كان حدث الأكسجة العظيم، الذي حدث منذ حوالي 2.4 مليار سنة، أحد أكبر التحولات على كوكبنا. قبل ذلك، لم يكن هناك أي أكسجين عملياً في الغلاف الجوي؛ بعد ذلك، أصبح موجوداً فكيف تشكل هناك؟
تقليدياً، يُنظر إلى ارتفاع الأكسجين على أنه حياة منتصرة تعمل على إصلاح كوكب سلبي. لكننا نتعلم الآن أن الأرض كانت مشاركاً نشطاً، واستغرق الأمر عمليتي رفع كبيرتين إضافيتين من الأكسجين على مدار الملياري عام التاليين قبل أن تصل إلى مستويات تسمح بمرور الهواء. إذاً، أيهما كان مسؤولاً أكثر عن ارتفاع الأكسجين على الأرض: تطور الحياة أم تطور الكوكب؟ الطبيعة أو الرعاية؟ وهل نفس الإجابة تنطبق على كل ارتفاعات الأكسجين في ماضي الأرض؟
الأرض الغريبة
طوال الوقت قبل حدث الأكسجة العظيم، كانت الأرض فعلياً كوكباً غريباً. بصرف النظر عن ما هو واضح (كان الهواء غير قابل للتنفس)، كانت المحيطات أيضاً تفتقر إلى الأكسجين وكانت مليئة بالحديد المذاب، بينما تعرضت الأرض للإشعاع المميت بالأشعة فوق البنفسجية، حيث كان الغلاف الجوي يفتقر إلى طبقة الأوزون. حتى لوحة الألوان كانت غريبة: افتقرت الأرض إلى الأشكال المحمرّة للأوساخ وخضار الغطاء النباتي، بينما كانت السماء برتقالية زهرية بسبب ارتفاع مستويات الميثان.
بدأت الحياة في تلك البيئة الغريبة، وفي وقت ما بين 3.2 و 2.8 مليار سنة، بدأت البكتيريا الزرقاء في استخدام ضوء الشمس لفصل الهيدروجين عن الماء، والتخلص من الأكسجين كنفايات.
قال الدكتور بنجامين ميلز من جامعة ليدز: أدت الحياة إلى هذه المجموعة من التفاعلات التي يمكن أن تنتج الأكسجين، ولكن ما نعرفه من السجل الجيولوجي هو أنه لم ينتج على الفور كميات هائلة من الأكسجين في الغلاف الجوي.
من الواضح أن اختراع التمثيل الضوئي المنتج للأكسجين لم يكن كافياً في حد ذاته لتزويد الغلاف الجوي بالأكسجين.
الأرض كمؤكسج
تفقد الأرض حوالي 90 طناً من الغاز - بشكل أساسي الهيدروجين والهيليوم - في الفضاء كل يوم. هذا ضئيل مقارنة بكتلة غلافنا الجوي، لذلك لا يوجد سبب للقلق. لكن قبل حدث الأكسجة العظيم، كان فقدان الهيدروجين في الفضاء هائلاً إلى درجة أنه ترك اختلالاً بين نظائر الهيدروجين اليوم، لأن الهيدروجين يهرب بسهولة أكبر من الديوتيريوم: نظير الهيدروجين الأثقل. يظهر هذا الخلل أن الأرض فقدت ما يعادل ربع المياه التي ملأت محيطاتها بسبب فقدان الهيدروجين.
أوضح البروفيسور راجديب داسغوبتا من جامعة رايس: كان من الممكن أن يحتوي الوشاح (الطبقة العلوية من القشرة الأرضية) في البداية على كمية من الماء أكثر مما هو عليه الآن، وأن الماء خرج من الوشاح في البداية على شكل هيدروجين.
فقدان الهيدروجين من الماء: مع الحفاظ على الأكسجين دفع الأرض نحو بيئة مؤكسدة، بنفس الطريقة التي تم تطويرها على المريخ. يحتوي المريخ على كمية كافية من الأكسجين، والتي تركت بعد تسرب الهيدروجين من مياهه إلى الفضاء، لتسبب الصدأ على سطحه وتصبغه باللون الأحمر.
قال داسجوبتا عن الأرض: هناك أكسدة صافية للكوكب، بما في ذلك الغلاف الجوي، بما في ذلك القشرة والعباءة عبر الزمن.
نضج الأرض
على الأرض، مع وجود جيولوجيا أكثر نشاطاً، كان هناك العديد من الأشياء الإضافية التي يتفاعل معها الأكسجين. إن تراكم الأكسجين في الغلاف الجوي لا يقتصر فقط على كيفية إنتاج الأكسجين؛ وأوضح داسجوبتا أنه يتعلق أيضاً بكيفية تدمير أو عدم تدمير الأكسجين.
كان الغلاف الجوي المبكر للأرض مليئاً بالغازات المستهلكة للأكسجين (المختزلة)، مثل الهيدروجين وأول أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكبريت والميثان. كانت تنبعث باستمرار من البراكين، وكذلك الميكروبات ومياه البحر التي تتفاعل مع الحمم البركانية. قد يكون الهيدروجين الناتج عن تفاعلات مياه البحر والحمم البركانية قد استهلك أكثر من 70 مليون طن من الأكسجين كل عام. كانت المحيطات أيضاً مليئة بالحديد المذاب الذي يمكن أن يصدأ عند ملامسته لأي أكسجين مذاب ويستهلكه.
تمتص هذه الغازات الأكسجين بمجرد صنعه بشكل جماعي. لا تحتاج فقط إلى إنتاج ما يكفي لملء الغلاف الجوي بالأكسجين؛ قال ميلز: تحتاج إلى إنتاج ما يكفي لملئه بالأكسجين آلاف وآلاف المرات لإبقائه هناك.
كان مرحلة التبريد التي مر بها كوكب الأرض حاسمة في جعل الأرض أكثر صداقة للأكسجين. بمجرد أن أصبحت الأرض باردة بدرجة كافية، بدأت قشرتها تتحرك حول الكرة الأرضية في صفائح صلبة اصطدمت بعضها ببعض، ما أدى إلى سقوط المواد في الوشاح وساعد على زيادة تبريد باطن الكوكب. ونتيجة لذلك، تحولت الأرض من عالم مائي فيه جزر بركانية إلى عالم فيه قارات وجبال على قشرة قارية كثيفة.
زادت سماكة القشرة من العمق الذي تم تخزين الصهارة فيه قبل الانفجار، وبالتالي زيادة الضغط عليها. غيّر هذا التحول البسيط كيمياء الصخور المنصهرة، وبالتالي كيمياء الغازات المنبعثة من البراكين. قال داسجوبتا لآرس: في حالة واحدة، ستنخفض الغازات عندما تكون القشرة رقيقة. في حالة أخرى، ستحصل على المزيد من الغازات المؤكسدة عندما تكون القشرة سميكة. لذلك انخفض إنتاج الغازات الآكلة للأكسجين مع نمو القارات.
الموت يحرر الأكسجين
قبل تشكل القارات، ربما أدى نقص العناصر الغذائية مثل الفوسفور في مياه المحيطات إلى الحد من وفرة الحياة إلى أقل من 7 في المائة من الكتلة الحية اليوم. أدى هذا إلى إبقاء عدد البكتيريا الزرقاء منخفضاً، ما أدى إلى قمع إنتاج الأكسجين. ولكن مع نمو القارات، وفرت التعرية المزيد من العناصر الغذائية للمحيطات، ومع تغير كيمياء الحمم بالتنسيق مع القارات المتنامية، جاءت هذه العناصر الغذائية من الصخور الغنية بالفوسفور بشكل متزايد، ما زاد من كمية الحياة التي يمكن أن يدعمها الكوكب.
مع ازدهار الحياة في المحيطات، عُززت عملية تسمى "مضخة الكربون". اليوم، يتم قتل جميع سكان العوالق في الطبقة السطحية لمحيطات العالم بواسطة رعاة العوالق والفيروسات كل بضعة أيام. بينما يتم إعادة تدوير جزء كبير من الكربون الموجود في تلك المذبحة إلى حياة جديدة، يستقر البعض في قاع البحر حيث يتم دفنه، وهي عملية تعرف باسم "مضخة الكربون البيولوجية". باستثناء حيوانات الرعي التي لم تكن موجودة بعد، كان هناك شيء مشابه يحدث في بدايات الأرض.
يتفاعل هذا الكربون العضوي أيضاً مع الأكسجين، ما يؤدي إلى تشكل ثاني أكسيد الكربون. لذلك لكي يتراكم الأكسجين في الغلاف الجوي، يجب دفن الكربون العضوي. بعبارة أخرى، فإن دفن الكربون يعزز ارتفاع الأكسجين.
مع نمو القارات، ازداد أيضاً إمداد الحديد الذي تم غسله في المحيطات، والذي يرتبط بالكربون العضوي، مما يحميه من إعادة تدويره بواسطة الميكروبات حتى يتم دفنه بأمان بعيداً، وبالتالي تعزيز دفن الكربون. وفرت القارات الأكبر مساحة أكبر للأحواض الرسوبية التي دفنت أيضاً الكربون العضوي، ما ساعد الأكسجين على الارتفاع.
الانتقال المتذبذب
مع كل هذه العوامل المؤثرة في العملية، ربما لم يكن من المستغرب أن حدث الأكسجة العظيم لم يكن مجرد إيقاف تشغيل. يُظهر السجل الصخري أن "نفحة" من الأكسجين بدأت قبل حدث الأكسجة العظيم بمئات الملايين من السنين، ما أدى إلى تحول مناخي إلى الأكسجين في الغلاف الجوي، مع استمرار تذبذب مستويات الأكسجين لمدة 200 مليون سنة أخرى بعد ذلك.
قال البروفيسور أرييل أنبار من جامعة ولاية أريزونا: إذا كان هذا التدفق (للغازات الآكلة للأكسجين) يتناقص بمرور الوقت، فإنك تقترب من نقطة التحول حيث ينقلب في النهاية. عندما تقترب من نقطة التبديل هذه يجب أن يصبح النظام أقل استقراراً. أي ما كان قدراً هائلاً من الاختزال يصبح كمية "كافية" من الاختزال.
ممل وغير مكتمل
غير حدث الأكسجة العظيم تكوين الأرض من خلال إنتاج حوالي 3000 معدن مؤكسد لم يكن موجوداً من قبل. حوَّل ضوء الشمس في طبقة الستراتوسفير بعض الأكسجين إلى أوزون، مكوناً طبقة تحمي الأرض من تعقيم الأشعة فوق البنفسجية. تأكسد الميثان وتحول إلى ثاني أكسيد الكربون وتحول إلى اللون الأزرق السماوي؛ إلى جانب ثاني أكسيد الكربون المنبعث من البراكين، كان لدى الكوكب ما يكفي من غازات الاحتباس الحراري لمنعه من التجمد. كما ترسب الحديد المذاب في المحيطات في الغالب إلى الحديد الخام الذي يستخرج في يومنا الحالي، ويتفاعل الأكسجين مع الهيدروجين لتكوين الماء، ما يؤدي إلى إبطاء هروبها إلى الفضاء والحفاظ على محيطات الأرض. تطور نوع جديد من الخلايا -حقيقيات النوى، والعديد منها يحتوي على التمثيل الغذائي الذي يعتمد على الأكسجين- والذي مكّن في النهاية من بدء تشكل الحياة المعقدة. ومع ذلك، فإن الوعد بوجود أكسجين قابل للتنفس لم يتحقق؛ إذ بقي حوالي 1 % منه من المستويات الحالية.
لم يكن الإمداد بالغازات البركانية الآكلة للأكسجين هو الذي أبقى الأكسجين تحت السيطرة، حيث تظهر البيانات الجيوكيميائية أن هذه الإمدادات تتضاءل بشكل مطرد. إذا كانت تتحكم في مستويات الأكسجين، كان من المفترض أن يرتفع الأكسجين.
قال أنبار شارحاً: أعتقد أنه يخبرنا شيئاً عما يحد من المحيط الحيوي بشكل حقيقي، ولا يتعلق بتوفر الأكسجين أو عدمه، وليس توفر الطاقة أيضاً. إذ هناك الكثير من الطاقة على السطح. وقد اكتشفت أشكال الحياة في وقت مبكر جداً كيفية التقاطها إلى حدود، والتي يتم تحديدها من خلال توفر المغذيات.
استمرت حالة انخفاض الأكسجين هذه مليار سنة ونصف، بالتزامن مع فترة نشاط جيولوجي صامت أطلق عليها العلماء اسم "المليار الممل". على الرغم من أن أسباب وعواقب هذه الفترة المخيبة للآمال بعيدة المنال، يبدو أنه كانت هناك قارة عملاقة طويلة العمر مع نشاط محدود لبناء الجبال. مهما كانت الجبال التي كانت موجودة من قبل، فقد تم ارتداؤها على التلال، فإن مغذياتها تلاشت أو تقطعت بها السبل في منطقة طبيعية مستقرة، غير قادرة على إطعام الحياة البحرية. وعلى الرغم من بقاء سطح المحيط مليئاً بالأكسجين، إلا أن أعماق المحيط ظلت خالية من الأكسجين وبدأ الحديد المذاب في التكاثر مرة أخرى.
قال أنبار: يبدو أن لديك نوعاً من العودة إلى ظروف أكثر تناقصاً في المحيطات أكثر من ذي قبل. من الصعب أن يذوب الكثير من الحديد في مياه البحر إذا كان لديك أي أكسجين حولك.
----