دانشمندان راز حیات‌بخش 2.3 میلیارد ساله زمین را کشف کردند

محققان اکنون شواهدی را کشف کرده‌اند که پاسخ ممکن است در یک سیستم بازیافتی باستانی در اقیانوس‌های زمین نهفته باشد. با مطالعه سنگ‌ها از آفریقای جنوبی، آن‌ها دریافتند که تغییرات در شیمی اقیانوس به ایجاد یک چرخه طبیعی کمک کرده است که در آن فعالیت بیولوژیکی از تجمع مداوم اکسیژن در جو پشتیبانی می‌کرد.

این تحقیق که در Nature Communications منتشر شده است، شامل زمین‌شناس آندری بکار از دانشگاه کالیفرنیا، ریور‌ساید بود. یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد که فسفر، یک ماده مغذی ضروری برای حیات، نقش مرکزی در حفظ سطح اکسیژن داشته است که در نهایت به ایجاد ارگانیسم‌های پیچیده‌تر کمک کرد.

چگونگی کمک اقیانوس‌های باستانی به حفظ اکسیژن زمین

حدود 2.3 میلیارد سال پیش، زمین رویداد بزرگ اکسیداسیون را تجربه کرد، یک نقطه عطف بزرگ زمانی که اکسیژن به یک جزء ماندگار در جو تبدیل شد. دانشمندان برای دهه‌ها این انتقال را درک کرده‌اند، اما توضیح اینکه چگونه اکسیژن پس از آن به طور کافی فراوان باقی ماند، بسیار دشوارتر بوده است.

محققان یک حلقه بازخورد را شناسایی کردند که ممکن است به توضیح آنچه اتفاق افتاده کمک کند. با گسترش اکسیژن به اقیانوس‌ها، شیمی آب دریا تغییر کرد و غلظت سولفات، ترکیبی حاوی گوگرد و اکسیژن افزایش یافت.

میکروب‌های خاصی از این سولفات برای تجزیه موثرتر مواد آلی استفاده کردند. در این فرآیند، آن‌ها فسفر را دوباره به آب آزاد کردند و این ماده مغذی حیاتی را برای سایر ارگانیسم‌ها در دسترس قرار دادند.

با در دسترس بودن فسفر بیشتر، بهره‌وری بیولوژیکی افزایش یافت. این بدان معنا بود که کربن آلی بیشتری می‌تواند در رسوبات کف دریا دفن شود تا اینکه تجزیه شود. از آنجایی که تجزیه مواد آلی می‌تواند اکسیژن را مصرف کند، دفن کربن بیشتر به نفع تجمع مداوم اکسیژن در جو بود.

این یک چرخه تقویت‌کننده ایجاد کرد که در آن افزایش سطح اکسیژن، تغییرات شیمیایی را تشویق می‌کرد که از رشد بیولوژیکی پشتیبانی می‌کرد، که به نوبه خود به حفظ اکسیژن جو کمک می‌کرد.

بکار گفت: «موجودات زنده بدون فسفر نمی‌توانند رشد کنند یا به درستی عمل کنند.» هنگامی که فسفر بیشتری در اقیانوس‌ها در دسترس قرار گرفت، امکان دفن کربن آلی بیشتری فراهم شد. اثر جانبی این فرآیند این بود که اکسیژن بیشتری به طور مداوم وارد جو می‌شود.

سنگ‌های باستانی یک چرخه فسفر پنهان را آشکار می‌کنند

برای بررسی این فرآیند، دانشمندان نمونه‌های سنگ باستانی از آفریقای جنوبی را با استفاده از تکنیکی که تصویر دقیق‌تری از در دسترس بودن فسفر در اقیانوس‌های ماقبل تاریخ ارائه می‌دهد، بررسی کردند.

تحقیقات قبلی می‌توانست تعیین کند که چه مقدار فسفر در سنگ‌های باستانی وجود دارد، اما این اندازه‌گیری‌ها اطلاعات کمی در مورد اینکه آیا ارگانیسم‌ها می‌توانند از آن استفاده کنند یا نه، ارائه می‌داد. برخی از فسفر در مواد معدنی به دام می‌افتند و آن را به طور موثری برای موجودات زنده غیرقابل دسترس می‌کنند.

محققان با جدا کردن فسفر بر اساس مواد معدنی که آن را در خود جای داده بودند، این محدودیت را برطرف کردند. آن‌ها این کار را با حل کردن اجزای معدنی مختلف یکی پس از دیگری انجام دادند و به آن‌ها اجازه دادند تا بین فسفوری که برای فعالیت بیولوژیکی در دسترس بوده و فسفوری که در ساختارهای معدنی قفل شده است، تمایز قائل شوند.

این تمایز بسیار مهم است زیرا مقدار کل فسفر در یک اقیانوس لزوماً نشان‌دهنده این نیست که چه مقدار برای حفظ حیات در دسترس است. این رویکرد جدید راه واضح‌تری برای بازسازی چرخه‌های باستانی مواد مغذی و درک چگونگی تأثیر آن‌ها بر اکسیژن جو ارائه می‌دهد.

بکار گفت: «ما اکنون می‌توانیم فسفری که برای ارگانیسم‌ها در دسترس بوده را از فسفری که اساساً قفل شده بود، جدا کنیم.» این به ما تصویری بسیار واضح‌تری از سطح مواد مغذی در اقیانوس‌های باستانی نسبت به قبل می‌دهد.

تاریخچه اکسیژن زمین ممکن است پرتلاطم‌تر از آنچه تصور می‌شد

یافته‌ها همچنین نشان‌دهنده تاریخچه پیچیده‌تری از جو زمین نسبت به آنچه دانشمندان قبلاً تصور می‌کردند است.

به جای اینکه پس از رویداد بزرگ اکسیداسیون نسبتاً پایدار بماند، سطح اکسیژن ممکن است به طور چشمگیری افزایش و کاهش یابد. این نوسانات احتمالاً به شیمی اقیانوس و حرکت مواد مغذی ضروری در محیط‌های دریایی برای ده‌ها میلیون سال ادامه داد.

نتایج همچنین می‌تواند نحوه تفسیر دانشمندان از تکامل حیات اولیه را تغییر دهد.

یکی از سوالات دیرینه این است که چرا موجودات پیچیده پس از اینکه اکسیژن برای اولین بار به بخش مهمی از جو زمین تبدیل شد، مدت زیادی طول کشید تا ظاهر شوند. کمبود اکسیژن اغلب به عنوان یک توضیح احتمالی برای این تأخیر در نظر گرفته شده است.

با این حال، اگر اکسیژن در دوره‌های طولانی از تاریخ اولیه زمین نسبتاً فراوان باقی مانده باشد، این احتمال وجود دارد که شرایط محیطی دیگر یا محدودیت‌های بیولوژیکی نقش بزرگتری در کند کردن ظهور حیات پیچیده ایفا کرده باشند.

چرخه اکسیژن باستانی زمین چه معنایی برای آینده دارد

اگرچه این تحقیق بر روی رویدادهای میلیاردها سال پیش متمرکز است، اما پیامدهای آن به اقیانوس‌هایی که امروزه به آن‌ها وابسته هستیم نیز گسترش می‌یابد.

تغییرات آب و هوا در حال حاضر به کاهش سطح اکسیژن در برخی از مناطق اقیانوس‌های جهان کمک می‌کند. اگر از دست دادن اکسیژن ادامه یابد، می‌تواند بازیافت فسفر را مختل کند و مقدار این ماده مغذی ضروری را که برای ارگانیسم‌های دریایی در دسترس است، کاهش دهد.

چنین تغییراتی می‌تواند بهره‌وری بیولوژیکی را محدود کند و اکوسیستم‌های اقیانوسی را کمتر در برابر استرس‌های محیطی کند.

یافته‌ها همچنین می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا نشانه‌های حیات را فراتر از زمین جستجو کنند. جهان‌هایی با اقیانوس‌ها مکان‌های امیدوارکننده‌ای برای بررسی قابلیت سکونت در نظر گرفته می‌شوند، اما صرف وجود آب تضمین نمی‌کند که شرایط بتوانند از حیات برای مدت طولانی پشتیبانی کنند.

درک چگونگی تعامل اکسیژن، مواد مغذی و حیات در طول تاریخ زمین می‌تواند به محققان کمک کند تا روابط شیمیایی مشابه را در سیارات دوردست و سایر جهان‌های اقیانوسی شناسایی کنند.

بکار گفت: «تاریخچه زمین نشان می‌دهد که اکسیژن، مواد مغذی و حیات با هم تکامل یافته‌اند.» درک این ارتباطات دیدگاه ظریف‌تری را در مورد آینده سیاره خود و آنچه ممکن است در سیارات دیگر به دنبال آن باشیم، به ما می‌دهد.