عملية متقلبة طويلة الأمد أدت إلى أكسدة الغلاف الجوي والمحيطات

أكسدة الغلاف الجوي والمحيطات

تخيل وقتًا كان فيه الغلاف الجوي للأرض خاليًا من الأكسجين، وهو الغاز الذي نعتبره مصدر الحياة. كانت هذه هي الحقيقة في النصف الأول من حياة كوكبنا. ولكن منذ حوالي 2.2 مليار سنة، غيرت ظاهرة تُعرف باسم حدث الأكسدة الكبير (Great Oxidation Event) مسار الحياة على الأرض إلى الأبد حيث أدت إلى أكسدة الغلاف الجوي والمحيطات. ألقت دراسة حديثة بقيادة عالم الكيمياء الجيولوجية تشادلين أوستراندر من جامعة يوتا، والتي نُشرت في مجلة(Nature)، ضوءًا جديدًا على العملية المعقدة لتراكم الأكسجين في المحيطات خلال هذه الفترة من تاريخ الأرض.
تكشف نتائج الدراسة، المدعومة ببرنامج علم الأحياء الخارجي التابع لوكالة ناسا، أن الارتفاع الأولي للأكسجين في الغلاف الجوي لم يكن حدثًا مباشرًا، بل كان عملية متقلبة تكشفت على مدى 200 مليون سنة على الأقل. من خلال تحليل نسب نظائر الثاليوم المستقرة والعناصر الحساسة للأكسدة في السِّجـِّيل البحري (marine shales) من مجموعة ترانسفال سوبر جروب في جنوب إفريقيا (South Africa’s Transvaal Supergroup)، قدم فريق البحث الدولي التابع لأوستراندر رؤى جديدة حول ديناميكيات أكسدة المحيطات خلال هذه الفترة المحورية.

محتويات المقال :

سر الحياة المبكرة على الأرض

بينما نتعمق في قصة حدث الأكسدة العظيم، يجب علينا أولاً أن نمهد الطريق للفصل الأول في تاريخ الأرض. لا يزال فجر الحياة على كوكبنا يكتنفه الغموض، مع وجود العديد من الأسئلة التي لا تزال دون إجابة. كيف كانت الظروف على الأرض؟ كيف ظهرت الحياة لأول مرة، وكيف كانت البيئة؟ لا تزال أصول الحياة غير مفهومة جيدًا، ويعمل العلماء على تجميع الأدلة معًا لإعادة بناء قصة الأيام الأولى لكوكبنا.
في هذا العصر البدائي، كان سطح الأرض مختلفًا تمامًا عما نراه اليوم. كان الغلاف الجوي خاليًا من الأكسجين، ومن المحتمل أن المحيطات كانت راكدة وخالية من الحياة. تمكنت أقدم أشكال الحياة، والتي من المحتمل أنها كائنات وحيدة الخلية، من الازدهار بطريقة ما في هذه البيئة. لعبت هذه الميكروبات القديمة دورًا حاسمًا في تشكيل مسار تاريخ الأرض، لكن فهمنا لوجودها لا يزال محدودًا.
يرتبط اكتشاف الأوكسجين على الأرض ارتباطًا وثيقًا بتطور أشكال الحياة المبكرة هذه. ومع بدء تراكم الأكسجين في الغلاف الجوي، مهد ذلك الطريق لتطور أشكال حياة أكثر تعقيدًا. ومع ذلك، فإن الجدول الزمني للأوكسجين لا يزال غير واضح. للكشف عن أسرار الحياة المبكرة على الأرض، يجب على العلماء التنقيب بشكل أعمق، وتحليل الصخور والرواسب القديمة بحثًا عن أدلة حول بيئة الأرض وظهور الأكسجين.

التاريخ العلمي للأكسجين

كانت الرحلة لفهم حدث الأكسدة الكبير (GOE) طويلة ومعقدة، ومليئة بالتقلبات والمنعطفات التي دفعت العلماء إلى إعادة تقييم فهمهم لتاريخ الأكسجة على الأرض. لعقود من الزمن، اعتقد الباحثون أنه كان حدثًا دراميًا واحدًا يمثل الانتقال من الغلاف الجوي الذي يعاني من نقص الأكسجين إلى الغلاف الجوي الغني بالأكسجين. ومع ذلك، تشير الأدلة الجديدة إلى أن هذه العملية كانت أكثر ديناميكية ودقة، حيث كانت مستويات الأكسجين تتقلب بشكل كبير على مدى ملايين السنين.
إن الدليل القاطع على وجود جو يعاني من نقص الأكسجين هو وجود توقيعات نظائر الكبريت النادرة والمستقلة عن الكتلة في السجلات الرسوبية قبل حدث الأكسدة الكبير. هناك عدد قليل جدًا من العمليات على الأرض يمكنها توليد توقيعات نظائر الكبريت هذه، ومن المعروف أن الحفاظ عليها في السجل الصخري يتطلب غياب الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي.

وقد سلطت الأبحاث الإضافية التي أجراها علماء مثل سيمون بولتون وأندري بيكر وتشادلين أوستراندر الضوء على الارتفاع المتقطع للأكسجين، مع ارتفاعه وانخفاضه في الغلاف الجوي خلال حدث الأكسدة الكبير. وقد أجبر هذا الاكتشاف العلماء على إعادة التفكير في فهمهم لأكسجة الأرض، مدركين أن العملية كانت أطول بكثير وأكثر اضطرابًا مما كان يعتقد سابقًا.

الارتفاع المتقطع للأكسجين

تخيل عالمًا تتقلب فيه مستويات الأكسجين في المحيط مثل الأفعوانية، حيث ترتفع وتنخفض بشكل متقطع. لم تكن هذه مجرد حلقة قصيرة في تاريخ الأرض، ولكنها عملية امتدت على الأقل 200 مليون سنة. لقد حيّر حدث الأكسدة الكبير العلماء منذ فترة طويلة، لكن الأبحاث الجديدة سلطت الضوء على العملية الديناميكية والمعقدة لأكسجة المحيطات.
من خلال تحليل نسب نظائر الثاليوم المستقرة والعناصر الحساسة للأكسدة في السِّجـِّيل البحري من مجموعة ترانسفال سوبر جروب في جنوب إفريقيا، اكتشف الباحثون أدلة على التقلبات في مستويات الأكسجين البحري التي تزامنت مع التغيرات في الأكسجين الجوي. وهذا الاكتشاف له آثار كبيرة على فهمنا لتطور الحياة على الأرض.
تشير البيانات إلى أن الارتفاع الأولي للأكسجين في المحيط لم يكن عملية مباشرة، بل كان عبارة عن سلسلة من البدايات والتوقفات. ويدعم هذا وجود بصمات نظائر الكبريت النادرة والمستقلة عن الكتلة في السجلات الرسوبية قبل حدث الأكسدة الكبير، والتي تشير إلى عدم وجود أكسجين في الغلاف الجوي.
في هذه المعركة المتأرجحة، تم تدمير الأكسجين الذي تنتجه البكتيريا الزرقاء في المحيط باستمرار في تفاعلات مع المعادن المكشوفة والغازات البركانية.
وكما قال تشادلين أوستراندر، المؤلف الرئيسي للدراسة، فقد احتاجت الأرض إلى وقت لتتطور بيولوجيًا وجيولوجيًا وكيميائيًا لتصبح ملائمة للأكسجين. إن تأرجح إنتاج الأكسجين وتدميره يعني أن الأمر استغرق ملايين السنين حتى تنقلب المقاييس لصالح الأكسجين.

كيف كشفت نظائر الثاليوم عن أسرار الأكسجين في المحيط؟

نظائر الثاليوم حساسة لأكسيد المنغنيز المدفون في قاع البحر، وهي عملية تتطلب الأكسجين في مياه البحر. من خلال تحليل نظائر الثاليوم في السِّجـِّيل البحري من مجموعة ترانسفال سوبر جروب في جنوب إفريقيا، وجد الباحثون إثراء ملحوظًا في نظير الثاليوم الأخف وزنًا (203Tl). أفضل تفسير لهذا النمط هو دفن أكسيد المنغنيز في قاع البحر، مما يشير إلى تراكم الأكسجين في مياه البحر. وأظهرت النتائج أن مستويات الأكسجين في المحيط تتقلب جنبًا إلى جنب مع مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي، كما تشير نظائر الكبريت.
يعد هذا الاكتشاف مهمًا، لأنه يوفر نافذة مباشرة على ديناميكيات الأوكسجين في المحيط خلال حدث الأكسدة الكبير. وأوضح تشادلين أوستراندر أنه عندما تقول نظائر الكبريت أن الغلاف الجوي أصبح مؤكسجًا، تقول نظائر الثاليوم أن المحيطات أصبحت مؤكسجة. وعندما تقول نظائر الكبريت أن الغلاف الجوي يعاني من نقص الأكسجين مرة أخرى، تقول نظائر الثاليوم الشيء نفسه بالنسبة للمحيطات.

كيف غيّر الأكسجين مسار الحياة على الأرض؟

إن اكتشاف الارتفاع المتقطع للأكسجين في محيطات الأرض والغلاف الجوي له آثار بعيدة المدى على فهمنا لتطور الحياة على كوكبنا. كان حدث الأكسدة الكبير، لحظة محورية في تاريخ الأرض، مما مهد الطريق لتنوع الحياة كما نعرفها اليوم.
سمح وجود الأكسجين في المحيطات والغلاف الجوي بتطور أشكال حياة الأكثر تعقيدًا، مما أدى في النهاية إلى ظهور مجموعة مذهلة من الأنواع التي تعيش على كوكبنا اليوم. لولا الأكسجين لبقيت الحياة عالقة في بشكلها البدائي، غير قادرة على التطور والتنوع.