodinamski pogoji. Nebesna telesa v vesolju imajo čas, in tudi če se nam zdijo reakcijski pogoji za nastanek redkih mineralov zelo malo verjetni, to prepogosto ocenjujemo iz nam znanega časovnega okvirja. Vesolje ima čas za malo verjetne reakcije, in morda so malo verjetne kemijske reakcije celo neizogibne za nebesna telesa zaradi širokega časovnega razpona, ki jim ga vesolje nudi.

V vesolju se tako zelo verjetno nahajajo Zemlji podobni planeti, vendar z nekaterimi razlikami v mineralni evoluciji. Verjetnost, da so evolucijski pritiski za mineralni razvoj na dveh planetih enaki, je skoraj nična. V termodinamskem smislu obstajajo bolj ali manj stabilni minerali in zato najverjetneje lahko na Zemlji podobnim planetom pričakujemo nekatere nam že znane produkte v izobilju. Drugi minerali, ki bi jih opazovali na tem planetu, bi bili redki, nam verjetno še neznani. Bili bi posledica nekega izrednega dogodka ali unikatnih reakcijskih pogojev – kot recimo lorandit na Zemlji. Skoraj gotovo se večina mineralnih evolucij začne pri ur mineralih. Ko pa bi mineralna evolucija dosegla stopnjo razvoja življenja, bi najverjetneje že prišlo do nekaj izrazitih razlik v vrstah nastalih mineralov. Moramo pa ponovno spomniti na časovni okvir; ni nujno, da ta Zemlji podoben planet časovno sovpada s trenutno podobo Zemlje. Mineralna evolucija lahko poteka veliko počasneje ali morda hitreje. Skoraj gotovo pa nismo edini planet z več kot pet tisoč mineralnimi vrstami v vesolju.  

Zemlji podoben planet je iskala Lea.

Vir slike: https://pxhere.com/en/photo/1272432?utm_content=shareClip&utm_medium=ref...