اما پژوهشگران ژاپنی در مقالهای که در نشریه Nature منتشر کردهاند، شواهد قانعکنندهای ارائه دادهاند که نشان میدهد اقیانوسهای زمین در گذشتهای دور سبزرنگ بودهاند.
دلیل اینکه ممکن است اقیانوسهای زمین در گذشته رنگ متفاوتی داشتهاند، به ترکیب شیمیایی آن زمان و تحول فتوسنتز مربوط میشود. وقتی دانشجوی کارشناسی زمینشناسی بودم، دربارهی اهمیت نوعی سنگواره به نام تشکیل آهن نواری (Banded Iron Formation) برای ثبت تاریخ سیاره، آموزش دیدم.
این سنگوارهها در دوران آرکئن و پالئوپروتروزوئیک تشکیل شدند؛ یعنی تقریباً بین ۳.۸ تا ۱.۸ میلیارد سال پیش. در آن زمان، حیات فقط به صورت موجودات تکسلولی در اقیانوسها وجود داشت. قارهها صحنهای خشک و بیروح از سنگها و رسوبات خاکستری، قهوهای و سیاه بودند.
بارانی که بر صخرههای قارهای میبارید، آهن را در خود حل کرده و رودخانهها آن را به دریا میبردند. منبع دیگر آهن، آتشفشانهای کف اقیانوس بودند. این آهنها بعدتر نقش مهمی ایفا میکنند.
دوران آرکئن، زمانی بود که جو و اقیانوسهای زمین فاقد اکسیژن گازی بودند. در همان دوران، نخستین موجوداتی که توانایی تولید انرژی از نور خورشید را داشتند، پدیدار شدند. این موجودات از فتوسنتز بیهوازی استفاده میکردند؛ یعنی بدون نیاز به اکسیژن.
اما محصول جانبی این نوع فتوسنتز، گاز اکسیژن بود. این اکسیژن با آهن موجود در آب دریا واکنش میداد. تنها وقتی تمام آهن دریا با اکسیژن واکنش داد و خنثی شد، اکسیژن توانست بهصورت گاز آزاد وارد جو شود.
در نهایت، فتوسنتز اولیه به رویدادی بزرگ به نام رخداد بزرگ اکسایش منجر شد؛ نقطهی عطفی در تحول زمین که امکان پیدایش حیات پیچیده را فراهم کرد. این مرحله، گذار زمین از حالتی تقریباً بدون اکسیژن به حالتی با اکسیژن فراوان در اقیانوس و جو بود.
نوارهای رنگی موجود در سنگوارههای آهن نواری، این گذار را ثبت کردهاند: تناوب بین رسوبات آهنیِ بدون اکسیژن و آهن قرمز اکسیدشده.
شواهدی برای اقیانوسهای سبز
مطالعهی جدید با مشاهدهای آغاز میشود: آبهای اطراف جزیره آتشفشانی ایوو جیما در ژاپن دارای رنگ سبز هستند که با نوعی از آهن اکسیدشده به نام Fe(III) مرتبط است. در این آبهای سبزرنگ، سیانوباکتریها (که بهطور نادرست “جلبکهای سبز-آبی” نامیده میشوند) رشد خوبی دارند.
با وجود نامشان، این موجودات در واقع باکتریهای اولیهاند، نه جلبک واقعی. در دوران آرکئن، نیاکان این باکتریها در کنار دیگر میکروارگانیسمهایی زندگی میکردند که به جای آب، از آهن دو ظرفیتی بهعنوان منبع الکترون برای فتوسنتز استفاده میکردند. این موضوع نشاندهندهی فراوانی آهن در اقیانوسهای آن زمان است.
موجودات فتوسنتزکننده از رنگدانههایی مثل کلروفیل برای تبدیل دیاکسیدکربن به قند با استفاده از انرژی خورشید بهره میگیرند. کلروفیل، گیاهان را سبز میکند.
اما سیانوباکتریها ویژگی خاصی دارند: علاوه بر کلروفیل معمولی، یک رنگدانهی دوم به نام فیکواریتر بیلین (PEB) نیز دارند.
در مطالعهی جدید، پژوهشگران نشان دادهاند که سیانوباکتریهای اصلاحشدهی ژنتیکی که دارای PEB هستند، در آبهای سبزرنگ بهتر رشد میکنند.
با اینکه کلروفیل در جذب نور سفید مرئی بسیار مؤثر است، اما PEB در شرایط نور سبز کارایی بالاتری دارد.
پیش از گسترش فتوسنتز و حضور اکسیژن، اقیانوسها پر از آهن محلول و احیاشده بودند (آهنی که بدون حضور اکسیژن رسوب کرده بود).
با ظهور فتوسنتز در دوران آرکئن، اکسیژن تولیدشده باعث اکسید شدن آهن در آب دریا شد. شبیهسازیهای رایانهای این مطالعه نیز نشان دادهاند که اکسیژن آزادشده، منجر به شکلگیری ذرات آهن اکسیدشده در غلظتی میشود که باعث سبز شدن سطح آب میگردد.
وقتی همهی آهن در اقیانوس اکسید شد، اکسیژن آزاد (O₂) توانست در اقیانوسها و جو زمین ظاهر شود. یکی از پیامدهای مهم این پژوهش این است که سیاراتی که از فضا نقطههایی سبز-پریده به نظر میرسند، میتوانند میزبان حیات فتوسنتزی اولیه باشند.
تغییرات در ترکیب شیمیایی اقیانوسها تدریجی بود. دورهی آرکئن ۱.۵ میلیارد سال به طول انجامید که بیش از نیمی از تاریخ زمین را در بر میگیرد. در مقایسه، کل تاریخ پیدایش و تکامل حیات پیچیده تنها حدود یک هشتم از تاریخ زمین را تشکیل میدهد.
تقریباً با اطمینان میتوان گفت که رنگ اقیانوسها در این مدت بهتدریج و شاید نوسانی تغییر کرده است. این میتواند دلیل آن باشد که سیانوباکتریها هر دو نوع رنگدانهی فتوسنتزی را تکامل دادند.
کلروفیل برای نور سفید خورشیدِ امروزی مناسبتر است، اما توانایی جذب نور سبز و سفید، یک مزیت تکاملی بوده است.
آیا رنگ اقیانوسها باز هم تغییر خواهد کرد؟
درس اصلی مقالهی ژاپنی این است که رنگ اقیانوسها به ترکیب شیمیایی آب و تأثیرات زیستی وابسته است.
میتوان بدون توسل به داستانهای علمی-تخیلی، رنگهای متفاوتی را برای اقیانوسها متصور شد.
اقیانوسهای بنفش میتوانند روی زمین شکل بگیرند اگر میزان گوگرد زیاد باشد. این شرایط میتواند ناشی از فعالیت شدید آتشفشانی و کمبود اکسیژن در جو باشد، که باعث غلبهی باکتریهای گوگردی بنفش خواهد شد.
اقیانوسهای قرمز نیز بهطور نظری در اقلیمهای گرمسیری شدید ممکناند، جایی که آهن اکسیدشده قرمز از تجزیهی سنگهای خشکی تولید شده و توسط رودخانهها یا باد به دریا حمل میشود.
همچنین اگر نوعی از جلبکهای مرتبط با پدیدهی شکوفایی قرمز (red tides) سطح اقیانوسها را فرا بگیرد.
این جلبکها در مناطقی با غلظت بالای کودهای شیمیایی، مانند نیتروژن، رایجاند — بهویژه در مناطق ساحلی نزدیک فاضلابها.
با پیر شدن خورشید، ابتدا شدت تابش آن افزایش مییابد که موجب تبخیر بیشتر سطح و افزایش تابش فرابنفش خواهد شد. این شرایط ممکن است به نفع باکتریهای گوگردی بنفش ساکن اعماق بیاکسیژن باشد.
در نتیجه، نواحی ساحلی یا لایهلایهشده میتوانند رنگهایی چون بنفش، قهوهای یا سبز به خود بگیرند و رنگ آبی تیرهی امروزی کمتر دیده شود، زیرا فیتوپلانکتونها کاهش مییابند.
در نهایت، اقیانوسها بهکلی تبخیر خواهند شد چون خورشید آنقدر بزرگ میشود که مدار زمین را در بر خواهد گرفت.
در مقیاسهای زمینشناسی، هیچچیز دائمی نیست، و بنابراین، تغییر رنگ اقیانوسها نیز امری اجتنابناپذیر است.
— سدریک ام. جان، استاد و رئیس بخش دادهپردازی محیطزیست و پایداری، دانشگاه کویین مری لندن
