إن النمط الخاص لهذا التكدس، الذي ينشأ خلال تجمد
الماء، يتوقف على الضغط. ويمثل هذا النمط واحدة من 12 مرحلة معروفة لجليد الماء
البلوري، لكن واحدة منها فقط ـ الجليد السداسي ـ تحدث طبيعيا على الأرض. وتشكل
ذرات الأكسجين نموذجا سداسيا نراه على هيئة قطع رقيقة من الثلج المتساقط في فصل
الشتاء. وفي درجات الحرارة الأخفض كثيرا من درجة التجمد، يمكن لذرات الأكسجين
أن تتكدس لتتخذ شكلا مكعبا، كما يمكن منعها من تكوين أي نمط محدد تماما، كما هي
الحال في الجليد اللابلوري.



إن جزءا كبيرا من شبكة الربط، التي تميز الجليد
البلوري، تربط أيضا جزيئات الماء السائل. والفرق الأساسي ـ وهو الحاسم للحياة ـ
يكمن في أن الروابط الهدروجينية في الماء السائل يعاد توزيعها بسرعة وعلى نحو
مستمر. وهكذا فإن الماء السائل قادر على تعديل بنيته ليتلاءم مع المتطلبات
الفيزيائية والكيميائية للكائنات الحية. وكما أنه يمكن لفقاعة هوائية أن ترتفع
في الماء، لكن ليس في الجليد الصلب، فإنه يتعين على الجزيئات العضوية أن تكون
قادرة على الحركة بين جزيئات الماء إذا كانت ستتحد ثانية في مركبات أكثر تعقيدا.



ربما كانت أكثر خاصية مثيرة للاهتمام للجليد
اللابلوري بين النجمي هي أنه عند تعرضه لإشعاع، كالإشعاع الموجود في أغوار
الفضاء، فإنه يمكن أن يسيل flow ـ مع أن درجة
حرارته لا تزيد على درجة الصفر المطلق (أي 273 ـ درجة سيلزية) إلا بقدر ضئيل.
وفعلا، فإن التشابه بين هذا الجليد والماء السائل يسمح له بأن يشارك في توليد
مركبات عضوية. وأول مرة بدأ فيها الباحثون يفكرون بهذا التشابه، كانت في مطلع
السبعينات من القرن العشرين، وذلك عندما كانوا يدرسون كيمياء الجليد في لب
الغيوم الجزيئية الباردة الموجودة في الفضاء بين النجمي. هذا وإن التجارب
المبكرة، التي أُجريت في ذلك الوقت من قبل العالميْن الرائدين
[من جامعة لايدن في هولندا] و [من
مركز بحوث إيمز] بينت أن نحو 10 في المئة من مقدار الحبيبات الجليدية الموجودة
بين النجوم مكون من جزيئات بسيطة، مثل ثنائي أكسيد الكربون وأحادي أكسيد
الكربون والميثانول والأمونيا.



ومنذ ذلك الحين، فإن المقاريب المخصصة لرصد
الإشعاعات تحت الحمراء والإشعاعات التي أطوالها أجزاء من المليمتر ـ التي
يمكنها اختراق مقادير أكبر من الغبار والغاز مما يمكن للضوء المرئي اختراقه ـ
سمحت للفلكيين باكتشاف أكثر من مئة من المركبات العضوية المختلفة في الغيوم
الجزيئية الباردة. وعند مقارنة الأطياف تحت الحمراء للغيوم الموجودة في الفضاء
بقياسات مشابهة للجليد بين النجمي أُجريت في المختبر، بدأ العلماء يشتبهون في
أن كثيرا من المركبات العضوية تكونت في حبيبات الجليد بين النجمي التي تجمدت
على ألباب (قلوب) من السيليكات أو الكربون. وفي الغيوم الجزيئية الكثيفة، لا
يتجاوز قطر قلوب الغبار هذه جزءا من عشرة آلاف من المليمتر.

طبقة ميكروسكوبية (مجهرية) من جليد لابلوري مكعب (اللون الأزرق) تكوّنت عندما سخّن الباحثون غشاء جليديا سمكه بضع مئات من الجزيئات إلى 183 درجة كلڤن داخل مجهر قرّي؟

وعلى الرغم من هذه الأرصاد التي تطلبت بذل جهود
جبارة، فمازال الباحثون يفتقرون إلى تفسير طريقة بقاء الجزيئات العضوية داخل
الجليد وتفاعلها هناك. إن أهمية الخاصيات الشاذة لمادة الجليد في التخليق
العضوي لم تتضح إلا عام 1993، عندما بدأنا بدراسة أنماطه تحت الضغوط المنخفضة
في مختبر مجهريات العلوم الفضائية في إيمز. لقد صنعنا أغشية من الجليد سمكها لا
يتجاوز سمك بضع مئات من الجزيئات، وذلك بتجميد بخار الماء داخل مجهر إلكتروني
قرّي cryogenic عدِّل خصيصا [انظر الصورة في
الصفحة المقابلة]. وبغية مراقبة التغيرات في شكل الجليد وبنيته، قمنا بتسجيل
صور مكبرة جدا وأنماط من حيود (انعراج) الإلكترونات
electron-diffraction خلال تسخين الجليد
أو تبريده.



وعندما كانت درجة الحرارة في مجهرنا القرّي منخفضة
بدرجة كافية (أقل من 30 درجة كلڤن)، وحين تم ترسيب جزيئات الماء ببطء كاف (أقل
من 100 ميكرون في الساعة)، ولَّدنا مادة صلبة لابلورية شبيهة جدا ببنية الجليد
بين النجمي الذي كشفناه بواسطة الأطياف تحت الحمراء. وقد بينت تجاربنا أن هذا
الجليد كان في صورة خاصة عالية الكثافة، لم تكن معروفة حتى ذلك الحين إلا من
تجربة واحدة لم تؤيَّد لحيود الأشعة السينية أُجريت عام 1976. وقد أثبتنا أن
بنية بخار الماء الذي ترسب بدرجة حرارة قدرها 14 درجة كلڤن تقريبا فوق
الصفر المطلق، بنية لابلورية تختلف عن ترسب مشابه تكوّن في درجة حرارة أعلى،
قدرها 77 درجة كلڤن. وفي الحقيقة، فقد تمكنا من متابعة الانتقال من نموذج درجة
الحرارة المنخفضة إلى نموذج درجة الحرارة الأعلى عندما كنا نسخِّن الجليد
تدريجيا. وقد كان أفضل تفسير باستطاعتنا لأنماط الحيود للنموذج المنخفض الحرارة
هو افتراض أن بعض جزيئات الماء تجمدت داخل حجيرات الجزيئات المجاورة التي تشكلت
جزئيا. إن هذا التجمع الكثيف لذرات الأكسجين يولّد جليدا لابلوريا عالي الكثافة،
إذ تبلغ كثافته 1.1 غرام في السنتيمتر المكعب، وبذا فإنه أكثف من الجليد العادي
بنسبة 15 في المئة.



خلاصة/ الروابط المتنقلة^(***)

▪ يوجد الماء في صور متنوعة بسبب الروابط الخاصة التي تكوّنها الجزيئات H2O مع جيرانها. ▪ تظل هذه الروابط الهدروجينية جاسئة في الجليد البلوري الذي يحدث طبيعيا على الأرض، لكنها تميل إلى إعادة تنظيم ذاتها لدى تعرضها إلى الإشعاع فوق البنفسجي الذي يوجد عادة في أغوار الفضاء. ▪ إن هذا التمزق في الروابط الهدروجينية، يجعل الجليد اللابلوري في الفضاء شبيها بالماء السائل أكثر بكثير من شبهه بالماء المتجمد، الموجود في الكسف الثلجية والمكعبات الجليدية.

أثبتنا أيضا صحة ما اكتشفه
عام 1984، الذي كان يعمل حينذاك في معهد فريتز هابر التابع لجمعية ماكس پلانك
في برلين، والذي قذف جليدا لابلوريا عالي الكثافة بإلكترونات عالية الطاقة.
فعندما أجرى هذه التجربة بدرجات حرارة أقل من 30 درجة كلڤن ، استعاد الجليد
بنيته بسرعة؛ وما حدث، في الحقيقة، أنه سال. إن اكتشاف أن الجليد اللابلوري
يشبه ماء سائلا أكثر من شبهه بجليد بلوري، كان مفاجأة مذهلة. فقد كان معظم
العلماء يفترضون قبل ذلك أن جميع صور جليد الماء، عند تبريده دون بضع عشرات من
درجات كلڤن، ستبقى على حالتها دون أن يطرأ عليها أي تغيير إلى الأبد تقريبا.
أما هايدي فقد اكتشف أن الجليد، بصرف النظر عن بنيته الابتدائية، سيتحول إلى
الشكل اللابلوري العالي الكثافة حال تشعيعه. ومنذ ذلك الحين، اكتشف باحثون
آخرون أن الفوتونات فوق البنفسجية، التي كثيرا ما تشع سحبا جزيئية باردة،
يمكنها أيضا تغيير بنية الجليد بهذه الطريقة.



واعتمادا على تجاربنا التي أجريناها في إيمز، فقد
استنتجنا أن هذا الإشعاع يحوِّل معظم الجليد بين النجمي إلى الصورة اللابلورية
العالية الكثافة. ونحن ندرك الآن أن جزيئات الماء المكدسة بإفراط في هذا الجليد،
والعيوب الموجودة داخل نمط التكدس الجزيئي، تسهل الحركية الجزيئية داخل هذه
البنية. ونتيجة لذلك، فإنه ضمن الجليد بين النجمي بالذات، اتحدت، للمرة الأولى،
العناصر المهمة بيولوجيا ـ الكربون والأكسجين والنتروجين ـ لتكوين مركبات عضوية.
وتبين الدراسات أن تعريض الجليد اللابلوري العالي الكثافة لجسيمات عالية الطاقة
energetic، أو لفوتونات، يفكك الشوائب، كأحادي
أكسيد الكربون والأمونيا، إلى شقوق (جذور) radicals
يمكنها الانتقال داخل الجليد، إلى أن تتحد مع أنواع تفاعلية
reactive أخرى.

هليوم سائل يتسرب من مجهر إلكتروني قرّي خاص خلال قيام المؤلِّفيْن (في اليسار) و بإعداد عينة من الجليد اللابلوري.

وبعد أن توصلنا إلى آلية معقولة تفسر أصل المركبات
العضوية داخل الجليد بين النجمي، فكّرنا في العوامل التي مكنت هذه المواد من
البقاء طوال الأزمان والمسافات التي يلزم قطعها لوصولها إلى الأرض. إن أفضل
الوسائل المرشحة للقيام بهذه المهمة هي المذنبات، وهي بقايا كويكبات
planetesimals جليدية اندمجت خلال الانهيار
التثاقلي لغيمة جزيئية باردة أثناء تكوّن نظامنا الشمسي. وخلال تلك العملية،
كانت درجات الحرارة قرب الشمس البدائية عالية إلى درجة تكفي لتحويل كل شيء إلى
غاز، باستثناء العناصر المقاومة جدا للحرارة. أما في المناطق الأبرد من الغيمة
السديمية الشمسية الواقعة خارج مدار المشتري، فمن المحتمل أن يكون كل من الجليد
اللابلوري، والمركبات العضوية التي تولدت داخله، قد حُفظت خلال التحام الغبار
مكونا مذنبات وكويكبات أخرى.



نحو الأرض^(****)

عندما درس الباحثون ذيول المذنبات خلال مرورها عبر
النظام الشمسي الداخلي، استنتجوا أن معظم جليد الماء الموجود في المذنبات لا بد
أن يكون قد ظل على حالته اللابلورية. ومع اقتراب المذنبات من الشمس، تبدأ
المذنبات بضخ غازات، مثل أحادي أكسيد الكربون والميثان، في ذيولها. لكن تحرير
الغازات هذا يحدث بدرجات حرارة أعلى بكثير مما هو متوقع إذا كانت هذه المركّبات
قد تصلبت وتجمّعت في مكامن منفصلة عن الجليد. (إذا حدث لهذه المركبات الشديدة
التطاير أن تجمدت في المذنبات على هيئة مركبات منفصلة، فلا بد أن تكون المذنبات
قد حررتها بدرجات حرارة أخفض بكثير ـ وذلك قبل وصولها إلى النظام الشمسي
الداخلي بمدة طويلة.) وبدلا من ذلك، فلا بد أن تكون الغازات قد احتُجزت داخل
بنية الجليد؛ ولكن كيف؟



خلال تكوّن المذنبات، يسخن الجليد، ومن ثم فمن غير
المحتمل احتفاظه ببنيته اللابلورية العالية الكثافة. وبدلا من ذلك، فإن التسخين
الطفيف سيحول بنيته إلى الصورة اللابلورية المنخفضة الكثافة. وقد عرفنا من
تجاربنا القرّيّة أن هذا الانتقال يحدث تدريجيا بين 35 و 65 درجة كلڤن. هذا وإن
الروابط الهدروجينية تنهار ويُعاد تكوينها خلال هذه العملية، وهذا يسمح بتحرك
الشظايا الجزيئية داخل الجليد وإعادة اتحادها كيميائيا. ولا يمكن استبعاد
الجزيئات الطيارة من البنية المائية وطردها إلى الفضاء قبل أن يسخُن الجليد إلى
درجة تكفي لتبلوره.




رحلة لابلورية^(*****)

إن البنية الجاسئة للجليد الأرضي تطرد الجزيئات العضوية، لكن تجارب جديدة بينت أن معظم الجليد الموجود في الفضاء هو أكثر شبها بالبنية المتغيرة على الدوام للماء السائل. وهذا الجليد، الذي يسمى الجليد اللابلوري، قادر على دعم تكوّن المركبات العضوية والحفاظ عليها حتى لو ارتفعت درجة حرارته. وعندما انهارت غيمة جزيئية في الماضي البعيد لتكوّن شمسنا الحارة، مثلا، تجمع بعض جليد الغيمة المحمل بالمركبات العضوية ليكوّن مذنبات يحتمل أن تكون قد اصطدمت بالأرض الفتية.

وعندما درسنا كيفية توقف التبلور على الزمن ودرجة
الحرارة، وجدنا أن المرحلة الأولى من التبلور الحقيقي تبدأ بدرجة حرارة قريبة
من 135 درجة كلڤن، وأن جزيئات الماء عندئذ تُجبر على التكدس في نماذج مكعبة [انظر
الإطار في الصفحة المقابلة]. ومع أن الجزيئات العضوية لن تعيش في هذا الجليد
المكعب، فقد اكتشفنا أيضا أن مكوِّنا لابلوري مختلفا يظل باقيا حتى عندما يسخن
الجليد. هذا ولا يتبلور سوى نحو ثلث الحجم الكلي من الجليد؛ ويتخذ الجزء الباقي
بنية غير مرتبة تختلف قليلا جدا عن الصنفين اللابلوريين: العالي الكثافة
والمنخفض الكثافة.



وقبل إجرائنا تجاربنا، كان الباحثون يعرفون أن
الجليد اللابلوري يتحول إلى سائل لزج عند درجة حرارة بين 125 و 136 درجة كلڤن.
وفي هذا النطاق يتغير معدل تسخين الجليد فجأة ـ وهذه ظاهرة معروفة جيدا من
الدراسات التي أجريت على مواد لابلورية أخرى كزجاج النوافذ. ودون نطاق الحرارة
الحرج هذا، الذي يسمى نطاق التحول الزجاجي glass
transition، فإن المادة تقاوم محاولات تغيير
شكلها وتسلك سلوك المواد الصلبة؛ أما فوق هذا النطاق، فيمكن قولبتها وإعطاؤها
أشكالا مختلفة. ومع ذلك فإن لزوجة السائل عند درجة حرارة أعلى من درجة حرارة
التحول الزجاجي، تجعل هذا السائل يشبه الدبس (المولاس) البارد أكثر من شبهه
الماء العادي. والحركة التي تستغرق ثانية واحدة في ماء سائل تتطلب 000 100عام
في هذا السائل اللزج. ومع ذلك، فلا يعد هذا وقتا طويلا في حياة مذنب.



ضمن الجليد
النجمي بالذات اتحدت، للمرة الأولى، العناصر المهمة

بيولوجيا ـ
الكربون والأكسجين والنتروجين ـ لتكوين مركّبات عضوية.

وحتى وقت قريب (حين أعلن اكتشافنا)، كان يُظن أن هذا
القوام غير العادي للماء السائل نادر الوجود في الفضاء. وقد افترض معظم
الباحثين أن الماء في درجة الحرارة هذه يتبلور بسرعة، متحولا إلى جليد مكعب
الشكل، بيد أننا وجدنا أن هذا السائل اللزج يمكن أن يتعايش بلا حدود زمنية مع
الجليد المكعب بين 150 و200 درجة كلڤن . ومن ثم فمن المحتمل أن يكون هذا السائل
مكوِّنا مهما لسطوح المذنبات والأقمار الجليدية للكواكب المجاورة لنا، والتي
تقع درجات حرارتها جميعا في هذا النطاق. وفيما يتعلق بالمذنبات، فإن الخليط
المكوّن من السائل اللزج والجليد البلوري ربما يمكّنها من حجز جزيئات غازية تحت
سطوحها، وهذا يساعدها على الحفاظ على مركّبات عضوية رئيسية أمدا طويلا ـ ربما
يستمر ذلك حتى إلى حين بلوغ هذه المذنبات مدار الأرض حول الشمس.



وهذا يعيدنا ثانية إلى الصورة المألوفة أكثر لنا
للجليد المائي على أرضنا. إن التسخين الإضافي لمزيج الجليد المكعب والماء
السائل إلى نحو 200 درجة كلڤن ، سيؤدي إلى إعادة كاملة لبنية الجليد إلى صورته
السداسية الأرضية. وخلال عملية إعادة التبلور هذه، تُطرح جميع الشوائب المتبقية
ـ ومن ضمنها المركبات العضوية ـ خارج المادة الصلبة. وانطلاقا من هذه المرحلة،
يصبح الجليد على النحو الذي نعرفه: وهو جليد الكُسَف الثلجية، والمجالد
glaciers، ومكعبات الجليد. لكن، ولحسن الحظ، فإن
للمواد العضوية حاليا مكانا جديدا تجد فيه الملجأ الآمن، ألا وهو الماء السائل
الذي يوجد في كل بقعة تقريبا من الأرض.



يبدو أن الماء كان موجودا في كل مرحلة من مراحل
تكوين ومعالجة الجزيئات الضرورية للحياة. وقد تحمَّل الرحلة الطويلة، منذ نشأته
كجليد على حبيبات الغبار بين النجمي إلى مصيره النهائي كماء سائل على الأرض ـ
وربما في مناطق مأهولة أخرى في الكون. هذه الصيغ الغريبة للجليد، إضافة إلى
خاصياته الفيزيائية وكيميائياته التي بدأنا توّا بإدراكها، قد تُقدم في نهاية
المطاف، إيضاحات حول تاريخ الكون أكثر مما توقعه العلماء في يوم ما