تكشف دراسات الصخر الزيتي البحري وبيانات النظائر من فترة حدث الأكسدة العظيم عن تقلبات ديناميكية للأكسجين في الغلاف الجوي للأرض والمحيطات، مما يسلط الضوء على الطبيعة الطويلة والمعقدة لهذه المرحلة التطورية الحرجة. الائتمان: SciTechDaily.com
امتد “حدث الأكسدة الكبير” للأرض إلى 200 مليون سنة، وفقا للاكتشافات الأخيرة.
يسلط بحث جديد الضوء على مدى تعقيد حدث الأكسدة الكبير، ويكشف أن الزيادة في الأكسجين في الغلاف الجوي والمحيطات كانت عملية ديناميكية استمرت أكثر من 200 مليون سنة، وتأثرت بالعوامل الجيولوجية والبيولوجية الرئيسية لتطور الحياة.
حدث الأكسدة العظيم
منذ حوالي 2.5 مليار سنة، كان الأكسجين الحر، أو O2بدأت تتراكم إلى مستويات كبيرة في الغلاف الجوي للأرض، مما يمهد الطريق لازدهار الحياة المعقدة على كوكبنا المتطور.
يطلق العلماء على هذه الظاهرة اسم حدث الأكسدة العظيم، أو اختصارًا GOE. لكن التراكم الأولي لـ O2 على الأرض لم يكن بهذه البساطة كما يوحي هذا اللقب، وفقا لبحث جديد بقيادة عالم الكيمياء الجيولوجية في جامعة يوتا.
استمر هذا “الحدث” 200 مليون سنة على الأقل. واتبع تراكم O2 وقال تشادلين أوستراندر، الأستاذ المساعد في قسم الجيولوجيا والجيوفيزياء، إن الحياة في المحيطات كانت صعبة للغاية حتى الآن.
“تشير البيانات الناشئة إلى أن الارتفاع الأولي في O2 كان الغلاف الجوي للأرض ديناميكيًا، ويتكشف على فترات متقطعة حتى 2.2 تقريبًا. وقال أوستراندر، المؤلف الرئيسي للدراسة التي نشرت في 12 يونيو في المجلة: “قبل مليار سنة”. طبيعة. “إن بياناتنا تؤكد صحة هذه الفرضية، وتذهب إلى أبعد من ذلك من خلال توسيع هذه الديناميكية إلى المحيط. »
تشادلين أوستراندر. مصدر الصورة: تشاد أوستراندر، جامعة يوتا
نظرة عامة على الصخور البحرية
فريق البحث الدولي التابع لها، بدعم من ناسا برنامج علم الأحياء الخارجي، الذي يركز على الصخور البحرية لمجموعة ترانسفال الفائقة في جنوب أفريقيا، يوفر نظرة ثاقبة لديناميكيات أكسجين المحيطات خلال هذه الفترة الحاسمة من تاريخ الأرض. من خلال تحليل نسب النظائر المستقرة للثاليوم (Tl) والعناصر الحساسة للأكسدة والاختزال، وجدوا دليلاً على وجود تقلبات في O O البحري.2 المستويات التي تزامنت مع التغيرات في الأكسجين في الغلاف الجوي.
تساعد هذه الاكتشافات على تعزيز فهم العمليات المعقدة التي شكلت O للأرض.2 مستوياتها خلال فترة حرجة من تاريخ الكوكب مهدت الطريق لتطور الحياة كما نعرفها.
فهم ظروف المحيطات المبكرة
وقال أوستراندر، الذي انضم إلى هيئة التدريس بالجامعة العام الماضي من معهد وودز هول لعلوم المحيطات في ماساتشوستس: “نحن لا نعرف حقًا ما الذي كان يحدث في المحيطات، حيث ربما ظهرت وتطورت أشكال الحياة الأولى على الأرض”. “لذلك، معرفة O2 ربما تكون محتويات المحيطات وكيفية تغيرها بمرور الوقت أكثر أهمية لبداية الحياة من الغلاف الجوي.
يعتمد البحث على عمل المؤلفين المشاركين مع أوستراندر، سيمون بولتون من جامعة ليدز في المملكة المتحدة وأندري بيكر من جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد. في دراسة 2021اكتشف فريقهم من العلماء أن O2 ولم يصبح جزءًا دائمًا من الغلاف الجوي إلا بعد حوالي 200 مليون سنة من بدء عملية الأوكسجين العالمية، وهو وقت متأخر كثيرًا عما كان يُعتقد سابقًا.
تقلبات الأكسجين في الغلاف الجوي والمحيطات
من الأدلة الدامغة على وجود جو يعاني من نقص الأكسجين وجود توقيعات نظائر الكبريت النادرة والمستقلة عن الكتلة في السجلات الرسوبية المقدمة إلى الحكومة المصرية. عدد قليل جدًا من العمليات على الأرض يمكنها توليد توقيعات نظائر الكبريت هذه، ومن المعروف أن الحفاظ عليها في السجل الصخري يتطلب بالتأكيد غياب O في الغلاف الجوي.2.
خلال النصف الأول من وجود الأرض، كان الغلاف الجوي والمحيطات خاليًا إلى حد كبير من O.2. يبدو أن هذا الغاز تم إنتاجه بواسطة البكتيريا الزرقاء في المحيط قبل GOE، ولكن في تلك الأيام الأولى، O2 تم تدميره بسرعة من خلال التفاعلات مع المعادن المكشوفة والغازات البركانية. وجد بولتون وبيكر وزملاؤهما أن بصمات نظائر الكبريت النادرة تختفي ثم تعاود الظهور، مما يشير إلى وجود عدد من O2 الارتفاع والانخفاض في الغلاف الجوي خلال GOE. لم يكن هذا “حدثًا” واحدًا.
تحديات أكسجين الأرض
“لم تكن الأرض جاهزة للتأكسج عندما بدأ إنتاج الأكسجين. وقال أوستراندر إن الأرض احتاجت إلى وقت لتتطور بيولوجيا وجيولوجيا وكيميائيا لتكون ملائمة للأكسجين. “إنها مثل الأرجوحة. لديك إنتاج الأكسجين، ولكن هناك الكثير من تدمير الأكسجين بحيث لا يحدث شيء. ما زلنا نحاول تحديد متى سنقلب الموازين تمامًا ولن تكون الأرض قادرة على العودة إلى الغلاف الجوي الخالي من الأكسجين.
اليوم، اه2 يمثل 21% من الغلاف الجوي، من حيث الوزن، خلف النيتروجين مباشرة. ولكن بعد GOE، ظل الأكسجين مكونًا صغيرًا جدًا في الغلاف الجوي لمئات الملايين من السنين.
تقنيات تحليل النظائر المتقدمة
لتتبع وجود O2 في المحيط خلال GOE، اعتمد فريق البحث على خبرة أوستراندر في النظائر المستقرة للثاليوم.
النظائر هي ذرات من نفس العنصر تحتوي على أعداد غير متساوية من النيوترونات، مما يمنحها أوزانًا مختلفة قليلاً. وقد غذت النسب النظائرية لعنصر معين الاكتشافات في علم الآثار، والكيمياء الجيولوجية، والعديد من المجالات الأخرى.
نظائر الثاليوم ومؤشرات الأكسجين
أتاح التقدم في قياس الطيف الكتلي للعلماء إجراء تحليل دقيق لنسب النظائر للعناصر الأدنى والأدنى في الجدول الدوري، مثل الثاليوم. ولحسن حظ أوستراندر وفريقه، فإن نسب نظائر الثاليوم حساسة لدفن أكسيد المنغنيز في قاع البحر، وهي عملية تتطلب O2 في مياه البحر، قام الفريق بفحص نظائر الثاليوم في نفس الصخور البحرية التي تم عرضها مؤخرًا لتتبع O2 التقلبات خلال GOE مع نظائر الكبريت النادرة.
اكتشف أوستراندر وفريقه في الصخر الزيتي إثراء ملحوظًا في نظير الثاليوم ذي الكتلة الأخف (203Tl)، وهو نمط يمكن تفسيره بشكل أفضل من خلال دفن أكسيد المنغنيز في قاع البحر، وبالتالي تراكم O2 تم العثور على هذه التخصيبات في مياه البحر في نفس العينات التي تفتقر إلى التوقيعات النظائرية النادرة للكبريت، وبالتالي عندما لم يعد الغلاف الجوي خاليًا من الأكسجين. التثليج على الكعكة: 203تختفي تخصيبات Tl عندما تعود التوقيعات النظائرية النادرة للكبريت. تم دعم هذه النتائج من خلال إثراء العناصر الحساسة للأكسدة والاختزال، وهي أداة أكثر تقليدية لتتبع التغيرات في O.2.
“عندما تقول نظائر الكبريت أن الغلاف الجوي أصبح مؤكسجًا، تقول نظائر الثاليوم أن المحيطات أصبحت مؤكسجة. وقال أوستراندر: “حيث تقول نظائر الكبريت أن الغلاف الجوي أصبح خاليًا من الأكسجين مرة أخرى، فإن نظائر الثاليوم تقول الشيء نفسه بالنسبة للمحيطات”. “لذا كان الغلاف الجوي والمحيطات يزودان بالأكسجين ويزيلان الأكسجين معًا. هذه معلومات جديدة ومثيرة للاهتمام للمهتمين بالأرض القديمة.
المرجع: “بداية الأكسجة المزدوجة بين الغلاف الجوي والمحيطات منذ 2.3 مليار سنة” بقلم تشادلين إم. أوستراندر، وآندي دبليو هيرد، ويونشاو شو، وأندري بيكر، وسيمون دبليو بولتون، وكاسبر بي أولسن، وسون جي نيلسن، 12 يونيو، 2024, طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07551-5
