گرچه این کاهش سرعت در مقیاس زمانی انسان قابل احساس نیست، اما طی میلیونها سال تغییرات چشمگیری به وجود آورده است. یکی از این تغییرات، که شاید برای ما مهمترین باشد، ارتباط افزایش طول روزها با اکسیژندار شدن جو زمین است؛ این موضوع در مطالعهای در سال 1399 مطرح شد.
به طور خاص، جلبکهای سبز-آبی (یا سیانوباکتریها) که حدود ۲.۴ میلیارد سال پیش ظاهر شدند و رشد کردند، توانستند در روزهای طولانیتر، اکسیژن بیشتری بهعنوان محصول جانبی متابولیسم خود تولید کنند.
«یکی از پرسشهای دیرینه در علوم زمین این بوده که جو زمین چگونه به اکسیژن دست یافته و چه عواملی زمانبندی این اکسیژندار شدن را کنترل کردهاند»، گریگوری دیک، میکروبیولوژیست دانشگاه میشیگان در سال 1399 توضیح داد.
«پژوهش ما نشان میدهد که نرخ چرخش زمین – یعنی طول روز – ممکن است نقش مهمی در الگو و زمانبندی اکسیژندار شدن زمین داشته باشد.»
این داستان دو بخش اصلی دارد که در نگاه نخست ارتباط زیادی با هم ندارند: نخست اینکه چرخش زمین در حال کند شدن است.
دلیل کند شدن چرخش زمین کشش گرانشی ماه است که باعث کاهش سرعت چرخش زمین میشود، چراکه ماه به آرامی در حال دور شدن از زمین است.
طبق شواهد فسیلی، حدود ۱.۴ میلیارد سال پیش طول روزها تنها ۱۸ ساعت بوده و حتی ۷۰ میلیون سال پیش روزها نیم ساعت کوتاهتر از امروز بودهاند. شواهد نشان میدهد که طول روز هر قرن حدود ۱.۸ میلیثانیه افزایش مییابد.
بخش دوم ماجرا به رویداد بزرگ اکسیژندار شدن مربوط است – زمانی که سیانوباکتریها در مقادیر عظیم ظاهر شدند و باعث افزایش شدید و قابل توجه اکسیژن در جو زمین شدند.
بدون این رویداد، دانشمندان بر این باورند که زندگی به شکلی که امروز میشناسیم نمیتوانست شکل بگیرد؛ بنابراین با اینکه گاهی به سیانوباکتریها نگاه منتقدانه داریم، احتمالاً بدون آنها وجود نداشتیم.
(دانشگاه میشیگان)
با این حال، هنوز چیزهای زیادی درباره این رویداد ناشناخته مانده، از جمله اینکه چرا دقیقاً در آن زمان رخ داد و نه زودتر در تاریخ زمین.
پژوهشگران با مطالعه میکروبهای سیانوباکتری توانستند ارتباطات را کشف کنند. در چاهک میدل آیلند در دریاچه هیوران، فرشهای میکروبیای یافت شده که مشابه فرشهای سیانوباکتریایی مسئول رویداد بزرگ اکسیژندار شدن هستند.
در این بستر، سیانوباکتریهای بنفش که از طریق فتوسنتز اکسیژن تولید میکنند و میکروبهای سفیدی که گوگرد مصرف میکنند، با هم رقابت دارند.
شبها میکروبهای سفید به سطح فرش میآیند و گوگرد مصرف میکنند. با طلوع خورشید، آنها عقبنشینی میکنند و سیانوباکتریهای بنفش به سطح میآیند.
«در این زمان سیانوباکتریها میتوانند شروع به فتوسنتز کرده و اکسیژن تولید کنند»، جودیت کلات، زمینمیکروبیولوژیست مؤسسه ماکس پلانک برای میکروبیولوژی دریایی در آلمان میگوید.
«اما شروع فتوسنتز چند ساعت طول میکشد؛ آنها به نظر میرسد بیشتر اهل خواب صبحگاهی هستند تا سحرخیز.»
این بدان معناست که پنجره زمانی برای تولید اکسیژن در طول روز بسیار محدود است – و همین نکته توجه برایان آربیک، اقیانوسشناس دانشگاه میشیگان را جلب کرد. او به این فکر افتاد که تغییر طول روز در طول تاریخ زمین چه تأثیری بر فتوسنتز داشته است.
کلات توضیح میدهد: «ممکن است رقابت مشابهی میان میکروبها باعث تأخیر در تولید اکسیژن در زمین اولیه شده باشد.»
برای بررسی این فرضیه، تیم پژوهشی آزمایشهایی هم در محیط طبیعی و هم در شرایط آزمایشگاهی انجام دادند.
همچنین مدلسازیهای دقیقی انجام شد تا ارتباط بین تابش خورشید، تولید اکسیژن میکروبی و تاریخ زمین بررسی شود.
آرجون چنو، دانشمند علوم دریایی از مرکز تحقیقات دریایی استوایی لایبنیتس در آلمان، توضیح داد:
«شاید شهودی به نظر برسد که دو روز ۱۲ ساعته باید مشابه یک روز ۲۴ ساعته باشد – خورشید دوبار طلوع و غروب میکند و تولید اکسیژن نیز همراه با آن تغییر میکند. اما تولید اکسیژن از فرشهای باکتریایی اینگونه نیست، چون سرعت انتشار مولکولی محدودکننده است. این جدایی ظریف میان نور خورشید و آزادسازی اکسیژن، قلب این مکانیسم است.»
نتایج این پژوهش در مدلهای جهانی سطح اکسیژن وارد شد و نشان داد که افزایش طول روزها با افزایش اکسیژن زمین مرتبط بوده است – نه فقط در رویداد بزرگ اکسیژندار شدن، بلکه در رویداد دوم به نام «رویداد اکسیژندار شدن نئوپروتروزوئیک» حدود ۵۵۰ تا ۸۰۰ میلیون سال پیش.
چنو در پایان گفت:
«ما قوانین فیزیک را از مقیاسهای مولکولی تا مکانیک سیارهای به هم پیوند میدهیم. نشان میدهیم که ارتباط بنیادی بین طول روز و میزان اکسیژن آزاد شده توسط میکروبهای سطح زمین وجود دارد.»
«این واقعاً هیجانانگیز است؛ به این ترتیب، رقص مولکولها در فرشهای میکروبی را به رقص زمین و ماه پیوند میدهیم.»
این تحقیق در نشریه Nature Geoscience منتشر شده است.
نسخهای پیشین از این مقاله در دی 1399 منتشر شده بود.