معمای اکسیژنِ قابل استنشاق در ۲.۵ میلیارد سال پیش

MacTavish · 20/1/20

بیگ بنگ: اتمسفر قابل استنشاق زمین برای حیات ضروری است و نتایج یک مطالعۀ جدید نشان می‌دهد که نخستین رویداد اکسیژنی که میزان زیادی از این عنصر را منتشر ساخت، در اثر فوران‌های آتشفشانی، صفحات تکتونیکی و فعالیت ِ باکتری‌ها شکل گرفت. این یعنی نفس کشیدن را مدیون آتشفشان‌ها، صفحات تکتونیکی و باکتری‌ها هستیم.

فرگشت حیات در طرحی که مرکز تحقیقات ایمز ناسا منتشر کرده است. تبدیل اکسیژن از عنصری کمیاب به یکی از اجزای اصلی اتمسفر از جمله گام‌های مهم در فرایند فرگشت به شمار می‌رود.
به گزارش بیگ بنگ، زمین‌شناسانِ دانشگاه رایس نظریۀ جدیدی را ارائه کرده‌اند که پیدایش غلظت‌های بالایی از اکسیژن در اتمسفر زمین را در ۲.۵ میلیارد سال پیش تبیین می‌کند. دانشمندان از آن بعنوان “رویداد اکسایش بزرگ”(GOE) یاد می‌کنند.

محقق و نویسنده ارشد مقاله «جیمز ایگوچی» دانشجوی مقطع فوق دکتری در دانشگاه کالیفرنیا که از رساله دکتری خود در دانشگاه رایس دفاع کرد، اظهار داشت: «آنچه این مقاله را منحصربفرد می‌کند، این است که صرفا نمی‌خواهد افزایش اکسیژن را توضیح دهد. مقالۀ حاضر بر آن است تا ویژگی‌های ژئوشیمی سطحی و تغییر ترکیب ایزوتوپ‌های کربن را توضیح بدهد؛ ایزوتوپ‌هایی که مدت ِ کوتاهی پس از رویدادِ افزایش اکسیژن در بقایای سنگی کربناته مشاهده شدند. ما در تلاش هستیم تا همۀ اینها را با یک ساز و کار توضیح دهیم که به ساختار درونی عمیق زمین، صفحات تکتونیکی و گاز زدای کربن دی‌اکسید از آتشفشان‌ها می‌پردازد.»

اتمسفر زمین از ایستگاه فضایی بین‌المللی که ۲۰ جولای ۲۰۰۶ ثبت شده است.
همکاران ایگوچی عبارتند از «راجدیپ داگوپتا» ژئوشیمیدان نظری و آزمایشی و استاد دانشگاه رایس در گروه علوم زمین، محیط زیست و سیاره‌ای که در انجام محاسبات مدل نقش داشت؛ و «جانی سیلز» دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه رایس. دانشمندان از مدت‌ها پیش به نقش فتوسنتز اشاره کردند؛ فرایندی که موجب تولید اکسیژن مازاد می‌شود و یک منبع احتمالی برای سطح بالای اکسیژن در طول «رویداد اکسایش بزرگ» برشمرده می‌شود. به گفته داگوپتا، در نظریۀ جدید از نقش ارگانیسم‌های فتوسنتزی اولیه و سیانوباکتری‌ها در «رویداد اکسایش بزرگ» صرف‌نظر نمی‌شود.

داگوپتا گفت: «اکثر افراد فکر می‌کنند افزایش اکسیژن به سیانوباکتری‌ها مربوط می‌شود و البته اشتباه هم نمی‌کنند. پیدایش ارگانیسم‌های فتوسنتزی توانست اکسیژن را آزاد کند. اما مهمترین سوال این است که آیا زمان‌بندی این پیدایش با زمان‌بندی «رویداد اکسایش بزرگ» مطابقت دارد یا خیر. یافته‌های ما نشان داد که مطابقتی میان این دو وجود ندارد.»

سیانوباکتری‌ها تا ۵۰۰ میلیون سال قبل از «رویداد اکسایش بزرگ» در زمین زنده بودند. اگرچه نظریه‌های بسیار مختلفی ارائه شده که چرا اینقدر طول کشید تا اکسیژن در اتمسفر زمین ظاهر شود، اما داگوپتا گفت که در حال حاضر نظریه‌ای ندارد که توضیح دهد چرا تغییر مشهودی در میزان ایزوتوپ‌های کربن در مواد معدنی کربن‌دار به وجود آمد و این رویداد تقریبا ۱۰۰ میلیون سال پس از «رویداد اکسایش بزرگ» اتفاق افتاد.

در این عکس، روند چرخش کربن غیرآلی در گوشته نشان داده شده که سریع‌تر از کربن آلی اتفاق افتاده و حاوی مقدار بسیار اندکی ایزوتوپ کربن-۱۳ می‌باشد. کربن آلی و غیرآلی هر دو در نواحی همرفتی به درون گوشته زمین کشیده شده‌اند. به دلیل رفتارهای شیمیایی متفاوت، کربن غیرآلی از طریق فوران‌های آتشفشانی بازگردانده می‌شود. کربن آلی مسیر طولانی‌تری را در پیش می‌گیرد؛ چرا که به درون بخش‌های عمیق گوشته کشیده شده و از طریق آتشفشان‌های جزیره‌ای بازگردانده می‌شود. اختلاف در زمان چرخه بازگردانی به همراه افزایش فعالیت آتشفشانی، می‌تواند نشانه‌های کربن ایزوتوپی را در سنگ‌هایی نشان بدهد که با «رویداد اکسایش بزرگ» در ۲.۴ میلیارد سال قبل ارتباط دارد.

یک مورد از هر صد اتم کربن، ایزوتوپ کربن-۱۳ است و ۹۹ مورد دیگر کربن-۱۲ هستند. این نسبت ۱ به ۹۹ در کربنات به خوبی خودش را نشان می‌دهد. ایگوچی در ادامه افزود: «سیانوباکتری‌ها ترجیح میدهند کربن-۱۲ را بگیرند، تا کرین-۱۳. وقتی کربن آلی یا سیانوباکتری بیشتری تولید می‌شود، مخزنی که در آن کربنات‌ها تولید می‌شوند، از کربن-۱۲ خالی می‌شود. برخی افراد از این برای توضیح رویداد Lomagundi استفاده می‌کنند، اما دوباره مسئلۀ زمان‌بندی مطرح می‌شود.»

ژئوفیزیکدان‌هایی به نام(از سمت چپ) جیمز ایگوچی، جانی سیلز و راجدیپ گوپتا نظریۀ جدیدی ارائه دادند که تلاش می‌کند نخستین پیدایش غلظت بالایی از اکسیژن در اتمسفر زمین در حدود ۲.۵ میلیارد سال قبل را تببین نماید. همچنین این نظریه می‌خواهد تغییر عجیبِ نسبت ایزوتوپ‌های کربن را در مواد معدنی کربن‌دار توضیح بدهد.

ایگوچی گفت: «وقتی به شواهد و مستندات زمین‌شناسی نگاه می‌کنیم، معلوم می‌شود که افزایشِ نسبت کربن-۱۳ به کربن-۱۲، ده‌ها میلیون سال پس از افزایش سطح اکسیژن اتفاق افتاد. لذا توضیح این دو رویداد با تغییر در نسبت کربن آلی به کربنات، قدری سخت و چالش برانگیز می‌شود.»

سناریویی که محققان برای توضیح همۀ این عوامل مطرح ساختند، به این صورت است: افزایش قابل توجهِ فعالیت تکتونیکی منجر به شکل‌گیری آتشفشان‌هایی شد که کربن دی‌اکسید را وارد اتمسفر کرد. آب و هوا گرم‌تر شد و بارش باران افزایش پیدا کرد؛ همین عامل منجر به افزایش هوازدگی گشت؛ یعنی تجزیه شیمیایی مواد معدنی جامد در قاره‌های بایر زمین. هوازدگی باعث پیدایش رواناب‌های غنی از مواد معدنی شد که راه خود را به سمت اقیانوس بردند؛ سرانجام تعداد سیانوباکتری‌ها و کربنات‌ها افزایش پیدا کرد.

کربن آلی و غیرآلی از اینها توانست به بسـ*ـتر دریا راه یابد و مجددا در نواحی همرفتی به گوشته زمین بازگردانده شد؛ یعنی جایی که صفحات اقیانوسی به زیر قاره‌ها کشیده می‌شوند. با ذوب شدن و راه یافتن مجدد رسوبات به درون گوشته، کربن غیرآلی قدری زودتر آزاد شد و به واسطه آتشفشان‌ها مستقیما در بالای نواحی همرفتی به اتمسفر راه یافت. کربن آلی که میزان کربن-۱۳ بسیار ناچیزی داشت، به درون گوشته کشیده شد و صدها میلیون سال بعد در قالب کربن دی‌اکسید از آتشفشان‌هایی نظیر هاوایی به بیرون راه پیدا کرد.

ایگوچی در ادامه گفت: «این یک فرایند چرخشی بزرگ است. از نظر ما، مقدار سیانوباکتری‌ها تقریبا در ۲.۴ میلیارد سال قبل به طور چشمگیری افزایش پیدا کرده بود. پس می‌توان گفت که این عامل باعث افزایش سطح اکسیژن در زمین شده است. اما افزایش سیانوباکتری‌ها با افزایش کربنات به نوعی متوازن می‌شود. پس تا زمانی که کربنات و کربن آلی به درون قسمت‌های عمیق زمین راه پیدا نکنند، نسبت کربن-۱۲ به کربن-۱۳ عوض نمی‌شود وقتی این کار انجام شد، ژئوشیمی وارد عمل می‌شود و باعث می‌شود دو شکل کربن برای بازه‌های زمانی متفاوتی در گوشته باقی بمانند.

کربنات‌ها راحت‌تر در ماگما آزاد می‌شوند و در طی مدت زمان کوتاهی مجددا به سطح بازگردانده می‌شوند. مطالعۀ ما بر اهمیتِ نقش فرایندهای بخش‌های عمیق زمین و فرگشت حیات در سطح تاکید دارد. پیشنهاد ما این است که انتشار کربن دی‌اکسید برای تکثیر حیات اهمیت بالایی داشته است. مقالۀ ما نشان می‌دهد که فرایندهای فعال در بخش‌های عمیق زمین چطور بر حیات سطحی در گذشتۀ زمین تاثیر گذاشتند.»

داگوپتا در پایان گفت: «درک بهتر این قضیه که سیاره زمین چگونه به مکان قابل سکونتی تبدیل شد، می‌تواند برای مطالعه سکونت‌پذیری و فرگشت حیات در سیاره‌های دیگر از اهمیت والایی برخوردار باشد.» جزئیات بیشتر این پژوهش در مجله Nature Geoscience منتشر شده است.