چگونه جو زمین تنفس پذیر شد؟

زمین هر روز حدود 90 تن گاز (عمدتاً هیدروژن و هلیوم) به فضا منتشر می کند. این مقدار در مقایسه با جرم جو ناچیز است، بنابراین جای نگرانی نیست.

اما قبل از رویداد بزرگ اکسیژن، از دست دادن هیدروژن و ورود آن به فضا به حدی بود که باعث عدم تعادل بین ایزوتوپ‌های هیدروژن می‌شد، زیرا هیدروژن راحت‌تر از دوتریوم، ایزوتوپ سنگین‌تر آن، فرار می‌کند. این عدم تعادل به این معنی است که زمین یک چهارم آب اقیانوس هایش را از دست داده است. پروفسور راجدیپ داسگوپتا از دانشگاه رایس توضیح می دهد: گوشته در ابتدا حاوی آب بیشتری بود و این آب به عنوان هیدروژن از گوشته خارج شد.

از دست دادن هیدروژن آب، اما حفظ اکسیژن، زمین را به سمت یک محیط اکسید کننده سوق داد. همین پدیده در مریخ نیز مشاهده می شود. مریخ اکسیژن کافی برای باقی ماندن در مریخ پس از نشت هیدروژن از آب های آن به فضا و قرمز شدن سطح آن در طول فرآیند اکسیداسیون را دارد.

روی زمین، با زمین‌شناسی فعال‌تر، واکنش‌های بیشتری با اکسیژن وجود داشت. داسگوپتا توضیح می دهد: «انباشته شدن اکسیژن در جو فقط به نحوه تولید اکسیژن بستگی ندارد. تخریب اکسیژن نیز مهم است.

جو اولیه زمین سرشار از گازهای مصرف کننده اکسیژن مانند هیدروژن، مونوکسید کربن، سولفید هیدروژن، دی اکسید گوگرد و متان بود. این گازها به طور مداوم توسط آتشفشان ها و همچنین با واکنش بین آب دریا و گدازه و همچنین توسط میکروب ها آزاد می شدند. هیدروژن حاصل از واکنش بین آب دریا و گدازه هر سال بیش از 70 میلیون تن اکسیژن مصرف می کند. اقیانوس ها نیز پر از آهن محلول بودند که با هر اکسیژن محلول واکنش نشان می داد و مصرف می کرد.

در مجموع، این گازها به محض تولید اکسیژن مصرف می کردند. میلز می گوید: «برای اینکه اتمسفر با اکسیژن پر شود، فقط تولید اکسیژن کافی نیست، بلکه باید اکسیژن کافی تولید کرد که هزاران بار آن را با اکسیژن پر کنید تا آن را حفظ کنید.

برای اینکه سیاره اکسیژن بیشتری دریافت کند، سرما لازم بود. هنگامی که زمین به اندازه کافی سرد شد، پوسته آن به شکل صفحات سفت و سخت شروع به حرکت کرد و موادی را به گوشته فرستاد و به خنک شدن فضای داخلی سیاره کمک کرد. در نتیجه، زمین از دنیای آبی که در آن جزایر آتشفشانی پراکنده بودند، به جهانی با قاره ها و کوه ها تبدیل شد.

ضخیم شدن پوسته زمین باعث افزایش عمق محل ذخیره ماگما قبل از فوران و در نتیجه افزایش فشار بر مواد در عمق زمین شد. این تغییر ساده، شیمی سنگ مذاب و در نتیجه شیمی گازهای آزاد شده توسط آتشفشان ها را تغییر داد. داسگوپتا توضیح می دهد: «در یک مورد، وقتی پوسته نازک است، گازهای بازسازی شده را خواهید داشت. در غیر این صورت، وقتی پوسته ضخیم است، گازهای اکسید شده بیشتری خواهید داشت. بنابراین با رشد قاره ها تولید گازهای مصرف کننده اکسیژن کاهش یافت.

قبل از قاره ها، کمبود مواد مغذی مانند فسفر در آب اقیانوس ها ممکن است فراوانی حیات را به کمتر از 7 درصد از توده زنده امروزی محدود کرده باشد. این امر جمعیت سیانوباکتری ها را محدود نگه داشت و تولید اکسیژن را سرکوب کرد. اما با رشد قاره‌ها، فرسایش مواد مغذی بیشتری را وارد اقیانوس‌ها کرد و با تغییر شیمی گدازه‌ها با رشد قاره‌ها، مواد مغذی از سنگ‌های غنی از فسفر آزاد شدند و میزان حیاتی که زمین می‌توانست از آن پشتیبانی کند افزایش می‌داد.

همانطور که زندگی در اقیانوس ها شکوفا شد، فرآیندی به نام “پمپ کربن دریایی” را تحریک کرد. امروزه کل جمعیت پلانکتون ها در لایه سطحی اقیانوس های جهان هر چند روز یک بار توسط پلانکتون خواران و ویروس ها از بین می رود. در حالی که بیشتر کربن موجود در این کشتار به زندگی جدید باز می گردد، بخشی از آن در بستر دریا مدفون می شود. چیزی مشابه در زمین اولیه اتفاق می افتاد، به جز حضور موجودات تغذیه کننده.

کربن آلی نیز با اکسیژن واکنش داده و دی اکسید کربن تولید می کند. بنابراین، برای انباشته شدن اکسیژن در جو، کربن آلی باید مدفون شود. به عبارت دیگر، دفن کربن باعث افزایش اکسیژن می شود.

با رشد قاره ها، میزان آهن شسته شده به اقیانوس ها نیز افزایش یافت. این آهن به کربن آلی متصل می شود و از بازیافت کربن توسط میکروب ها جلوگیری می کند تا زمانی که کربن به طور ایمن دفن شود، بنابراین سرعت دفن کربن افزایش می یابد. علاوه بر این، قاره های بزرگتر فضای بیشتری را برای حوضه های رسوبی فراهم می کردند که به نوبه خود کربن آلی را مدفون می کردند و به افزایش اکسیژن کمک می کردند.

با وجود تمام این عوامل، رویداد بزرگ اکسیژن یک کلید روشن و خاموش ساده نبود. رکورد سنگ حاکی از پفک‌های اکسیژن است که صدها میلیون سال قبل از این رویداد شروع شده و در طی آن سطح اکسیژن بیش از 200 میلیون سال در نوسان بوده است. آریل انبار، استاد دانشگاه ایالتی آریزونا، می‌گوید: «اگر جریان گازهای مصرف‌کننده اکسیژن در طول زمان کاهش یابد، به نقطه‌ای نزدیک می‌شوید که در نهایت سیستم واژگون می‌شود». با نزدیک شدن به نقطه اوج، ثبات سیستم باید به تدریج کاهش یابد.”

تغییر در وضعیت اکسیژن، سیاره را در بحران فرو برد. انبار می گوید: «به دلیل گاز گلخانه ای متان، زمین گرم می ماند و سپس بوی اکسیژن به مشام می رسد. سپس، با ناپدید شدن گازهای گلخانه ای، سرانجام عصر یخبندان فرا خواهد رسید.» در نتیجه، بلافاصله پس از GOE، زمین وارد مجموعه ای از یخبندان های سراسر سیاره به نام «زمین گلوله برفی» شد که حدود 220 میلیون سال طول کشید.