ارتفاع الأكسجين في الغلاف الجوي عبر الزمن الجيولوجي

كيف كان ارتفاع نسبة الأكسجين الجزيئي في الغلاف الجوي المبكر؟

يعتبر التعرف على طبيعة بيئة الأرض السابقة للأكسجين أمراً بالغ الأهمية للنظر في هذه المشكلة، فإذا تمكن البشر بطريقة ما من السفر عبر الزمن إلى الأرض قبل ثلاثة مليارات سنة لوجدوا أن بدلات الفضاء كانت مطلوبة، والأكثر إثارة أنه إذا كان رواد الفضاء الذين يسافرون عبر الزمن قادرين بطريقة ما على أخذ كل الأكسجين من الغلاف الجوي الحديث معهم فسيجدون أنه سيختفي بعد وقت قصير من إطلاقه.

لم يكن الأكسجين موجوداً في الغلاف الجوي المبكر فحسب بل كانت الأحواض القوية لـ (O2) وفيرة أيضاً، والمواد القابلة للأكسدة مثل الحديد والكبريتيدات والمركبات العضوية متناثرة في البيئات التي غابت عنها الآن، كما تمتص هذه المواد الكيميائية (O2) فور إطلاقها تقريباً، علاوة على ذلك مع استنفاد قدرة امتصاص الأكسجين لهذه المركبات حلت مكانها مادة جديدة تآكلت من القشرة غير المؤكسدة، وقد استمرت هذه العملية حتى كشفت دورة الصخور (الترسيب والدفن والنشاط البركاني والرفع والتعرية) عن جميع المواد القابلة للأكسدة في القشرة.

بغض النظر عن المعروض من (O2) يجب أن تستغرق العملية وقتاً (يتم إعادة تدوير نصف حجم الصخور من القشرة كل 600 مليون سنة)؛ لذلك من المهم جداً التمييز بوضوح بين الإنتاج البيولوجي الأول للأكسجين وتراكمه المستمر في الغلاف الجوي، ومن الممكن أن تكون هذه الأحداث مفصولة بمئات الملايين من السنين، ويتم التعبير عن وفرة الأكسجين في كل نقطة من حيث مقاربتها لمستوى الغلاف الجوي الحالي (PAL).

فعلى سبيل المثال نظراً لأن ضغط عنصر الأكسجين في الغلاف الجوي الحالي هو 0.21 من الغلاف الجوي (3.1 رطل لكل بوصة مربعة أو 212.7 مليبار) فإن الغلاف الجوي الكوكبي الذي يحتوي على 10٪ من هذه الكمية 0.021 (0.3 رطل لكل بوصة مربعة أو 21.3 ملي بار)، ويوصف بأنه يحتوي على مستوى أكسجين 0.1 (PAL).

نتائج ارتفاع الأكسجين في الغلاف الجوي عبر الزمن الجيولوجي:

• إنتاج الكيمياء الضوئية: إن قوة هذا المصدر محدودة بسبب اشتراط ارتفاع بخار الماء في الغلاف الجوي إلى ارتفاعات لا يتم فيها امتصاص الأشعة فوق البنفسجية الشمسية القادرة على شطر جزيئات الماء من قبل مكونات الغلاف الجوي الأخرى، وتعرقل الطبقة الباردة في الغلاف الجوي بشدة نقل بخار الماء إلى ارتفاعات عالية، ثم يتجمد بخار الماء في هذه الطبقة وبالتالي يكون معدل الإنتاج الكيميائي الضوئي لـ (O2) محدودًا.

شدة هذا القيد غير معروفة بدقة، ولكن من الواضح أن مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي لم ترتفع حتى تم تأسيس عملية التمثيل الضوئي للأكسجين بشكل جيد، وهذا لا يشير إلى أن الإنتاج الكيميائي الضوئي لـ (O2) كان ضئيلاً، بدلاً من ذلك فإنه يوضح أن قوة العملية كمصدر قد تم تجاوزها من خلال قوة أحواض الأكسجين المعاصرة (بشكل رئيسي تفاعلات التجوية المؤكسدة على سطح الأرض) وأن فترات بقاء الأكسجين كانت قصيرة جداً بحيث لا يمكن أن تتراكم تركيزات كبيرة في الغلاف الجوي، وأفضل تقدير هو أن ضغوط (O2) عند مستوى سطح البحر ومستوى الأرض كانت أقل من مستوى الضغط الجوي حينها.

• بداية عملية التمثيل الضوئي الأكسجين: يتطلب تطوير دورة كربون بوساطة بيولوجية قبل 3.5 مليار سنة تقريباً ظهور شكل من أشكال التمثيل الضوئي بحلول ذلك الوقت، ولكن يبقى الاحتمال أن الكبريت أو الهيدروجين وليس الأكسجين كان بمثابة شريك الأكسدة والاختزال (العامل الذي يزيل الإلكترونات من الكربون أثناء عملية الأكسدة)، وكما لوحظ أن بعض الرواسب التي يبلغ عمرها 3.5 مليار سنة تحتوي على أحافير دقيقة بأشكال تشبه تلك المستخدمة في البناء الضوئي للأكسجين الحديث، ومن دلائل بدئ التمثيل الضوئي الأكسجين:

1. تقدم السمات الجيوكيميائية والحفرية للصخور الرسوبية التي يبلغ عمرها 2.8 مليار سنة دليلاً أقوى على أن التمثيل الضوئي الأكسجين قد نشأ بحلول ذلك الوقت، وفي 2.8 مليار سنة تتناقص وفرة الكربون -13 في الكربون العضوي الرسوبي بشكل حاد من المستويات، والتي تم الحفاظ عليها بين 3.5 مليار و 2.9 مليار سنة ثم ترتفع ببطء وتستعيد تلك المستويات منذ حوالي 2.2 مليار سنة، وتم تفسير ذلك من منظور عابر في دورة الكربون البيوجيوكيميائية، حيث كان الميثان الحيوي (CH4) الذي يتم استنفاده بشدة في الكربون 13 بمثابة مكون متنقل مهم للدورة خلال الفترة من 2.8 مليار إلى 2.2 مليار سنة منذ.

وفق لهذا التفسير لم يكن الميثان قادراً على لعب هذا الدور إلا بعد أن أصبح (O2) متاحاً وسهل عملية التمثيل الغذائي له، ومع تناقص قوة أحواض (O2) وأصبح الغلاف الجوي يتأكسد تقل حركة الميثان واتخذت دورة الميثان شكلها الحديث، وهو نادراً ما يؤدي إلى انخفاض كبير في وفرة الكربون 13 في المواد العضوية الرسوبية.

2. تظهر أيضاً الأحافير الدقيقة التي تشبه أجهزة التمثيل الضوئي الأوكسجينية الحديثة في رواسب هذا العصر وتكون مصحوبة بسمات رسوبية (ظاهرة جيوب الغاز الأحفوري) التي يتم تفسيرها كدليل على التمثيل الغذائي الهوائي، وهكذا فإن الأدلة التي يعود تاريخها إلى ما يقرب من 2.8 مليار سنة هي أكثر وفرة وتنوعاً (جيوكيميائياً وشكلياً ورسوبياً) من تلك الموجودة في الصخور التي يبلغ عمرها 3.5 مليار سنة، على الرغم من نقاط الاتساق هذه فإن هذا الدليل ليس حاسماً.

آلية الانتقال إلى بيئة هوائية في الغلاف الجوي عبر الزمن الجيولوجي:

البيريت واليورانيت هما معادن من الحديد واليورانيوم على التوالي غير مستقرة في وجود عنصر الأكسجين، وعلى الرغم من أنه يمكن العثور عليها في بعض رواسب الأنهار الحديثة إلا أنه لا يمكن لأي منهما البقاء عليها لآلاف السنين، ومع ذلك فإن العديد من الرواسب التي يزيد عمرها عن 2.2 مليار سنة تحتوي على حبيبات مستديرة من هذه المعادن، وتشير أشكالها ومواقعها إلى التعرض الطويل والانهيار في الأنهار القديمة أو على شكل رواسب شاطئية، ولكن لا يوجد دليل على هجوم كيميائي بواسطة الأكسجين، ومن الأفضل النظر إلى الأهمية الدقيقة لهذه الملاحظة جنباً إلى جنب مع قياسات حركة الحديد في ملامح التربة الأحفورية.

إذا كانت غازات التربة (في حالة توازن مع الغلاف الجوي) تحتوي على أكسجين، فإن الحديد المكشوف أثناء تكسير معادن التربة سيتم تثبيته عن طريق الأكسدة، ولن يتم ترشيحها من آفاق التربة القريبة من السطح، على العكس من ذلك إذا كان الأكسجين غائباً أثناء تطور التربة، فإن التحليل الكيميائي للتربة الأحفورية سيكشف عن نضوب الحديد بالقرب من سطح التربة السابق، وتعتمد معدلات انحلال اليورانيت وترشيح الحديد في ملامح التربة أيضاً على وفرة ثاني أكسيد الكربون (CO2).

نظراً لاختلاف أنماط الاعتماد فإن مجموعة الأدلة القائمة على كلتا الظاهرتين تسمح بتقدير وفرة كل من ثاني أكسيد الكربون وأكسيد الكربون، ويؤدي هذا الخط من التفسير إلى استنتاج مفاده أنه منذ حوالي 2.2 مليار سنة كانت نسبة الوفرة الجزيئية لـ (O2) إلى نسبة (CO2) حوالي 1.3 (في الوقت الحالي 635)، وأن ضغط O2 كان قريباً من 0.01 (PAL)، بينما كان من كان ثاني أكسيد الكربون أعلى بحوالي تسعة أضعاف، مما هو عليه في الوقت الحاضر، كما تتفق العديد من السلطات على أن بيانات اليورانيت والتربة الأحفورية تشير إلى تطور ظروف مؤكسدة على السطح قبل 2.2 مليار سنة، لكنها تضع المستوى الأكثر احتمالا للأكسجين أقل بعامل 10 أو أكثر.