وهذا الاكتشاف له قيمة أيضًا في مجال مختلف تمامًا، وهو البحث عن الحياة على كواكب خارج النظام الشمسي
من أليكس كراوس، زميل باحث في نمذجة أنظمة الأرض، UCL وبنيامين جيه دبليو ميلز، أستاذ مشارك في النمذجة الجيوكيميائية الحيوية، جامعة ليدز
هل نحن لوحدنا في الكون؟ لقد أثار هذا السؤال اهتمام البشر لعدة قرون وألهم عددًا لا يحصى من الدراسات والأعمال الخيالية. لكن هل نقترب من اكتشاف مثل هذه الحياة؟ الان، عندما تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) جيدربما نكون قد حققنا قفزة عملاقة ستسمح لنا بالإجابة على هذا السؤال يومًا ما.
أحد الأهداف الأربعة الرئيسية لـ JWST هو دراسة الكواكب خارج نظامنا الشمسي، وتحديد الغازات التي يتكون منها غلافها الجوي. الان، البحث إن جديدنا بشأن التغيرات في مستويات الأكسجين على الأرض على مر العصور الجيولوجية يقدم أدلة حول ما يجب البحث عنه حقًا.
لمحاولة فهم كيف ومتى ولماذا قد تتطور الحياة على كواكب أخرى، فمن المنطقي أن ننظر إلى الكوكب الوحيد الذي نعرفه اليوم والذي يحتوي على الحياة: الأرض. إن فهم التاريخ التطوري المعقد لكوكبنا قد يوفر المفتاح للعثور على كواكب أخرى قادرة على دعم الحياة.
الحياة والأكسجين
نحن نعلم أن الحيوانات تحتاج إلى الأكسجين للبقاء على قيد الحياة، على الرغم من أن بعضها، مثل الإسفنج، يحتاج إلى كمية أقل من غيرها. ومع ذلك، في حين أن الأكسجين متوفر اليوم بسهولة، ويشكل 21% من الغلاف الجوي، فإننا أيضًا متاحون اعلم أن هذا لم يكن صحيحًا في معظم تاريخ الأرض.
إذا أردنا السفر عميقًا إلى ماضينا، إلى ما يقرب من 450 مليون سنة مضت، فسيتعين علينا أن نحمل معنا مخزونًا من أسطوانات الأكسجين. لكن ما نحن أقل يقينًا بشأنه هو الكمية المطلقة للأكسجين في الغلاف الجوي والمحيطات مع مرور الوقت، وما إذا كانت الزيادة في مستويات الأكسجين هي التي أدت إلى تطور الحيوانات، أو العكس. لقد أثارت هذه الأسئلة بالفعل العديد من المناقشات وعقود من البحث.
تقول النظرية الحالية أن مستويات الأكسجين ارتفعت على ثلاث مراحل. الأول يسمى "حدث الأكسدة العظيم"، حدث قبل حوالي 2.4 مليار سنة، وحوّل الأرض من كوكب لا يحتوي على أكسجين في الغلاف الجوي والمحيطات إلى كوكب يكون فيه الأكسجين سمة دائمة. والثالث حدث قبل حوالي 420 مليون سنة ويسمى "حدث הالأكسدة في العصر الحجري القديم"، أنه منذ ذلك الحين زادت كمية الأكسجين في الغلاف الجوي حتى اليوم. ولكن بينهما، منذ حوالي 800 مليون سنة، تكمن المرحلة الثانية:حدث أكسدة الطلائع الحديثة"أو NOE.
في البداية، أشارت المعلومات المستخرجة من الصخور الرسوبية المتكونة في قاع المحيط إلى ذلك في هذه الفترة لقد ارتفع الأكسجين بالفعل إلى المستويات المقاسة اليوم.
ومع ذلك، فقد تم الكشف عن المزيد من البيانات التي تم جمعها منذ ذلك الحين تاريخ الأكسجين مثير للاهتمام كثير. ومن المهم أن نلاحظ أن NOE حدث للحظات قبل ظهور الحيوانات الأولىوالتي ظهرت منذ حوالي 600 مليون سنة.
نمذجة مستويات الأكسجين
لقد شرعنا في دراسة وإعادة بناء مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي خلال NOE لمعرفة الظروف التي ظهرت فيها الحيوانات الأولى. وللقيام بذلك، قمنا ببناء نموذج حاسوبي للأرض، يتضمن المعرفة بالعمليات المختلفة التي يمكن أن تضيف الأكسجين إلى الغلاف الجوي أو تزيله.
قمنا بدراسة الصخور الحاملة للكربون، المترسبة حول العالم، لحساب معدلات التمثيل الضوئي القديمة. التمثيل الضوئي هو العملية التي تستخدم من خلالها النباتات والبكتيريا ضوء الشمس والماء وثاني أكسيد الكربون لإنتاج الأكسجين والطاقة على شكل سكريات - وهذا هو المصدر الرئيسي للأكسجين على الأرض.
الكربون موجود بشكل طبيعي في النظائر كثيرة - ذرات تحتوي على عدد مختلف من النيوترونات في نواتها. ولذلك فإن النظائر المختلفة لها أحجام وكتل مختلفة قليلاً.
قمنا بفحص نظائر الكربون التي تسمى الكربون 12 والكربون 13، والتي لا تخضع للتحلل الإشعاعي. تفضل النباتات استخدام الكربون 12 - أخف النظائر - أثناء عملية التمثيل الضوئي، وفي نهاية العملية (مع موت النباتات) ما يبقى في مياه البحر ثم في الصخور المتكونة في قاع المحيط - هو الكربون.
عندما نقوم بتحليل هذه الصخور، بعد ملايين أو حتى مليارات السنين، إذا وجدنا الكربون 13 أكثر من الكربون 12، يمكننا تقدير حدوث عملية التمثيل الضوئي، وبالتالي إنتاج الأكسجين أيضًا. ثم قمنا بعد ذلك بنمذجة النشاط البركاني، الذي يمكن أن يطلق غازات تتفاعل مع الأكسجين، ويزيلها من الغلاف الجوي.
قد يبدو هذا النهج غريبًا بعض الشيء، وقد تتساءل لماذا لم يكن لدينا طريقة مباشرة لقياس مستويات الأكسجين. وذلك لأن معظم الأدلة الجيولوجية من هذه الفترة لم يتم الحفاظ عليها، ونسب نظائر الكربون هذه هي واحدة من مجموعات البيانات القليلة المحددة جيدًا المتوفرة لدينا لهذه الفترة.
ما وجدناه هو أنه بدلاً من قفزة بسيطة في مستويات الأكسجين خلال عصر الطلائع الحديثة، تغيرت كمية الأكسجين في الغلاف الجوي بشكل كبير، وبسرعة كبيرة على مقياس المقاييس الزمنية الجيولوجية. فبينما كان الأكسجين يشكل قبل 750 مليون سنة 12% من الغلاف الجوي، فإنه انخفض خلال عشرات الملايين من السنين فقط إلى حوالي 0.3% - وهو جزء صغير - قبل أن يرتفع مرة أخرى بعد بضعة ملايين من السنين.
يُظهر بحثنا أن الأكسجين الجوي من المحتمل أن يستمر في هذه التقلبات بين المستويات العالية والمنخفضة حتى اكتسبت النباتات موطئ قدم على الأرض منذ حوالي 450 مليون سنة.
أبحث عن حياة أجنبية
هذه النتائج مثيرة للاهتمام لعدة أسباب. لقد اعتقدنا في كثير من الأحيان أن الاستقرار النسبي الذي شهدته الأرض خلال معظم الـ 4.5 مليار سنة الماضية ضروري لازدهار الحياة. بعد كل شيء، عندما تقع أحداث كبرى، مثل اصطدامات الكويكبات، لا تنتهي الأمور بشكل جيد بالنسبة لبعض سكان الأرض (آسف، الديناصورات).
ولكن إذا كانت الحيوانات الأولى قد تطورت وسط مستويات أكسجين متغيرة للغاية، فإن هذا يشير إلى أن بعض التغييرات الديناميكية قد تكون مطلوبة لتعزيز الابتكار البيئي.
تشير نتائجنا إلى أن فترات انخفاض مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي يمكن أن تكون مهمة لتطور حياة أكثر تعقيدًا من خلال التسبب في انقراض بعض الكائنات البسيطة والسماح للناجين بالتكاثر والتطور إلى مجموعة متنوعة من الأنواع عندما ترتفع مستويات الأكسجين مرة أخرى. لذلك، لا ينبغي استبعاد الفحص الدقيق للكواكب ذات الأجواء ذات مستوى الأكسجين المنخفض خارج النظام الشمسي.
بالطبع، هذه وجهة نظر عادية جدًا وتتمحور حول الحيوانات. قد تكون الحياة الغريبة مختلفة تمامًا عن الحياة على الأرض. على سبيل المثال، من الممكن أن تتواجد في أماكن مثل تيتان -أحد أقمار زحل- الذي يحتوي على بحر من الميثان السائل والإيثان. ولكن كنقطة انطلاق في بحثنا عن حياة خارج كوكب الأرض، فإن فهم تاريخ الأكسجين الجوي على الأرض يعد دليلاً مفيدًا.
وفي نفس الموضوع على موقع العلوم :
