Το οξυγόνο της Γης έχει ποικίλλει δραματικά με την πάροδο του χρόνου - Δείτε πώς τα δεδομένα μας θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να εντοπίσουμε εξωγήινη ζωή

Είμαστε μόνοι στο σύμπαν; Αυτό είναι ένα ερώτημα που απασχολεί τους ανθρώπους για αιώνες και έχει εμπνεύσει αμέτρητες μελέτες και έργα μυθοπλασίας. Αλλά πλησιάζουμε στο να το ανακαλύψουμε αυτό; Τώρα που το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) βρίσκεται σε λειτουργία, ίσως είχαμε κάνει ένα τεράστιο άλμα για να μπορέσουμε να το απαντήσουμε μια μέρα.

Ένας από τους τέσσερις κύριους στόχους του JWST είναι να μελετήσει εξωπλανήτες –πλανήτες που κατοικούν εκτός του ηλιακού μας συστήματος– και να προσδιορίσει από ποια αέρια αποτελείται η ατμόσφαιρά τους. Τώρα η νέα μας έρευνα σχετικά με τη διακύμανση του οξυγόνου στη Γη κατά τη διάρκεια του γεωλογικού χρόνου έχει προσφέρει ενδείξεις σχετικά με το τι πρέπει πραγματικά να αναζητήσουμε.

Για να προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε πώς, πότε και γιατί μπορεί να εξελιχθεί η ζωή σε άλλους πλανήτες, είναι λογικό να κοιτάξουμε στον μοναδικό πλανήτη που γνωρίζουμε επί του παρόντος για τον οποίο φιλοξενείται ζωή:τη Γη. Η κατανόηση της περίπλοκης εξελικτικής ιστορίας του πλανήτη μας μπορεί να αποτελέσει το κλειδί για την εύρεση άλλων πλανητών ικανών να υποστηρίξουν ζωή.

Ζωή και οξυγόνο

Γνωρίζουμε ότι τα ζώα χρειάζονται οξυγόνο για να επιβιώσουν, αν και ορισμένα, όπως τα σφουγγάρια, χρειάζονται λιγότερο από άλλα. Ωστόσο, ενώ το οξυγόνο είναι άμεσα διαθέσιμο σήμερα, αποτελώντας το 21% της ατμόσφαιρας, γνωρίζουμε επίσης ότι αυτό δεν ίσχυε για το μεγαλύτερο μέρος της ιστορίας της Γης.

Εάν ταξιδεύαμε βαθιά στο παρελθόν μας, πέρα ​​από περίπου 450 εκατομμύρια χρόνια πριν, θα χρειαζόμασταν να έχουμε μαζί μας μια εύχρηστη δεξαμενή οξυγόνου. Αλλά αυτό για το οποίο είμαστε λιγότερο σίγουροι είναι η απόλυτη ποσότητα οξυγόνου στην ατμόσφαιρα και τους ωκεανούς με την πάροδο του χρόνου και αν οι αυξήσεις στα επίπεδα οξυγόνου τροφοδότησαν την εξέλιξη της ζωής των ζώων ή το αντίστροφο. Αυτά τα ερωτήματα στην πραγματικότητα έχουν πυροδοτήσει πολυάριθμες συζητήσεις και δεκαετίες έρευνας.

Η τρέχουσα σκέψη είναι ότι τα επίπεδα οξυγόνου έχουν αυξηθεί σε τρία γενικά βήματα. Το πρώτο, που ονομάζεται «το μεγάλο γεγονός οξείδωσης», συνέβη πριν από περίπου 2,4 δισεκατομμύρια χρόνια, μετατρέποντας τη Γη από έναν πλανήτη ουσιαστικά χωρίς οξυγόνο στην ατμόσφαιρα και τους ωκεανούς σε έναν πλανήτη με μόνιμο χαρακτηριστικό το οξυγόνο. Το τρίτο συνέβη πριν από περίπου 420 εκατομμύρια χρόνια και ονομάζεται «γεγονός οξυγόνωσης του Παλαιοζωικού», στο οποίο σημειώθηκε αύξηση του ατμοσφαιρικού οξυγόνου στα σημερινά επίπεδα.

Αλλά στο ενδιάμεσο, περίπου 800 εκατομμύρια χρόνια πριν, βρίσκεται το δεύτερο βήμα:το «γεγονός οξυγόνωσης νεοπρωτοζωικών» ή NOE. Αρχικά, οι πληροφορίες που εξήχθησαν από ιζηματογενή πετρώματα που σχηματίστηκαν στον πυθμένα του ωκεανού υποδήλωναν ότι κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου το οξυγόνο αυξήθηκε σε επίπεδα όπως τα σύγχρονα επίπεδα.

Ωστόσο, περισσότερα δεδομένα που συγκεντρώθηκαν έκτοτε υποδηλώνουν ένα πιο ενδιαφέρον ιστορικό οξυγόνου. Είναι σημαντικό ότι το NOE εμφανίστηκε λίγο πριν από τα στοιχεία των πρώτων ζώων, που εμφανίστηκαν πριν από περίπου 600 εκατομμύρια χρόνια.

Μοντελοποίηση επιπέδων οξυγόνου

Ξεκινήσαμε να εξερευνήσουμε και να ανακατασκευάσουμε τα επίπεδα οξυγόνου της ατμόσφαιρας κατά τη διάρκεια του NOE για να δούμε σε ποιες συνθήκες εμφανίστηκαν τα πρώτα ζώα. Για να γίνει αυτό, κατασκευάσαμε ένα μοντέλο υπολογιστή της Γης, ενσωματώνοντας γνώσεις σχετικά με τις διάφορες διαδικασίες που μπορούν να μεταφέρουν οξυγόνο στην ατμόσφαιρα ή να το αφαιρέσουν.

Ερευνήσαμε πετρώματα που φέρουν άνθρακα, που εναποτέθηκαν σε όλο τον κόσμο, για να υπολογίσουμε τα αρχαία ποσοστά φωτοσύνθεσης. Η φωτοσύνθεση είναι η διαδικασία με την οποία τα φυτά και τα μικρόβια χρησιμοποιούν το ηλιακό φως, το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα για να δημιουργήσουν οξυγόνο και ενέργεια με τη μορφή σακχάρων – την κύρια πηγή οξυγόνου στη Γη.

Ο άνθρακας υπάρχει φυσικά σε πολλά ισότοπα – άτομα με διαφορετικό αριθμό νετρονίων στον πυρήνα τους (ο πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια). Επομένως, διαφορετικά ισότοπα έχουν ελαφρώς διαφορετικά μεγέθη και μάζες το ένα από το άλλο.

Εξετάσαμε ισότοπα άνθρακα γνωστά ως άνθρακα-12 και άνθρακα-13, τα οποία δεν υφίστανται ραδιενεργό διάσπαση. Τα φυτά προτιμούν να χρησιμοποιούν άνθρακα-12 - το ελαφρύτερο ισότοπο - κατά τη φωτοσύνθεση, αφήνοντας το θαλασσινό νερό και στη συνέχεια τα πετρώματα που σχηματίζονται στον πυθμένα του ωκεανού εμπλουτισμένα σε άνθρακα-13.

Όταν αναλύουμε αυτά τα πετρώματα, εκατομμύρια ή και δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα, αν βρούμε περισσότερο άνθρακα-13 από άνθρακα-12, μπορούμε να προβλέψουμε ότι συνέβη περισσότερη φωτοσύνθεση, και επομένως περισσότερη παραγωγή οξυγόνου. Στη συνέχεια διαμορφώσαμε την ηφαιστειακή δραστηριότητα, η οποία μπορεί να απελευθερώσει αέρια που αντιδρούν με το οξυγόνο, απομακρύνοντάς το από την ατμόσφαιρα.

Αυτή η προσέγγιση μπορεί να ακούγεται λίγο περίεργη και μπορεί να ρωτήσετε γιατί δεν υπήρχε τίποτα πιο άμεσο για να μετρήσουμε. Αυτό συμβαίνει επειδή τα περισσότερα γεωλογικά στοιχεία από αυτήν την εποχή δεν διατηρούνται και αυτές οι αναλογίες ισοτόπων άνθρακα είναι ένα από τα λίγα καλά καθορισμένα σύνολα δεδομένων που έχουμε κατά τη διάρκεια αυτής της χρονικής περιόδου.

Αυτό που βρήκαμε είναι ότι, αντί για ένα απλό άλμα στα επίπεδα οξυγόνου κατά τη νεοπρωτεροζωική εποχή, η ποσότητα του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα άλλαξε σημαντικά και, σε γεωλογικούς χρόνους, πολύ γρήγορα. Ενώ πριν από 750 εκατομμύρια χρόνια, το οξυγόνο αποτελούσε το 12% της ατμόσφαιρας, σε λίγες μόνο δεκάδες εκατομμύρια χρόνια, είχε πέσει σε περίπου 0,3% - ένα μικρό κλάσμα - πριν αυξηθεί ξανά μερικά εκατομμύρια χρόνια αργότερα.

Η έρευνά μας δείχνει ότι το ατμοσφαιρικό οξυγόνο συνέχισε πιθανώς αυτόν τον χορό μεταξύ υψηλών και χαμηλών επιπέδων έως ότου τα φυτά απέκτησαν έδαφος στη γη πριν από περίπου 450 εκατομμύρια χρόνια.

Αναζήτηση εξωγήινης ζωής

Αυτά τα αποτελέσματα είναι ενδιαφέροντα για διάφορους λόγους. Συχνά πιστεύαμε ότι η σχετική σταθερότητα που έχει βιώσει η Γη για μεγάλο μέρος των τελευταίων 4,5 δισεκατομμυρίων ετών είναι απαραίτητη για την άνθηση της ζωής. Εξάλλου, όταν συνέβησαν μεγάλα γεγονότα, όπως πρόσκρουση αστεροειδών, δεν πήγε καλά για ορισμένους από τους κατοίκους της Γης (συγγνώμη, δεινόσαυρους).

Ωστόσο, εάν τα πρώτα ζώα εξελίχθηκαν σε ένα πλαίσιο εξαιρετικά μεταβλητών επιπέδων οξυγόνου, αυτό υποδηλώνει ότι ενδέχεται να απαιτηθούν ορισμένες δυναμικές αλλαγές προκειμένου να ενισχυθεί η οικολογική καινοτομία.

Τα αποτελέσματά μας υποδηλώνουν ότι οι περίοδοι χαμηλών επιπέδων οξυγόνου στην ατμόσφαιρα θα μπορούσαν να ήταν σημαντικές για την ανάπτυξη πιο περίπλοκης ζωής οδηγώντας την εξαφάνιση κάποιων απλών οργανισμών και επιτρέποντας στους επιζώντες να επεκταθούν και να διαφοροποιηθούν όταν τα επίπεδα οξυγόνου ανέβαιναν ξανά. Επομένως, δεν πρέπει να αποκλείσουμε να ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε εξωπλανήτες που έχουν μια κακώς οξυγονωμένη ατμόσφαιρα.

Φυσικά, αυτή είναι μια πολύ γήινη και ακόμη και ζωοκεντρική άποψη. Η εξωγήινη ζωή μπορεί να είναι εντελώς διαφορετική από τη ζωή στη Γη. Για παράδειγμα, θα μπορούσε κάλλιστα να υπάρχει σε πλανητικά σώματα όπως ο Τιτάνας - ένα από τα φεγγάρια του Κρόνου - που έχει θάλασσες υγρού μεθανίου και αιθανίου. Αλλά ως σημείο εκκίνησης στην αναζήτησή μας για εξωγήινη ζωή, η κατανόηση της ιστορίας του ατμοσφαιρικού οξυγόνου στη Γη είναι ένας χρήσιμος οδηγός.

Alex Krause, Ερευνητής στη Μοντελοποίηση Συστημάτων Γης, UCL και Benjamin J. W. Mills, Αναπληρωτής Καθηγητής Βιογεωχημικής Μοντελοποίησης, Πανεπιστήμιο του Λιντς

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από το The Conversation με άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.