أحد الألغاز التي لم تحل بعد حول تاريخ الأرض هو كيف أصبح الكوكب مؤكسجًا وتنفسًا قبل مليارات السنين. الآن ، تقول دراسة جديدة أن الجاني ربما كان ألواح الصخور العملاقة التي تشكل الغلاف الخارجي للأرض.
مع تحرك هذه الألواح المزعومة ، في عملية تسمى تكتونية الصفائح ، لكانت قد دفنت بقايا غنية بالكربون من مخلوقات ميتة تحت لوحات أخرى أثناء انزلاقها تحتها. وقال العلماء إنه في عباءة الأرض ، تحت القشرة ، لن يتمكن الكربون من التفاعل مع الأكسجين ، تاركًا هذا المكون الحيوي في الغلاف الجوي.
حتى حدث الأكسجين العظيم ، كان الغلاف الجوي للكوكب عبارة عن مزيج من النيتروجين وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء والميثان. ثم ، قبل 2.5 مليار سنة ، بدأت فئة من المخلوقات أحادية الخلية في استخدام ثاني أكسيد الكربون وإنتاج الأكسجين كمنتج للنفايات. لكن الأكسجين شديد التفاعل ؛ التفاعلات مع الصخور السطحية وتسرب الكربون من بقايا الكائنات الميتة ستستنزف العنصر بسرعة.
دفن الكربون
افترضت الدراسة الجديدة التي أجرتها ميجان دنكان وراجديب داسجوبتا في جامعة رايس في تكساس أن الكربون من المخلوقات الميتة تم دفعه تحت قشرة الأرض ، أو انحنى ، لتشكيل الجرافيت والماس القديم. على هذا النحو ، قال الثنائي ، كان حدث الأكسجين العظيم ، جزئيًا ، مدفوعًا ببدء تكتونيات الصفائح "الحديثة" ، التي تنقسم فيها قشرة الأرض إلى لوحات ضخمة تتصادم وتتدحرج وتنزلق فوق وتحت بعضها البعض.
كانت العملية فعالة بما يكفي بحيث لم يكن لدى الكربون الوقت الكافي للتفاعل مع الأكسجين ، لذلك بقي الأكسجين - منتج النفايات لكل تلك المخلوقات المبكرة - في الغلاف الجوي وتراكم بالقرب من المستويات التي نشهدها اليوم. النتيجة: جو قابل للاستنشاق للأكسجين في المستقبل.
وقال دنكان لـ Live Science: "بدأ هذا العمل من خلال النظر في العمليات التي تحدث في مناطق الاندساس اليوم". "ثم يتساءل عما حدث في مناطق الاندساس القديمة."
استخدم دنكان نموذجًا حاسوبيًا للغلاف الجوي يظهر تفاعلًا بين ثاني أكسيد الكربون والماء. عندما يتفاعل الاثنان ، يصنعان الأكسجين الجزيئي (يتكون من ذرتين من الأكسجين) والفورمالديهايد (مركب يتكون من الكربون والهيدروجين والأكسجين). الفورمالديهايد ليس بالضرورة ما ستنتجه المخلوقات الحية ؛ وقال دنكان إنه موقف لمركبات الكربون العضوي الأكثر تعقيدًا.
عادة ، يكون رد الفعل هذا متوازنًا. يعود الأكسجين مرة أخرى لإنتاج المزيد من ثاني أكسيد الكربون والماء ، مما يترك جوًا خالٍ من الأكسجين. وقال الباحثون إن هذا هو المكان الذي تأتي فيه تكتونية الصفائح. وفقا للدراسة الجديدة ، دفعت لوحات الركض جميع الفورمالديهايد تحت الأرض ، تاركة الهواء مع مزيد من الأكسجين. في هذه الأثناء ، بدون أن يقود الفورمالديهايد التفاعل الكيميائي "المتوازن" ، سيظل ثاني أكسيد الكربون الإضافي في الغلاف الجوي ، مما يساعد أنفاس ثاني أكسيد الكربون على الازدهار وإنتاج المزيد من الأكسجين كنفايات ، كما وجد الباحثون في نموذج الكمبيوتر الخاص بهم.
إبقاء الكربون تحت السيطرة
للتحقق من فرضيتهم ، استخدم الباحثون القياسات القديمة للكربون في تجارب القشرة والمختبر القديمة. في بعض الماس القديم ، على سبيل المثال ، هناك كمية معينة من الكربون -13 ، وهو نظير الكربون الموجود في أنسجة الكائنات الحية. وقال الباحثون إن هذه البيانات أظهرت أن كمية معينة من الكربون العضوي وصلت بوضوح إلى الوشاح (تحت قشرة الأرض).
كان السؤال التالي ما إذا كان الكربون سيبقى هناك. قام دنكان بإذابة قطعة من سيليكات الزجاج وإضافة الجرافيت إليها. وقال دنكان إن الزجاج يحاكي القشرة القديمة ، ويمثل الجرافيت الكربون من الكائنات الحية. ثم قامت بزيادة الضغط ودرجة الحرارة ، بدءًا من حوالي 14800 غلاف جوي للضغط ورفعه إلى 29000 غلاف جوي (أي حوالي 435000 رطل لكل بوصة مربعة). وقالت الدراسة إن النتائج أظهرت أن الكربون يمكن أن يذوب في الصخور في ظل الظروف التي يحتمل وجودها في الوشاح المبكر للأرض. وقالت الدراسة إن النتيجة أظهرت أيضا أنه من المرجح أن يبقى الكربون تحت القشرة لملايين السنين قبل أن تدمره البراكين مرة أخرى.
وقال دنكن إن تثبيت الآلية الدقيقة لحدث الأكسجين العظيم لن يكون سهلاً ، ومن المحتمل أنه تضمن عدة آليات ، وليس آلية واحدة فقط. وقالت إن أحد التحديات هو الجدول الزمني الذي بدأ فيه الاندساس.
قال دنكان: "إذا كانت العمليات التكتونية للصفائح الحديثة تعمل دائمًا ، فهذا لا يعمل". وأضاف دنكان أن خطوط الأدلة الأخرى تظهر أن الأرض المبكرة ربما لم يكن لديها تكتونيات الصفائح في البداية وأن العملية بدأت لاحقًا.
كتب دنكان في رسالة بريد إلكتروني: "يعتمد ذلك أيضًا على كمية الكربون العضوي التي تمت إزالتها من السطح". "مقدار الكربون العضوي الذي وصل إلى قاع المحيط (والذي يعتمد على الأرجح على كيمياء المحيطات القديمة). نحن نعلم أنه يحدث اليوم. يمكننا الخروج وقياسه. نراه في الصخور القديمة ، وربما في الماس ، لذلك نحن نعتقد أن الكربون العضوي كان حاضرا وخاضعا على مر تاريخ الأرض ".
وقالت إن المشكلة تكمن في وضع حدود دقيقة لمقدار ومدى السرعة.
واتفق تيم ليونز ، أستاذ الكيمياء الحيوية بجامعة كاليفورنيا ريفرسايد ، على أن ربط هذا النموذج بالسجل المعروف في الصخور يمثل تحديًا. وقال ليونز "أحد أسئلتي هو ما إذا كان يمكن ربط هذه البيانات بسجل قوي لتاريخ الاندساس".
وقال دنكان "هناك العديد من الآليات المقترحة للتسبب في الحكومة المصرية ، ولا يمكن لأي منها بمفردها إعادة تكوين حجم زيادة O2 الملحوظة من السجل". "من المرجح أن مزيجًا من العديد من هذه الآليات ، بما في ذلك الاندساس ، سمح بارتفاع مستويات O2 والحفاظ عليها لبقية تاريخ الأرض."
ظهرت الدراسة (25 أبريل) في مجلة Nature Geoscience.
