Ανιχνεύοντας τη διαδρομή εμφάνισης του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα της Γης

Γεωλογικά ευρήματα υποδεικνύουν ότι ο εμπλουτισμός της γήινης ατμόσφαιρας σε οξυγόνο μέσω της φωτοσύνθεσης από βακτήρια, άρχισε 3 δισεκατομμύρια χρόνια πριν ή και ακόμη νωρίτερα. Ωστόσο, για κάποιον λόγο, χρειάστηκε περίπου μισό δισεκατομμύριο χρόνια, ώστε αυτό το οξυγόνο να συγκεντρωθεί σε αρκετή ποσότητα μέσα στην ατμόσφαιρα και άλλο ένα δισεκατομμύριο χρόνια για να φτάσει στα σημερινά επίπεδα, δίνοντας τη δυνατότητα για ανάπτυξη σύνθετης ζωής. Αυτές οι καθυστερήσεις πάντα ήταν ένα ενοχλητικό αίνιγμα για τους επιστήμονες, ορισμένοι από τους οποίους διατύπωσαν την εικασία ότι χημικές αντιδράσεις κατανάλωναν μεγάλο μέρος του αερίου ή ότι δεν επαρκούσαν ακόμη οι διαθέσιμες θρεπτικές ουσίες, για την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων.

Σελήνη

Με δημοσίευσή τους σε έγκυρο επιστημονικό περιοδικό, η Τζούντιθ Κλατ, βιοχημικός στο Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ για την Υδρόβια Μικροβιολογία, στη Βρέμη της Γερμανίας και συνάδελφοί της, διατύπωσαν μια νέα ερμηνεία γι’ αυτές τις «διαλείψεις» στη συσσώρευση οξυγόνου στην ατμόσφαιρα. Λίγο μετά τον σχηματισμό του ηλιακού συστήματος, ένας πρωτοπλανήτης μεγέθους ανάλογου με του Άρη, προσέκρουσε στη Γη και έστειλε στο Διάστημα συντρίμμια από τη σύγκρουση, από τα οποία στη συνέχεια σχηματίστηκε η Σελήνη. Η βαρυτική επίδραση του φυσικού δορυφόρου της Γης σταδιακά επιβράδυνε και συνεχίζει να επιβραδύνει την περιστροφή του πλανήτη γύρω από τον άξονά του, αυξάνοντας τη χρονική διάρκεια του ημερονυκτίου, από τις 6 ώρες, όταν η Γη ήταν νεαρή, μέχρι τις σημερινές 24. Οι επιστήμονες γνώριζαν αυτήν την επιβράδυνση εδώ και δεκαετίες και συνεχίζουν να ανακαλύπτουν τις λεπτομέρειες της διαδικασίας. Αλλά λίγοι την είχαν συνδέσει με το επίπεδο του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα, μέχρι που ο ωκεανογράφος του πανεπιστημίου του Μίσιγκαν Μπράιαν Άρμπικ, ένας από τους συγγραφείς της δημοσίευσης, να ακούσει την ανακοίνωση για τη δουλειά της Κλατ σχετικά με την μικροβιολογία του βυθού της λίμνης Χουρόν (ΗΠΑ, Καναδάς) και την ανάδυση αερίων απ’ αυτόν. Ο Άρμπικ αναρωτήθηκε τότε αν θα μπορούσε η μεταβολή της διάρκειας της μέρας να έχει επιδράσει στη φωτοσύνθεση στην κλίμακα του γεωλογικού χρόνου.

Φωτοσυνθετικά κυανοβακτήρια καλύπτουν τα βότσαλα του βυθού της λίμνης Γέλοουστοουν. Σε τέτοια βακτήρια οφείλεται ο εμπλουτισμός της ατμόσφαιρας της Γης σε οξυγόνο

Εναλλαγή θέσεων

Επειδή η καταβόθρα που μελέτησε η Κλατ στον βυθό της Χουρόν τροφοδοτείται με φτωχό σε οξυγόνο, αλλά πλούσιο σε θείο νερό από το υπέδαφος, είναι ένα μέρος που οι συνθήκες προσομοιάζουν με εκείνες της νεαρής Γης, φιλοξενώντας μεγάλες κοινότητες μικροσκοπικών βακτηρίων, που καλύπτουν τον βυθό της λίμνης με πορφυρά και λευκά πέπλα. Η Κλατ και οι συνεργάτες της μελέτησαν πώς τα φωτοσυνθετικά κυανοβακτήρια, που παράγουν οξυγόνο, «κρύβονται» τη νύχτα κάτω από τους ανταγωνιστές τους, που τρέφονται με θείο και πώς τα δύο είδη βακτηρίων εναλλάσσουν θέσεις την αυγή και το σούρουπο. Οι ερευνητές διαπίστωσαν πως, όταν οι μέρες δεν έχουν μεγάλη διάρκεια, ο χρόνος που απαιτείται, ώστε να πάρει η μια ομάδα τη θέση της άλλης ως κορυφαίο στρώμα, αποτελεί σημαντική καθυστέρηση, από τη στιγμή που ανατέλλει ο ήλιος και θα μπορούσε να αρχίσει η φωτοσύνθεση, περιορίζοντας την ποσότητα του οξυγόνου που μπορεί να παραχθεί από το στρώμα των κυανοβακτηρίων.

Μια φυσαλίδα αερίου αναδίδεται μέσα από το στρώμα κυανοβακτηρίων και θειόφιλων αναερόβιων βακτηρίων, που ανταγωνίζονται για χώρο μέσα σε μια καταβόθρα στον πάτο της λίμνης Χουρόν

Μελετώντας παραπέρα τη συμπεριφορά αυτού του οικοσυστήματος στο εργαστήριο, η Κλατ διαπίστωσε ότι αν το τεχνητό ημερονύκτιο έχει διάρκεια μικρότερη από 12 ώρες, τότε δεν παράγεται καθόλου οξυγόνο, ενώ η παραγωγή του οξυγόνου αυξάνεται σημαντικά όταν το ημερονύκτιο ξεπεράσει τις 16 ώρες. Η ίδια η Κλατ αμφισβήτησε κατά πόσον αυτό το φαινόμενο μπορεί να είχε επίδραση στην παραγωγή οξυγόνου σε πλανητικό επίπεδο, καθώς αυτή η συμβίωση κυανοβακτηρίων και μη φωτοσυνθετικών βακτηρίων μπορεί να μην υπήρξε στη νεαρή Γη. Συνειδητοποίησε όμως ότι υπήρχε κάτι ακόμη πιο βασικό, που σχετίζεται με οποιοδήποτε είδος βακτηριακού στρώματος, συμπεριλαμβανομένων κι αυτών που υπήρχαν στη Γη τον πρώτο καιρό εμφάνισης της ζωής: ακόμη κι αν η παραγωγή οξυγόνου δεν μεταβαλλόταν εξαιτίας της αύξησης της διάρκειας του ημερονυκτίου, οι μεγαλύτερες μέρες θα επέτρεπαν σε περισσότερο οξυγόνο να αναδυθεί μέσα από το νερό και να φτάσει στην ατμόσφαιρα.

Διάχυση

Αυτό συμβαίνει, επειδή η ποσότητα του οξυγόνου που βγαίνει από ένα βακτηριακό στρώμα περιορίζεται αφενός από τον βαθμό διάχυσής του μέσα από το στρώμα προς το νερό και αφετέρου από το πόσο οξυγόνο θα καταναλώσουν άλλα είδη βακτηρίων που βρίσκονται μέσα στο στρώμα. Μεγαλύτερης διάρκειας μέρες έχουν πιο εκτεταμένης χρονικής διάρκειας κορυφαία παραγωγή οξυγόνου, επιτρέποντας στο αέριο να συγκεντρωθεί μέσα στο στρώμα, πράγμα που αυξάνει τη διάχυσή του στο νερό. Επιπλέον, οι μεγαλύτερες μέρες δίνουν στο οξυγόνο περισσότερο χρόνο να δραπετεύσει πριν πέσει η νύχτα και τα μικρόβια που το καταναλώνουν απορροφήσουν όσο έχει απομείνει. Σύμφωνα με το μαθηματικό μοντέλο της διεργασίας, που ανέπτυξαν οι επιστήμονες, αυτοί οι μηχανισμοί μπορεί να είχαν ισχυρή επίδραση στα επίπεδα του ατμοσφαιρικού οξυγόνου, στην εξελικτική ιστορία της Γης.

Βεβαίως, υπάρχουν ακόμη πολλοί άγνωστοι παράγοντες, όπως το αν τα πρώιμα φωτοσυνθετικά βακτήρια ζούσαν κυρίως στον βυθό ή επέπλεαν ελεύθερα στο νερό, όπου θα μπορούσαν να απελευθερώνουν οξυγόνο χωρίς να εξαρτώνται από τη διάχυση μέσα από το βακτηριακό στρώμα. Αλλοι παράγοντες που μπορεί να επέδρασαν είναι η μείωση στο πέρασμα του χρόνου των εκπομπών ηφαιστειακών αερίων, όπως το υδρογόνο και το μεθάνιο, που δεσμεύουν το οξυγόνο, ή οι διακυμάνσεις στις διαθέσιμες ποσότητες φωσφόρου, αναγκαίου θρεπτικού συστατικού για τη φωτοσύνθεση.

Πάντως, άλλοι ερευνητές από αυτούς που έκαναν τη δημοσίευση, είναι εντυπωσιασμένοι από το πόσο ταιριάζουν οι προβλέψεις της ομάδας της Κλατ με το ιστορικό εμπλουτισμού της ατμόσφαιρας σε οξυγόνο, δηλαδή με τα δύο βήματα οξείδωσης και το παρεμβαλλόμενο δισεκατομμύριο χρόνια όπου το επίπεδο του οξυγόνου έμεινε περίπου στάσιμο, την ίδια περίοδο που και το ημερονύκτιο είχε μείνει στάσιμο στις 21 ώρες. Το μοτίβο συγκέντρωσης ατμοσφαιρικού οξυγόνου, δείχνει να ταιριάζει με τον ρυθμό επιβράδυνσης της περιστροφής της Γης.

Επιμέλεια: Σταύρος Ξενικουδάκης
Πηγή: «Scientific American»
Ριζοσπάστης