เว็บตรงการทำให้บรรยากาศของโลกท่วมท้นด้วยออกซิเจนอาจไม่จำเป็นต้องมีเหตุการณ์กระตุ้น

SAN FRANCISCO — บางทีตัวกระตุ้นสำหรับการเพิ่มขึ้นเว็บตรงของออกซิเจนบนโลกก็ไม่มีอะไรพิเศษ บางทีการเกิดออกซิเดชันนั้นไม่จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงของเปลือกโลกหรือวิวัฒนาการของพืชบนบก งานวิจัยใหม่ชี้ว่า การหมุนเวียนของคาร์บอนไดออกไซด์ ออกซิเจน และฟอสฟอรัสระหว่างชั้นบรรยากาศของโลก มหาสมุทร หิน และรูปแบบชีวิตที่สังเคราะห์แสงที่ง่ายที่สุดก็เพียงพอที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในก๊าซในชั้นบรรยากาศที่เกิดขึ้นในประวัติศาสตร์ของโลก

“การเปลี่ยนแปลง [ออกซิเจน] ที่เราเห็นนั้นขับเคลื่อนโดยวัฏจักร

สารอาหารของโลก” เบนจามิน มิลส์ นักชีวธรณีเคมีและนักสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่มหาวิทยาลัยลีดส์ในอังกฤษ ซึ่งนำเสนองานวิจัยในวันที่ 10 ธันวาคมในการประชุมประจำปีของสหภาพธรณีฟิสิกส์อเมริกัน กล่าว ผลการวิจัยที่นำโดยนักธรณีวิทยาของลีดส์ Lewis Alcott ได้รับการตีพิมพ์ออนไลน์ ใน วันที่ 10 ธันวาคมในScience

ชั้นบรรยากาศของโลกยุคแรกคือไอน้ำที่ผสมกันของไอน้ำ CO₂ แอมโมเนีย ไฮโดรเจนซัลไฟด์และมีเทน จากนั้นประมาณ 2.4 พันล้านปีก่อน ออกซิเจนในชั้นบรรยากาศก็พุ่งสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นคลื่นที่เรียกว่าGreat Oxidation Event ( SN: 2/6/17 ) หลังจากนั้นอีกพันล้านปี ออกซิเจนขนาดใหญ่อีกสองพัลส์สู่ชั้นบรรยากาศตามมา เหตุการณ์หนึ่งที่เรียกว่า Neoproterozoic Oxidation Event ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 800 ล้านถึง 540 ล้านปีก่อน ทำให้ระดับออกซิเจนอยู่ในระดับ 10 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ของระดับสมัยใหม่ และออกซิไดซ์พื้นผิวมหาสมุทร ในช่วงจังหวะสุดท้ายที่เรียกว่า Paleozoic Oxidation Event เมื่อประมาณ 450 ล้านถึง 400 ล้านปีก่อน ออกซิเจนเพิ่มขึ้นสู่ระดับสมัยใหม่ในชั้นบรรยากาศและแทรกซึมลงสู่มหาสมุทรลึก  

ชีพจรอันน่าทึ่งดังกล่าวขอคำอธิบาย นักวิจัยได้พิจารณาการแปรสัณฐาน

เช่น การก่อตัวของมหาทวีป การยกตัวและสภาพดินฟ้าอากาศของภูเขา และการปะทุของทุ่งลาวาอันกว้างใหญ่ที่เรียกว่าจังหวัดอัคนีขนาดใหญ่ กระบวนการดังกล่าว ความคิดไป อาจนำสารอาหารจำนวนมหาศาลเข้าสู่มหาสมุทรในช่วงเวลาสั้น ๆ ทำให้เกิดการผลิดอกของสาหร่ายที่เปลี่ยนแปลงโลกอย่างกะทันหัน นักวิจัยคนอื่นเสนอว่าการเพิ่มขึ้นสามขั้นตอนนั้นสอดคล้องกับความก้าวหน้าทางวิวัฒนาการครั้งใหญ่สามอย่าง: การเพิ่มขึ้นของสาหร่ายสังเคราะห์แสง การเฟื่องฟูและการกระจายตัวของสาหร่ายเหล่านั้น และการเพิ่มขึ้นของพืชบก

“คุณมีความคิดมากมายเกี่ยวกับสิ่งต่าง ๆ ที่อาจทำให้เกิดเหตุการณ์ทีละขั้นตอนเหล่านี้ได้” มิลส์กล่าว “แต่คุณไม่มีความเห็นพ้องต้องกัน และคุณไม่รู้ด้วยซ้ำว่ามันจำเป็นจริงๆ หรือเปล่า” การศึกษาใหม่ชี้ให้เห็นว่าการหมุนเวียนทางชีวธรณีเคมีอย่างง่ายของโลก – การรีไซเคิล คาร์บอน ออกซิเจน และฟอสฟอรัส ในระยะยาว – เพียงพอที่จะเพิ่มระดับออกซิเจนของดาวเคราะห์ในที่สุด ( SN: 10/1/19 )

นักวิจัยได้สร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์แบบง่ายๆ เพื่อพิจารณาว่าคาร์บอน ออกซิเจน และฟอสฟอรัสเคลื่อนที่อย่างไรระหว่างอ่างเก็บน้ำบนโลกและมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน

ฟอสฟอรัสซึ่งมีอยู่ในหินเท่านั้น เป็นสารอาหารหลักสำหรับสิ่งมีชีวิตตั้งแต่จุลินทรีย์ สาหร่าย ไปจนถึงพืช การเพิ่มฟอสฟอรัสจากหินที่ผุกร่อนลงในน้ำทะเลสามารถขับเคลื่อนกิจกรรมของจุลินทรีย์หรือสาหร่ายในคอลัมน์น้ำ ที่สามารถดึงออกซิเจนออกจากน้ำ ทำให้ออกซิเจนในน้ำไม่ดี หรือขาดออกซิเจน และดึงออกซิเจนออกจากตะกอนด้านล่างมากขึ้น ในที่สุด สิ่งนี้นำไปสู่การฝังคาร์บอนอินทรีย์มากขึ้นในดิน และการผลิตออกซิเจนมากขึ้น จนกระทั่งเคมีพลิกกลับอีกครั้งเมื่อน้ำเปลี่ยนเป็นออกซิเจนมาก ออกซิเจนนั้นก็สามารถหนีจากน้ำสู่ชั้นบรรยากาศได้

การเย็นตัวลงอย่างช้าๆ ของดาวเคราะห์ยังมีบทบาทในการปล่อยให้ออกซิเจนเริ่มสะสม ชั้นบรรยากาศของโลกยุคแรกไม่สามารถปล่อยให้ออกซิเจนเกาะอยู่รอบๆ ได้: ก๊าซที่หนีออกจากชั้นบรรยากาศเมื่อดาวเคราะห์เย็นตัวลงนำไปสู่สถานะทางเคมีที่เรียกว่ารีดิวซ์ ซึ่งออกซิเจนจะถูกกำจัดออกจากชั้นบรรยากาศอย่างรวดเร็วด้วยปฏิกิริยาเคมี

แต่เมื่อถึงเวลา Great Oxidation Event บรรยากาศก็ลดลงน้อยลง ไม่ชัดเจนและเป็นพื้นที่สำหรับการวิจัยในอนาคต Mills กล่าว โลกที่เย็นลงอาจปล่อยก๊าซออกมาน้อยลง หรือเคมีของก๊าซเหล่านั้นอาจได้รับการเปลี่ยนแปลงที่ทำให้มีโอกาสน้อยที่จะเอาออกซิเจนออก ( SN: 9/3/19 )

นักวิจัยได้สร้างแบบจำลองของอินพุตและเอาต์พุตที่แตกต่างกันเหล่านี้ และใช้แบบจำลองนี้เป็นเวลาหลายพันล้านปีเพื่อสังเกตว่าระดับออกซิเจนในบรรยากาศและในมหาสมุทรอาจเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลาอันเป็นผลมาจากปัจจัยเหล่านี้ ผลลัพธ์ที่ได้นั้น Mills กล่าวว่ามีความคล้ายคลึงกับบันทึกจริงของระดับออกซิเจนของโลกที่สร้างขึ้นใหม่โดยใช้บันทึกจากหิน “ข้อสรุปของเราคือไม่จำเป็นต้องมีเหตุการณ์การแปรสัณฐานหรือทางชีวภาพขนาดใหญ่” เขากล่าว และนั่นชี้ให้เห็นว่า “ชีวิตที่ซับซ้อนอาจไม่จำเป็นต้องสร้างโลกที่มีออกซิเจนสูง…. หากคุณมีแบคทีเรียสังเคราะห์แสงอย่างง่าย ๆ อย่างที่เคยมีมา [บนโลก] มาเป็นเวลา 3 พันล้านปี คุณก็สามารถเข้าถึงระดับ [ออกซิเจน] สมัยใหม่ได้” 

จนกระทั่งการศึกษาครั้งนี้ ไม่มีความพยายามที่จะสร้างประวัติศาสตร์อันยาวนานของการเกิดออกซิเดชันของโลกขึ้นใหม่ รวมถึงประวัติของฟอสฟอรัสคู่ขนาน แม้ว่าจะมี “คำใบ้เชิงประจักษ์ที่เชื่อมโยง” โนอาห์ เว็บตรง / บาคาร่าเว็บตรง