در آن دوران، در جوّ زمین هیچ اکسیژن آزادی وجود نداشت و بیشتر ازت (نیتروژن) بر آن غالب بود، درست مانند امروز. اما تفاوت بزرگ این بود که میزان دیاکسید کربن بسیار بیشتر بود؛ شاید حتی تا صد برابر مقدار کنونی. همچنین بخار آب و مقادیر اندکی گازهایی مانند هیدروژن، مونوکسید کربن و چند گاز دیگر در جوّ وجود داشت. علاوه بر آن، مقدار قابلتوجهی متان نیز در جو حضور داشت.
وجود متان نکتهای بسیار کلیدی است، زیرا توضیح میدهد که حیات اولیهی زمین چگونه بوده است. متان توسط نخستین گونههای زیستی زمین تولید میشد که به آنها متانوژن (Methanogens) گفته میشود. متان در واقع محصول جانبی فرایند تولید انرژی در این موجودات ابتدایی بود؛ فرایندی که در نبود اکسیژن آزاد انجام میشد.
اما این وضعیت برای همیشه پایدار نماند. حدود ۲٫۴ میلیارد سال پیش، رخدادی عظیم در تاریخ زمین اتفاق افتاد که آن را «رویداد بزرگ اکسیژناسیون» یا Great Oxygenation Event (GOE) مینامند. در آن زمان، گونهی تازهای از میکروبها پدیدار شدند — سیانوباکترها (Cyanobacteria) — که قادر بودند از طریق فتوسنتز انرژی تولید کنند. محصول جانبی این فرآیند دیگر متان نبود، بلکه اکسیژن بود. سیانوباکترها طی صدها میلیون سال فعالیت پیوسته، به تدریج جو زمین را از اکسیژن غنی کردند، تا جایی که سرانجام اکسیژن آزاد در جوّ تجمع یافت.
این تغییر انقلابی راه را برای پیدایش حیات پیچیده هموار کرد. حضور اکسیژن در جو، امکان بهرهگیری از انرژی بسیار بیشتر از طریق تنفس را برای موجودات زنده فراهم ساخت. همین افزایش بازده انرژی، یکی از عوامل کلیدی در تکامل حیات چندسلولی و پیچیده به شمار میآید.
اما پژوهش تازهای نشان میدهد که این رویداد بزرگ، یعنی GOE، بدون حضور ناگهانی و چشمگیر یک عنصر حیاتی دیگر ممکن نبود: فسفر (Phosphorus).
این پژوهش با عنوان «فسفر دریایی و اکسیژن جوّی در جریان رویداد بزرگ اکسیژناسیون با یکدیگر همبسته بودند» در مجله Nature Communications منتشر شده است. نویسندهی اصلی مقاله، دکتر متیو داد (Matthew Dodd) از دانشکدهی زمین و اقیانوس دانشگاه استرالیای غربی است.
دانشمندان میدانند که رویداد بزرگ اکسیژناسیون (GOE) همانطور که در این نمودار ترسیم شده، یک فرایند ساده و خطی نبوده است؛ بلکه در طول آن، نوسانات و تغییرات متعددی در بخشهای مختلف اقیانوسها رخ داده است.
اعتبار تصویر: Chen و همکاران، ۲۰۲۲، Nature Communications.
در بحث حیات، معمولاً از عناصر زیادی بهعنوان عناصر حیاتی یاد میشود. کربن یکی از آنهاست؛ به همین دلیل حیات زمینی را «حیات کربنی» مینامند. در واقع، تمامی عناصر ششگانهی موسوم به CHNOPS — یعنی کربن (C)، هیدروژن (H)، نیتروژن (N)، اکسیژن (O)، فسفر (P) و گوگرد (S) — برای حیات ضروریاند.
اما یافتههای جدید نشان میدهد که فسفر نقشی محوری در رویداد اکسیژناسیون زمین و پیدایش حیات پیچیده ایفا کرده است.
زمین از نظر مقدار فسفر، نسبتاً غنی است — این عنصر یازدهمین عنصر فراوان در پوستهی زمین محسوب میشود. در عین حال، در موجودات زنده نیز بسیار حیاتی است، چرا که ستون فقرات مولکول DNA از پیوندهای فسفری تشکیل شده است. با وجود این فراوانی نسبی، فسفر از نظر زیستی بسیار محدود است.
در حقیقت، تا ۹۹ درصد فسفر زمین در هستهی فلزی آن محبوس شده است، زیرا فسفر در فلزات بسیار محلول است. در نتیجه، این مقدار هرگز در دسترس حیات قرار نخواهد گرفت.
اما پژوهش جدید نشان میدهد که مقدار قابلتوجهی از فسفر توانسته به طور دورهای وارد اقیانوسها شود. این افزایش فسفر در آب دریا موجب رشد انفجاری میکروبهای فتوسنتزی شد که متعاقباً اکسیژن بیشتری در جو آزاد کردند — پدیدهای که در دوران GOE نقش اساسی داشته است.
دکتر داد در بیانیهای خبری میگوید:
«افزایش ناگهانی فسفر در اقیانوسها باعث رشد جمعیت میکروبهای فتوسنتزی شد. این امر به دفن بیشتر کربن آلی و در نتیجه انباشت اکسیژن آزاد در جو انجامید — نقطه عطفی که در نهایت زمینه را برای شکلگیری حیات پیچیده فراهم کرد.»
فسفر مانند پدال گاز زیستی عمل میکند؛ هرچه مقدار فسفر بیشتر باشد، فعالیت زیستی بیشتر میشود و برعکس. برای اندازهگیری میزان فسفر در اقیانوسهای باستانی، پژوهشگران باید از سرنخهای زمینشناسی بهره بگیرند.
یکی از قویترین شواهد وجود این رویداد، تشکیلهای آهن نواری (Banded Iron Formations) هستند؛ لایههایی متناوب از اکسیدهای آهن و چرتِ (سیلیس) فقیر از آهن که در آب دریا شکل گرفتند و نتیجهی حضور اکسیژن تولیدشده توسط باکتریهای فتوسنتزکننده بودند.
اعتبار تصویر: Graeme Churchard از بریستول، بریتانیا – Dales Gorge. بارگذاریشده توسط PDTillman، با مجوز CC BY 2.0
در این مطالعه، دادهها بر اساس سنگهای کربناتهی باستانی بهدست آمدهاند. سنگهای کربناته، مانند آهک و دولومیت، معمولاً در محیطهای دریایی تهنشین میشوند و اطلاعات ارزشمندی دربارهی تاریخ اقلیمی و ترکیب شیمیایی اقیانوسها در خود دارند.
به گفتهی پژوهشگران:
«مواد معدنی کربناته عناصر را بهطور متناسب با غلظت آنها در آب دریا در ساختار بلوری خود جذب میکنند. بنابراین، با بررسی غلظت فسفات در این مواد و در نظر گرفتن شرایط شیمیایی محیط (مانند pH، قلیائیت، دما و نوع کانی)، میتوان غلظت فسفر دریایی در دورانهای باستان را برآورد کرد.»
در این پژوهش، تمرکز بر روی شاخصی به نام فسفات همراه با کربنات (CAP) بوده است، که به عنوان نمایندهای از میزان فسفر در اقیانوسهای باستانی استفاده میشود. نتایج نشان داد که مقدار CAP با امضای ایزوتوپی کربن که فعالیت زیستی و ذخیره شدن کربن در سنگها را ثبت میکند، همبستگی دارد.
داد و همکارانش هزاران شبیهسازی عددی انجام دادند و دریافتند که افزایشهای موقتی فسفر در اقیانوسها موجب اکسیژناسیون سریع جو شده و اثر آن در سنگها به صورت تغییرات ایزوتوپی کربن باقی مانده است.
در مقاله آمده است:
«ما با استفاده از شاخص CAP، غلظت فسفر اقیانوسی در دوران GOE را از روی نمونههای رسوبی جهانی بازسازی کردیم. نتایج نشان میدهد که CAP و ترکیب ایزوتوپی کربن معدنی در رسوبات دریایی همزمان تغییر کردهاند، که نشانگر نوسانات همزمان در فسفر دریایی، بهرهوری زیستی و اکسیژن جو است.»
به عبارت دیگر، افزایش فسفر موجب رشد گستردهی موجودات فتوسنتزی در دریاها شد که خود باعث تولید اکسیژن بیشتر در جو گردید. همزمان، دفن بیشتر کربن در سنگها نیز باعث آزاد شدن اکسیژن اضافی شد.
اما سؤال مهم این است: فسفر از کجا آمده بود؟
در اقیانوسهای اولیه، فسفات وجود داشت، اما از نظر شیمیایی غیرفعال بود. در اقیانوسهای دوران پرکامبرین، آهن با فسفات ترکیب میشد و آن را از دسترس حیات خارج میکرد. همچنین، میزان سولفات (SO₄) در آن دوران محدود بود، در حالی که سولفات نقش مهمی در بازیافت فسفر آلی دارد.
اما پژوهش نشان میدهد که در بخشی از دوران GOE، این محدودیتها کاهش یافتند. همین امر سبب شد دریچهی آزادسازی فسفر باز شود و به انفجار زیستی و افزایش اکسیژن در جو بینجامد.
دکتر داد توضیح میدهد:
«اکسیژن مانند ارز حیاتی برای حیات پیچیده است. هنگامی که سطح فسفر در اقیانوسهای اولیه افزایش یافت، فتوسنتز با شدت بیشتری انجام شد. دفن بیشتر کربن آلی باعث شد اکسیژن آزاد در جو تجمع یابد و اینگونه زمین نخستین نفس بزرگ خود را کشید.»
مطالعهی دقیق تاریخ زمین نه تنها رازهای گذشتهی خود ما را آشکار میکند، بلکه به درک ما از سیارات فراخورشیدی (Exoplanets) نیز کمک میکند. زیستاخترشناسان معمولاً اکسیژن را به عنوان نشانهی زیستی (Biosignature) در جستجوی حیات در سیارات دیگر در نظر میگیرند، زیرا در زمین، افزایش اکسیژن مستقیماً با ظهور حیات مرتبط است.
اما اکسیژن میتواند بهصورت غیرزیستی (Abiotic) نیز تولید شود. در این زمینه، نقش فسفر به عنوان یک شاخص مکمل اهمیت مییابد، چرا که میتواند نشان دهد آیا اکسیژن واقعاً محصول فعالیت زیستی است یا نه.
داد در پایان میگوید:
«اخترشناسان معمولاً جوهای غنی از اکسیژن را بهعنوان نشانهی وجود حیات هدف میگیرند، اما از نظر اصولی، اکسیژن میتواند بدون زیستشناسی نیز شکل گیرد. با شناسایی فسفر به عنوان عاملی کلیدی که اقیانوسها، زیست و جو را به هم پیوند میدهد، ما مسیر زیستیِ قابلآزمایشی را برای ایجاد و حفظ اکسیژن در سیارات زنده پیشنهاد میکنیم.»
او در نهایت میافزاید:
«این یافتهها چارچوبی برای تفسیر حضور اکسیژن در جو سیارات فراخورشیدی فراهم میآورد و به ما کمک میکند بفهمیم کجاها احتمال وجود حیات واقعاً بیشتر است.»
به بیان ساده، فسفر نه تنها کلید آغاز حیات پیچیده در زمین بود، بلکه میتواند بهعنوان نشانهای جهانی از حضور زیست در دیگر جهانها نیز شناخته شود — پلی میان زمین زنده و کیهان بیکران.