اتمسفر زمین چگونه تنفس پذیر شد؟ + جزئیات کامل

هر روز، زمین حدود ۹۰ تُن گاز (عمدتا هیدروژن و هلیوم) را به فضا می‌فرستد. این مقدار درمقایسه‌با جرم اتمسفر ناچیز است، بنابراین جایی برای نگرانی وجود ندارد.

اما قبل از رویداد بزرگ اکسیژنی، از دست دادن هیدروژن و وارد شدن آن به فضا به‌حدی بود که موجب عدم تعادل میان ایزوتوپ‌های هیدروژن می‌شد، زیرا هیدروژن از دوتریوم یعنی ایزوتوپ سنگین‌تر آن راحت‌تر فرار می‌کند. این عدم تعادل حاکی از آن است که زمین معادل یک چهارم آبی را که اقیانوس‌های آن را پر کرده بود، از دست داد. پروفسور راجدیپ داسگوپتا، از دانشگاه رایس توضیح می‌دهد: «گوشته در ابتدا حاوی آب بیشتری بود و این آب به شکل هیدروژن از گوشته خارج شد.»

از دست دادن هیدروژنِ آب، اما حفظ اکسیژن، زمین را به سمت محیطی اکسیدکننده سوق داد. همین پدیده در مریخ نیز مشاهده می‌شود. مریخ به اندازه کافی اکسیژن دارد که پس از نشت هیدروژن از آب‌های آن به فضا، روی مریخ بماند و طی فرایند اکسایس سطح آن را قرمز کند.

روی زمین، با زمین‌شناسی فعال‌تر آن، موارد اضافه‌ای برای واکنش با اکسیژن وجود داشت. داسگوپتا توضیح می‌دهد: «تجمع اکسیژن در اتمسفر فقط به نحوه تولید اکسیژن بستگی ندارد. تخریب اکسیژن نیز اهمیت دارد.»

جو اولیه زمین سرشار از گازهای مصرف‌کننده اکسیژن مانند هیدروژن، کربن‌مونوکسید، هیدروژن سولفید، سولفور دی‌اکسید و متان بود. این گازها به‌طور مداوم توسط آتشفشان‌ها و همچنین براثر واکنش میان آب دریا و گدازه‌ها و نیز توسط میکروب‌ها آزاد می‌شدند. هیدروژن حاصل از واکنش میان آب دریا و گدازه هر سال بیش از ۷۰ میلیون تن اکسیژن را مصرف می‌کرد. اقیانوس‌ها نیز مملو از آهن محلول بودند که با هر اکسیژن محلولی واکنش نشان می‌دادند و آن را مصرف می‌کردند.

درمجموع، این گازها اکسیژن را به محض تولید شدن، مصرف می‌کردند. میلز می‌گوید: «برای اینکه اتمسفر با اکسیژن پر شود، فقط تولید مقدار کافی اکسیژن کافی نیست، بلکه باید تولید اکسیژن به حدی باشد که هزاران بار آن را با اکسیژن پر کنید تا اکسیژن در آن بماند.»

برای اینکه سیاره اکسیژن بیشتری به دست آورَد، به سرما نیاز بود. زمانی که زمین به اندازه کافی خنک شد، پوسته‌ی آن به شکل صفحات سخت شروع به حرکت کرد و موادی را به درون گوشته فرستاد و به خنک کردن درون سیاره کمک کرد. درنتیجه‌ی این امر، زمین از دنیایی آبی که جزایر آتشفشانی در آن پراکنده بودند، به دنیایی با قاره‌ها و کوهستان‌ها تبدیل شد.

ضخیم‌شدن پوسته زمین موجب افزایش عمق محلی شد که ماگما پیش از فوران در آن ذخیره می‌شد و درنتیجه فشار روی مواد موجود در عمق زمین را افزایش داد. این تغییر ساده، شیمی سنگ‌های مذاب و بنابراین شیمی گازهای آزادشده توسط آتشفشان‌ها را تغییر داد. داسگوپتا توضیح می‌دهد: «در یک حالت، وقتی پوسته نازک است، گازهای احیاشده را خواهید داشت. در حالت دیگر وقتی پوسته ضخیم است، گازهای اکسیدشده بیشتری خواهید داشت.» بنابراین، تولید گازهای مصرف‌کننده اکسیژن با رشد قاره‌ها کاهش پیدا کرد.

قبل از قاره‌ها، فقدان مواد مغذی مانند فسفر در آب اقیانوس‌ها ممکن است فراوانی حیات را به کمتر از ۷ درصد از توده زنده امروزه محدود کرده باشد. این امر جمعیت سیانوباکترها را محدود نگه داشته بود و تولید اکسیژن را سرکوب کرده بود. اما با رشد قاره‌ها، فرسایش مواد مغذی بیشتری را وارد اقیانوس‌ها کرد و همان‌طور که شیمی گدازه‌ها همگام با قاره‌های درحال رشد تغییر کرد، مواد مغذی از سنگ‌های غنی از فسفر آزاد شدند و میزان حیاتی را که زمین می‌توانست حمایت کند، افزایش دادند.

همان‌طور که حیات در اقیانوس‌ها شکوفا شد، فرایندی معروف به «پمپ کربن دریایی» را تقویت کرد. امروزه کل جمعیت پلانکتون‌ها در لایه سطحی اقیانوس‌های جهان هر چند روز یک بار توسط پلانکتون‌خوارها و ویروس‌ها نابود می‌شوند. درحالی‌که بیشتر کربن موجود در این کشتار به حیات جدید برمی‌گردد، مقداری از آن در بستر دریا مدفون می‌شود. به‌جز حضور ارگانیسم‌های تغذیه‌کننده، اتفاقی مشابه در زمین اولیه در حال رخ دادن بود.

کربن ارگانیک نیز با واکسیژن واکنش می‌دهد و کربن‌دی‌اکسید را تولید می‌کند. بنابراین، برای انباشته‌شدن اکسیژن در اتمسفر کربن آلی باید مدفون شود. به‌عبارت‌دیگر دفن کربن موجب افزایش اکسیژن می‌شود.

با رشد قاره‌ها، میزان آهنی که شسته می‌شد و وارد اقیانوس‌ها می‌شد، نیز افزایش پیدا کرد. این آهن به کربن آلی متصل می‌شد و از بازیافت کربن توسط میکروب‌ها ممانعت می‌کرد تا زمانی که کربن به‌طور ایمن دفن شود و بنابراین میزان دفن کربن افزایش یافت. علاوه‌بر‌این، قاره‌های بزرگ‌تر فضای بیشتری برای حوضه‌های رسوبی فراهم می‌کردند که آن‌ها نیز کربن آلی را مدفون می‌کردند و به افزایش اکسیژن کمک می‌کردند.

با وجود همه این عوامل، رویداد بزرگ اکسیژنی مانند کلید روشن خاموش ساده‌ای نبود. سوابق سنگی حاکی از نفخه‌هایی از اکسیژن است که صدها میلیون سال پیش از رویداد مذکور آغاز شده است و طی آن سطوح اکسیژن در طول ۲۰۰ میلیون سال در نوسان بوده است. پروفسور آریل انبار، از دانشگاه ایالتی آریزونا می‌گوید: «اگر جریان گازهای مصرف‌کننده اکسیژن در طول زمان کاهش یابد، به نقطه‌ای نزدیک می‌شوید که سیستم درنهایت واژگون می‌شود. با نزدیک شدن به نقطه واژگونی، باید از پایداری سیستم به‌تدریج کاسته شود.»

تغییر وضعیت اکسیژن، سیاره را در بحران فرو برد. انبار می‌گوید: «به دلیل گاز گلخانه‌ایِ متان، زمین گرم می‌ماند و سپس بوی اکسیژن می‌آید. سپس با از بین رفتن گاز گلخانه‌ای، درنهایت دوره یخبندان از راه می‌رسد.» درنتیجه، زمین بلافاصله پس از GOE وارد مجموعه‌ای از دوره‌های یخبندان معروف به «زمین ‌گوی برفی» در سراسر سیاره شد که حدود ۲۲۰ میلیون سال ادامه داشت.