یک نظریه جدید برای انقلاب اکسیژنی زمین

ساینسیو – به نقل از ایسنا و آی‌ای، محققان موسسه فناوری ماساچوست(MIT) نظریه جدیدی را برای توضیح چگونگی تجمع اکسیژن در جو زمین ارائه کرده‌اند.

میلیاردها سال قبل از تولد اولین انسان‌ها، جو زمین فاقد اکسیژن مورد نیاز ما برای بقا بوده است و تنها برخی از موجودات میکروبی از فتوسنتز برای تولید مقداری اکسیژن استفاده می‌کردند. با این حال، مقادیر اکسیژن تولید شده برای پشتیبانی از بسیاری از اشکال حیات کافی نبوده است و از حدود ۲.۳ میلیارد سال پیش، سطح اکسیژن در اتمسفر زمین شروع به تجمع کرده، اما دلایل آن هنوز ناشناخته است.

رویداد بزرگ اکسیژن رسانی(GOE)

در اوایل تاریخ زمین، تولیدکنندگان و مصرف‌کنندگان اکسیژن در این سیاره تعادل خود را به نحوی حفظ می‌کردند که اکسیژن کمی در جو باقی می‌ماند. با این حال، دو رویداد در دوره “پیشین‌زیستی دیرینه(Paleoproterozoic) و دوره “پیشین‌زیستی نو”(Neoproterozoic) رخ داد که سطح اکسیژن طی آنها از سطوح پایین به سطوح بسیار بالاتری که زمین امروزی دارد، رسید.

رویداد بزرگ اکسیژنی(Great Oxygenation Event) یا “انقلاب اکسیژنی”(Oxygen Revolution) پدیده پیدایش گاز اکسیژن در جو زمین در اثر عوامل زیستی است.

پژوهش‌های زمین‌شناسی، شیمیایی و ایزوتوپی، تاریخ این دگرگونی بزرگ را نزدیک به دو میلیارد و سیصد میلیون سال پیش نشان می‌دهند. در آن زمان از پیدایش سیانوباکترها حدود ۲۰۰ میلیون سال می‌گذشت و آنها از راه فتوسنتز سرگرم آزادسازی اکسیژن بودند، ولی تا پیش از آغاز این رویداد بزرگ، همه‌ی اکسیژن آزاد شده از راه مواد آلی و آهن محلول در محیط و شاید هم توسط هیدروژن موجود در هواکره دوباره جذب می‌شد. اشباع این ظرفیت‌ها رفته رفته باعث ورود روزافزون و آغاز انباشته شدن اکسیژن در جو زمین و شروع این رویداد بزرگ شد.

اکسیژن می‌تواند برای اندامگان بی‌هوازی و بی‌هوازی اجباری مسموم‌کننده یا حتی کشنده باشد. این رویداد باعث محو بی‌هوازی‌ها شد و بنابراین از یک نگاه می‌توان گفت که سیانوباکترها مسئول یکی از بزرگترین انقراض‌ها در تاریخ زمین بوده‌اند. از سوی دیگر، اکسیژن آزاد در هوا در برخورد با گاز متان که یک گاز گلخانه‌ای است، موجب “یخبندان هورونی” شد که شاید بزرگترین یخبندان در تاریخ زمین بوده باشد. در نهایت، این فسفرگیری اکسایشی و اندامگان هوازی بودند که با فرگشت خود و مصرف اکسیژن، حالت تعادلی را که تا امروز ادامه دارد، به وجود آوردند. این پدیده افزون بر سایر پدیده‌های زیستی حیرت دوچندان دانشمندان در مورد پیدایش این سیاره خاکی را به همراه داشته ‌است.

دوره “پیشین‌زیستی دیرینه” یک دوران زمین‌شناسی است که در ابتدای اَبَردوران(ائون) پیشین‌زیستی قرار داشت. پیشین‌زیستی دیرینه هنگامی است که قاره‌ها برای نخستین بار تثبیت شدند. پیشین‌زیستی دیرینه از ۲.۵ میلیارد تا ۱.۶ میلیارد سال پیش را در برمی‌گیرد.

شواهد نشان می‌دهد حدود ۱.۸ میلیارد سال پیش، به دلیل سرعت متفاوت چرخش زمین، هر سالِ زمین حدود ۴۵۰ روزِ ۲۰ ساعته داشت.

پیش از ورود و افزایش اکسیژن در جو زمین، جانداران باید می‌توانستند بدون اکسیژن زندگی کنند و دگرگشت حیات، متکی به شکلی از تنفس یاخته‌ای بود که نیاز به اکسیژن نباشد. به این موجودات اندامگان بی‌هوازی گفته می‌شود. اکسیژن برای آنها سمی محسوب می‌شود و بیشتر این جانداران پس از رویداد بزرگ اکسیژنی منقرض شدند. پیدایش جانداران گروه یوکاریوت‌های تاج که نیای یوکاریوت‌های امروزی هستند، در دوره پیشین‌زیستی دیرینه بوده است.

پیشین‌زیستی نو نیز به اواخر اَبَردوران پیشین‌زیستی گفته می‌شود. پیشین‌زیستی نو از یک میلیارد سال پیش تا ۵۴۱ میلیون سال پیش را دربرگرفته و شامل سه دوره “تونین “(یک  میلیارد تا ۸۵۰ میلیون سال پیش)، “کریوژنین”(۸۵۰ تا ۶۳۰ میلیون سال پیش) و “ادیاکاران”(۶۳۵ تا ۵۴۱ میلیون سال پیش) است.

شدیدترین یخ‌بندان ثبت شده در زمین‌شناسی، در دوره کریوژنین رخ داده است به طوری که صفحه‌های یخ به استوا نیز رسیده‌اند و ممکن است زمین‌گوی برفی شکل گرفته باشد. نخستین فسیل‌های جانوران از دوره ادیاکاران یافته شده‌اند که شامل جانداران چندیاخته‌ای نیز می‌شوند.

“گرگوری فورنیه” دانشیار ژئوبیولوژی در دپارتمان علوم زمین، جو و سیاره MIT و همکارانش معتقدند که این جهش‌ها در سطح اکسیژن نتیجه تغییرات تدریجی نبوده است. در عوض، یک حلقه بازخورد مثبت وجود داشته که در اقیانوس‌ها فعال شده است.

به گفته “فورنیه” و تیمش، کربن آلی که تجزیه آن که اکسیداسیون نیز نامیده می‌شود، در شرایط عادی اکسیژن مصرف می‌کند، احتمالاً در این فواصل که منجر به تجمع اکسیژن می‌شود در دسترس مصرف‌کنندگان نبوده است. از آنجایی که حیات در اقیانوس‌ها وجود داشت، محققان میکروب‌های دریایی و مواد معدنی موجود در رسوبات اقیانوس‌ها را بررسی کردند تا تعیین کنند که آیا چنین وضعیتی ممکن است حاکم بوده باشد یا خیر.

آنها فرض کردند که اگر میکروب‌های موجود در این محیط‌ها بتوانند مواد آلی را تا حدی اکسید کنند، ماده آلی نیمه اکسید شده(POOM) به گونه‌ای به مواد معدنی متصل می‌شود که از اکسیداسیون بیشتر آنها جلوگیری می‌کند و اکسیژنِ استفاده نشده در این فرآیند، به اتمسفر راه یافته است.

ریزموجودی که باید از آن تشکر کنیم

محققان برای تأیید فرضیه خود، به شناسایی و بررسی ریزموجودات یا میکروارگانیسم‌هایی پرداختند که می‌توانند ماده آلی نیمه اکسید شده(POOM) ایجاد کنند و یک گروه باکتری به نام “SAR۲۰۲” را یافتند که می‌تواند با استفاده از آنزیمی به نام “باید-ویلیگر مونواکسیژناز”(Baeyer-Villiger monooxygenase) یا “BVMO” به این موفقیت دست یابد.

محققان با ردیابی منشأ ژنتیکی این آنزیم دریافتند که اجداد این باکتری در واقع قبل از انقلاب اکسیژنی وجود داشته‌اند. جالب اینجاست که این ژن در زمانی که سطح اکسیژن افزایش یافته، توسط چندین گونه باکتری در دوران “پیشین‌زیستی دیرینه” و همچنین “پیشین‌زیستی نو” به دست آمده است.

در حالی که این یافته‌ها و همبستگی‌های میان آنها از نظریه جدید محققان MIT پشتیبانی می‌کند، محققان باید کار گسترده‌ای را برای یافتن موارد لازم برای اثبات آن انجام دهند.

جزئیات این نظریه در مجله Nature Communications منتشر شده است.