اتمسفرهای قابل تنفس؛ معمول‌تر از آنچه تصور می‌شد

بیش از یک قرن است که احتمال وجود جهان‌های بیگانه قابل سکونت مورد توجه عامه‌ی مردم و نیز دانشمندان قرار دارد. ستاره‌شناسان در قرن نوزدهم معتقد بودند که سیاره ی 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 منظومه‌ی ما قرار دارند، مطالعه کنند، بیشتر پژوهش‌های جدید همچنان از احتمال یافتن دنیاهایی که بشر بتواند در آن زندگی کند، کم می‌کنند. 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 کاملا 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. مرحله‌ی اول که «رویداد اکسایش بزرگ» نامیده می‌شود، حدود ۲/۴ میلیارد سال پیش رخ داده است. پس از آن «رویداد اکسیژنی پیشین‌زیستی‌نو» درحدود ۸۰۰ میلیون سال پیش بوده است و سپس مرحله‌ی آخر یعنی «رویداد اکسیژنی پالئوزوئیک» درحدود ۴۰۰ میلیون سال پیش رخ داده؛ زمانی‌که سطوح اکسیژن در زمین به اوج دوره‌ی 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 کردند. 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 قبلا تنها در انحصار باکتری‌های فتوسنتزکننده‌ی موجود در اقیانوس‌ها بود و آن‌ها در بیشتر تاریخ زمین تولید‌کنندگان اصلی اکسیژن بودند، به گیاهان محول شد. طبق ایده‌ی دیگر، تغییرات تکتونیکی صفحات زمین یا فوران‌های آتشفشانی عظیم با رویدادهای اکسیژنی زمین مرتبط بوده است.

استروماتولیت‌ها اولین شاهد حیات فتوسنتزی روی زمین هستند

تاریخچه‌ی مبتنی بر رویداد درمورد چگونگی فراوان‌شدن 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. پژوهشگران یک مدل کامپیوتری از چرخه‌های کربن، اکسیژن و فسفر ایجاد کردند و با بررسی آن متوجه شدند که تغییرات در سطح اکسیژن می‌تواند با دینامیک ذاتی سیاره‌ی زمین توضیح داده شود و احتمالا به هیچ رویداد معجزه‌آسایی نیاز ندارد.

فسفر؛ پیوند گمشده

چیزی که پژوهشگران مطالعه‌ی جدید فکر می‌کنند از تئوری‌های مطرح‌شده درمورد فرایندهای اکسیژن‌افزایی زمین از قلم افتاده باشد، فسفر است. این ماده‌ی مغذی برای باکتری‌های فتوسنتزکننده و جلبک‌های موجود در اقیانوس‌ها بسیار مهم است. مقدار فسفر موجود در دریا، درنهایت مقدار اکسیژنی که روی زمین تولید می‌شود را کنترل می‌کند. این موضوع امروزه نیز وجود دارد و از زمان تکامل میکروب‌های فتوسنتزکننده یعنی ۳ میلیارد سال پیش نیز چنین بوده است. فتوسنتز در اقیانوس به فسفر بستگی دارد اما در همین حین، سطوح بالای فسفر طی فرایندی که اوتریفیکاسیون 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 حلقه‌ی 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 جبه‌ی زمین مهار شده است.

اوتریفیکاسیون می‌تواند منجر به شکوفایی جلبک‌ها شود؛ وقتی میکروب‌ها می‌میرند و تجزیه می‌شوند، اکسیژن آب مصرف می‌شود

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 جبه‌ی زمین فروکش کردند و مدل کامپیوتری جدید نشان می‌دهد که این کاهش آهسته به‌همراه تکامل اولیه‌ی 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 اکسیژن افزایی اقیانوس حمایت می‌کند که احتمالا قبل از اینکه وضعیت اکسیژن اقیانوس‌ها به حالت کنونی برسد، چرخه‌های بسیاری از اکسیژن‌افزایی و اکسیژن‌زدایی در آن رخ داده باشد. آن‌چه واقعا درمورد تمام این‌ها هیجان‌انگیز است، این است که الگوی اکسیژن‌افزایی مشاهده‌شده 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 سیاره‌ی ما می‌تواند بسیار بیشتر باشد.