آلية تطور الغلاف الجوي والمحيطات وبدء الحياة على الأرض

ماذا حدث لكل الأكسجين الذي تم إطلاقه في الأرض قديماً؟

قد يكون من المدهش أن نعلم أن الأمر استغرق ما لا يقل عن مليار سنة قبل أن يكون هناك ما يكفي من الأكسجين في الغلاف الجوي للتطور المؤكسد، وذلك بهدف إحداث طبقات حمراء (أحجار رملية يغلب عليها اللون الأحمر بسبب طلاء الحديد المؤكسد بالكامل للحبوب الفردية)، وقد مرت 2.2 مليار سنة قبل أن يتطور عدد كبير من أشكال الحياة، قام الجيولوجيين بقبول فكرة قام بصياغتها عالم الحفريات الجيولوجي الأمريكي بريستون كلاود على نطاق واسع كإجابة على هذا السؤال، وفيما يلي ذكر عمليات بقاء الأكسجين في الغلاف الجوي:

• أنتجت الكائنات البدائية المبكرة الأكسجين الحر كمنتج ثانوي وفي غياب إنزيمات الأوكسجين الوسيطة كان ذلك ضاراً لخلاياها الحية وكان لا بد من إزالته.

• لحسن الحظ خلال تطور الحياة على الأرض المبكرة كان هناك نشاط بركاني واسع النطاق، مما أدى إلى ترسب الكثير من الحمم البركانية والتي أدى تآكلها إلى إطلاق كميات هائلة من الحديد في المحيطات.

• هذا الحديد الذي يوجد في المحيطات قابل للذوبان في الماء وبالتالي يمكن نقله بسهولة، ولكن كان لا بد من تحويله إلى حديد حديدي وهو غير قابل للذوبان بدرجة كبيرة قبل أن يترسب كتكوينات حديدية.

• باختصار أنتجت الكائنات الحية الأكسجين وقبلته تكوينات الحديد.

آلية انتاج الحديد وحفظ الأكسجين عبر تاريخ الأرض:

قام الجيولوجيين بدراسة منتجات الحديد في الأرض عبر تاريخ الكرة الأرضية، وفيما يلي ذكر أهم آليات انتاج الحديد في باطن الأرض وعلى سطحها:

• يمكن العثور على تكوينات الحديد في أقدم الرواسب (تلك التي ترسبت قبل 3.8 مليار سنة) في (Isua) في غرب جرينلاند، وبالتالي يجب أن تكون هذه العملية فعالة بحلول هذا الوقت لبقاء الأكسجين في الغلاف الجوي.

• التكوينات الحديدية التي يعود تاريخها إلى وقت ما قبل الكامبري (4.6 مليار إلى 541 مليون سنة مضت) سميكة جداً وشائعة لدرجة أنها توفر المصدر الرئيسي للحديد في العالم.

• استمر ترسيب كميات كبيرة من الحديد حتى حوالي ملياري سنة مضت، وبعد ذلك الوقت تقلصت التكوينات واختفت من السجل الرسوبي.

• قبلت الكبريتيدات أيضاً ترسيب الأكسجين في المحيطات المبكرة على شكل كبريتات في المبخرات، ولكن يتم تدمير هذه الصخور بسهولة.

• ومع ذلك يجد المرء مبخرات باريت أو جبس عمرها 3.5 مليار سنة يصل سمكها إلى 15 متر (حوالي 49 قدم) وعلى الأقل 25 كيلومتر (15.5 ميل) في منطقة بيلبارا في غرب أستراليا.

• يبدو من المحتمل أن الحديد الزائد في المحيطات المبكرة قد تم التخلص منه أخيراً منذ حوالي 1.7 مليار سنة، وقد أدى هذا الانخفاض في ترسب تكوينات الحديد إلى ارتفاع ملحوظ في محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي، والذي بدوره مكّن المزيد من (eolian) أسرة حمراء لتشكيل.

يتم توفير دليل إضافي على نقص الأكسجين في الغلاف الجوي المبكر عن طريق اليورانيت والبايرايت والباليوسولات أي التربة الأحفورية، حيث يتأكسد ديتريتال اليورانيت والبيريت بسهولة في وجود الأكسجين، وبالتالي لا ينجو من عمليات التجوية أثناء التآكل والنقل والترسب في جو مؤكسد، ومع ذلك فإن هذه المعادن محفوظة جيداً في حالتها الأصلية غير المؤكسدة في التكتلات التي يعود تاريخها إلى أكثر من 2.2 مليار سنة في عدة قارات، وتوفر الباليوسولات أيضاً أدلة قيمة، حيث كانت في حالة توازن مع الجو السائد، ومن تحليلات أقدم العصر الكامبري القديم تم تحديد أن محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي قبل 2.2 مليار سنة كان واحداً من مائة مستوى الغلاف الجوي الحالي (PAL).

إن حفريات حقيقيات النوى وهي كائنات حية تتطلب محتوى أكسجين يبلغ حوالي 0.02 )PAL) تشهد على بداية التمثيل الغذائي التأكسدي، وقد ظهرت أول حقيقيات النوى المجهرية منذ حوالي 1.4 مليار سنة، ثم تطورت أشكال الحياة ذات الأجزاء الرخوة مثل قنديل البحر والديدان في وفرة (وإن كان محلياً) في نهاية عصر ما قبل الكامبري منذ حوالي 650 مليون سنة، ويقدر أن هذا يتوافق مع مستوى أكسجين يبلغ 0.1 (PAL)، لكن بحلول الوقت الذي ظهرت فيه النباتات البرية لأول مرة منذ ما يقرب من 400 مليون سنة وصلت مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي إلى قيمها الحالية.

تنمية المحيطات عبر تاريخ الأرض:

حدث التفريغ البركاني للمواد المتطايرة بما في ذلك بخار الماء خلال المراحل الأولى من تكوين القشرة الأرضية وأدى إلى نشوء الغلاف الجوي، لكن عندما يبرد سطح الأرض إلى ما دون 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) فإن بخار الماء الساخن في الغلاف الجوي قد يتكثف ليشكل المحيطات المبكرة، وإن وجود ستروماتوليت يبلغ عمرها 3.5 مليار عام هو دليل على نشاط الطحالب الخضراء المزرقة وتشير هذه الحقيقة إلى أن سطح الأرض يجب أن يكون قد برد إلى أقل من 100 درجة مئوية بحلول هذا الوقت.

كما أن وجود هياكل الوسائد في البازلت في هذا العصر يشهد على حقيقة أن هذه الحمم البثق تحت الماء وربما حدث هذا حول الجزر البركانية في المحيط المبكر، وتدل وفرة الصخور البركانية في العصر الأركي على استمرار دور التفريغ البركاني المكثف، ولكن منذ وقت مبكر من العصر البدائي (2.5 مليار إلى 541 مليون سنة) حدث نشاط بركاني أقل بكثير، لكنه حتى ما يقرب من ملياري سنة مضت كان هناك ترسب كبير من تكوينات الحديد والكرت والعديد من الرواسب الكيميائية الأخرى، ولكن منذ ذلك الوقت تقريباً فصاعداً كانت النسب النسبية لأنواع مختلفة من الصخور الرسوبية وتكوين المعادن والعناصر النزرة فيها مشابهة جدًا لها.

مكافئات دهر الحياة (أي الصخور التي وُضعت خلال دهر دهر الحياة منذ 541 مليون سنة حتى الوقت الحاضر)، ويمكن الاستدلال من هذه العلاقة على أن المحيطات حققت خصائصها الكيميائية الحديثة وأنماط الترسيب منذ ما يقرب من ملياري سنة، وبحلول أواخر عصر ما قبل الكمبري منذ حوالي مليار سنة تم ترسيب أكاسيد الحديد كيميائياً، مما يشير إلى توفر الأكسجين الحر، وخلال فترة دهر الحياة كانت المحيطات عبارة عن أنظمة كيميائية ثابتة تتفاعل باستمرار مع المعادن المضافة إليها عن طريق التصريف من القارات ومع الغازات البركانية عند التلال المحيطية.

طبيعة الجداول الزمنية التي توضح التاريخ الجيولوجي للأرض:

يغطي التاريخ الجيولوجي للأرض أكثر من 4.5 مليار سنة من الزمن، وتم ربط أنواع مختلفة من الظواهر والأحداث في أجزاء متفرقة على نطاق واسع من العالم باستخدام مقياس زمني موحد ومقبول دولياً، لكنه يوجد في الواقع مقياسان زمنيان جيولوجيان، أحدهما نسبي أو طباقي زمني والآخر مطلق أو كرونومتر، وقد تطور مقياس الكرونوستراتيغرافي منذ منتصف القرن التاسع عشر ويتعلق بالترتيب النسبي للطبقات.

كانت الأحداث المهمة في تطورها هي إدراك المهندس والجيولوجي الإنجليزي ويليام سميث أنه في التسلسل الأفقي للطبقات الرسوبية، وتم ترسيب ما هو الآن طبقة عليا على طبقة سفلية واكتشاف الجيولوجي الاسكتلندي جيمس هوتون أن عدم المطابقة (انقطاع) يشير إلى فجوة كبيرة في الوقت، علاوة على ذلك فإن وجود الأحافير في جميع أنحاء رواسب دهر الحياة قد مكن علماء الأحافير من بناء ترتيب نسبي للطبقات، لكنه عند حدود طبقية معينة تظهر أنواع معينة من الحفريات أو تختفي أو كلاهما في بعض الحالات، وهذه الحدود الطبقية الحيوية تفصل بين وحدات زمنية أكبر أو أصغر يتم تعريفها على أنها دهور وعصور وفترات وعهود وأعمار.