اتمسفرهای قابل تنفس؛ معمولتر از آنچه تصور میشد
بیش از یک قرن است که احتمال وجود جهانهای بیگانه قابل سکونت مورد توجه عامه مردم و نیز دانشمندان قرار دارد. ستارهشناسان در قرن نوزدهم معتقد بودند که سیاره مریخ ساکنانی دارد و مریخیها برای عبورومرور در سیارهی سرخ از کانالهایی استفاده میکنند.
اکنون و در زمان زندگی در عصری که دانشمندان در آن میتوانند سیارههایی را که سالهای نوری زیادی دورتر از منظومه ما قرار دارند، مطالعه نمایند، بیشتر پژوهشهای جدید همچنان احتمال یافتن دنیاهایی را که بشر بتواند در آن زندگی کند، کاهش میدهند؛ شاید بزرگترین مانع، اکسیژن باشد. انسانها برای تنفس به اتمسفری نیاز دارند که اکسیژن زیادی در آن وجود داشته باشد. پس چگونه ما اینقدر خوششانس بودهایم که در سیارهای با اکسیژن فراوان تکامل پیدا کنیم؟
تاریخ اقیانوسها و اتمسفر زمین نشان میدهد که رسیدن به سطوح فعلی اکسیژن کاملاً دشوار بوده است. اتفاق نظر فعلی دانشمندان در این رابطه، آن است که زمین سه مرحله افزایش در سطوح اکسیژن اقیانوس و اتمسفر را تجربه کرده است. مرحله اول که «رویداد اکسایش بزرگ» (Great Oxidation Event) نامیده میشود، حدود ۲/۴ میلیارد سال پیش رخ داده است. پس از آن «رویداد اکسیژنی پیشینزیستینو» (Neoproterozoic Oxygenation Event) درحدود ۸۰۰ میلیون سال پیش بوده و سپس مرحله آخر یعنی «رویداد اکسیژنی پالئوزوئیک» (Paleozoic Oxygenation Event) درحدود ۴۰۰ میلیون سال پیش رخ داده؛ زمانیکه سطوح اکسیژن در زمین به اوج دوره جدید خود یعنی ۲۱ درصد رسید.
آنچه در جریان این سه دوره منجر به افزایش سطح اکسیژن شده، مورد بحث است. یک ایده آن است که ارگانیسمهای جدید سیاره را مهندسی زیستی کرده و اتمسفر و اقیانوسها را با متابولیسم یا سبک زندگی خود بازسازی کردهاند. برای مثال، پیدایش گیاهان خشکیزی درحدود ۴۰۰ میلیون سال پیش میتوانسته ازطریق فتوسنتز زمینی موجب افزایش اکسیژن موجود در اتمسفر شده باشد. در این زمان، وظیفهای که قبلاً تنها در انحصار باکتریهای فتوسنتزکننده موجود در اقیانوسها بود و آنها در بیشتر تاریخ زمین تولیدکنندگان اصلی اکسیژن بودند، به گیاهان محول شد. طبق ایده دیگر، تغییرات تکتونیکی (زمینساخت) صفحات زمین یا فورانهای آتشفشانی عظیم با رویدادهای اکسیژنی زمین مرتبط بوده است.
تاریخچه مبتنی بر رویداد درمورد چگونگی فراوان شدن اکسیژن در زمین نشان میدهد ما بسیار خوششانس هستیم که در جهانی با اکسیژن فراوان زندگی میکنیم. براساس این طرز تفکر، اگر یک فوران آتشفشانی اتفاق نیفتاده بود یا نوع خاصی از ارگانیسم تکامل پیدا نکرده بود، ممکن بود سطوح اکسیژن در مقادیر بسیار کم بماند و مجالی برای تکامل ما پیدا نشود. اما نتایج پژوهشی جدید نشان میدهد که اینگونه نیست. لوئیس الکات (Lewis Alcott) و بنجامین میلز (Benjamin Mills)، پژوهشگرانی از دانشگاه لیدز (University of Leeds) انگلستان، یک مدل رایانهای از چرخههای کربن، اکسیژن و فسفر ایجاد کردند و با بررسی آن متوجه شدند که تغییرات در سطح اکسیژن میتواند با دینامیک ذاتی سیاره زمین توضیح داده شود و احتمالاً به هیچ رویداد معجزهآسایی نیاز ندارد.
چیزی که پژوهشگران مطالعه جدید فکر میکنند از تئوریهای مطرحشده درمورد فرایندهای اکسیژنافزایی زمین از قلم افتاده باشد، فسفر است. این ماده مغذی برای باکتریهای فتوسنتزکننده و جلبکهای موجود در اقیانوسها بسیار مهم است. مقدار فسفر موجود در دریا، درنهایت مقدار اکسیژنی را که روی زمین تولید میشود، کنترل میکند. این موضوع امروزه نیز وجود دارد و از زمان تکامل میکروبهای فتوسنتزکننده یعنی ۳میلیارد سال پیش نیز چنین بوده است. فتوسنتز در اقیانوس به فسفر بستگی دارد اما در همین حال، سطوح بالای فسفر طی فرایندی که اوتریفیکاسیون (Eutrophication) نامیده میشود، موجب افزایش مصرف اکسیژن در اعماق اقیانوس میشود. هنگامی که میکروبهای فتوسنتزکننده میمیرند، تجزیه میشوند و طی این فرایند، اکسیژن موجود در آب مصرف میشود. با کاهش سطح اکسیژن، رسوبات فسفر بیشتری آزاد میکنند. این حلقه بازخورد بهسرعت اکسیژن را از محیط آبی حذف میکند. این بدان معنا است که سطوح اکسیژن در اقیانوسها میتوانست بهسرعت تغییر کند اما این فرایند در مقیاس بلندمدت با تأثیر جبه یا گوشته زمین مهار شده است.
در طول تاریخ زمین، فعالیتهای آتشفشانی گازهایی را آزاد کرده است که با اکسیژن واکنش داده و آن را از اتمسفر حذف میکنند. این جریانهای گاز با گذشت زمان بهخاطر خنکشدن جبه زمین فروکش کردند و مدل رایانهای جدید نشان میدهد که این کاهش آهسته بههمراه تکامل اولیه حیات فتوسنتزی همان چیزی بوده که برای افزایش قابلتوجه در سطوح اکسیژن مورد نیاز بوده است. این افزایشهای مرحلهای، شباهت آشکاری با افزایش سه مرحلهای در اکسیژن داشت که در طول تاریخ زمین رخ داده است و قبلا به آن اشاره شد.
مدل جدید همچین از این بینش ما درمورد اکسیژنافزایی اقیانوس حمایت میکند که احتمالاً قبل از اینکه وضعیت اکسیژن اقیانوسها به حالت کنونی برسد، چرخههای بسیاری از اکسیژنافزایی و اکسیژنزدایی در آن رخ داده باشد. آنچه واقعاً درمورد تمام اینها هیجانانگیز است، این است که الگوی اکسیژنافزایی مشاهده شده میتواند بدون نیاز به جهشهای تکاملی پیچیده و دشوار یا وقوع آتشفشانهای بزرگ یا رویدادهای تکتونیکی ایجاد شود. بنابراین، بهنظر میرسد با تکامل فتوسنتز، اکسیژنافزایی در زمین اجتنابناپذیر بوده باشد و برایناساس، احتمال وجود جهانهای دارای اکسیژن بالا در خارج از سیاره ما میتواند بسیار بیشتر باشد.