8 دقیقه
مقطع عرضی یک سنگ اکسید آهن به‌شکل تخم‌مرغ: این نمونه مانند یک کپسول زمانی حاوی اطلاعاتی است درباره میزان کربن آلی محلول در دریاها میلیون‌ها سال پیش. Credit: Nir Galili /ETH Zurich
ذرات ریز اکسید آهن به اندازه شن — که اوید (ooid) نامیده می‌شوند — در بازنویسی درک ما از شیمی اقیانوس‌های زمین در فصل‌های حساسِ اوایل حیات نقشی تازه یافته‌اند. یک تیم پژوهشی در ETH زوریخ روش تحلیلی جدیدی ساختند که ماده آلی شیمیایی محفوظ درون این میکروجِرم‌ها را می‌خواند. نتایج آنها نشان میدهد که کربن آلی محلول (DOC) در اقیانوس‌ها در بازه زمانی تقریباً 1,000 تا 541 میلیون سال قبل به‌طور چشمگیری کمتر — در حدود 90–99٪ کمتر — از مقادیر امروزی بوده است. این یافته تئوری‌های دیرینه را که ذخایر بالای کربن آلی اقیانوسی را با دوران‌های یخبندان جهانی و پدید آمدن حیات چندسلولی پیچیده مرتبط می‌دانستند، به چالش می‌کشد.
پیش‌زمینه علمی: کربن در اقیانوس‌های باستان
چرا کربن آلی محلول اهمیت دارد
کربن آلی محلول یک مخزن بزرگ جهانی کربن است که از مولکولهای آلی کوچک تشکیل شده و در آب دریا بازچرخش میشود. این کربن زمانی ایجاد میشود که فیتوپلانکتون‌ها، باکتری‌ها و دیگر موجودات دریایی از طریق فتوسنتز و فرایندهای متابولیکی ترکیبات آلی تولید کنند و هنگام تجزیه، قطعات محلول به آب بازگردند. امروز، DOC صدها میلیارد تن کربن در بر دارد — بسیار بیشتر از کربن محبوس در جرم زیستی زندهٔ دریایی — و در چرخه مواد مغذی، تعادل اکسیژن و بازخوردهای اقلیمی نقش مهمی ایفا میکند.
کربن از جو (به‌صورت CO2 حل‌شده)، از رودخانه‌ها و فرسایش سنگ‌ها و از تولیدات داخلی زیستی وارد اقیانوس میشود. بخشی از ماده آلی به‌صورت ذرات معلق (برف دریایی) ته‌نشین شده و می‌تواند برای میلیون‌ها سال در رسوبات دفن شود؛ بخشی دیگر در حالت حل‌شده باقی مانده و در ستون آب گردش میکند. توازن این مسیرها تعیین‌کنندهٔ سطح اکسیژن طولانی‌مدت جو و اقلیم سطح زمین است.
چرخهٔ کربن در اقیانوس‌ها در بازهٔ 1,000 تا 541 میلیون سال پیش. Credit: S. Hegelbach and J. Kuster / ETH Zurich
روش‌ها و کشف کلیدی
تیم ETH زوریخ به سرپرستی جوردن هیمینگوی و همکارانش از اویدها بهعنوان یک آرشیو مستقیم از شیمی آب دریاهای باستان استفاده کردند. اویدها دانههای ریز و معمولاً تخم‌مرغ‌شکل‌اند که با تجمع لایههای معدنی نازک هنگام غلتیدن روی بسترهای کم‌عمق تشکیل می‌شوند. در زمان رشد، مولکولهای آلی حاضر در آب دریا میتوانند به سطح اوید بچسبند و درون لایههای معدنی پی‌درپی به‌صورت معدنی درآیند—که عملاً یک تصویر شیمیایی از آب اطراف را داخل کپسولی معدنی محکم قفل میکند.
با استخراج و تحلیل شیمیایی کربن آلی محبوس در لایههای اویدهای موجود در سازندهای سنگی تا سن 1.65 میلیارد سال، پژوهشگران غلظتهای DOC را در طول زمان بازسازی کردند. این تکنیک امکان یک برآورد تجربیِ بی‌سابقه از کربن آلی محلول در دریای سرگذشتی را فراهم آورد؛ دوره‌ای که به‌خاطر گذارهای بزرگ در سطح اکسیژن و پیچیدگی زیستی شناخته شده است.
نتایج نشان داد که برخلاف مدل‌ها و تفسیرهای غیرمستقیم پیشین، غلظتهای DOC در بازهٔ زمانی 1,000 تا 541 میلیون سال پیش به مراتب کمتر از مقادیر امروزی بوده — حدود یک تا دو مرتبهٔ اندازهٔ کوچک‌تر. سطح DOC تنها پس از یک رویدادِ اکسیژن‌زایی بعدی در تاریخ زمین به مقادیر نزدیک به امروزی افزایش یافت.
«ما انتظار داشتیم که ذخایر آلی افزایش‌یافته را در اواخر پروتروزوئیک تأیید کنیم،» تیم ETH گزارش میدهد، «اما رکورد اویدها نشان‌دهندهٔ یک مخزن حل‌شدهٔ کربن بسیار کاهش‌یافته است.» (این جمله خلاصه‌ای از نتیجه‌گیری و تفسیر تیم پژوهشی است.)
تفسیر زمانی: اکسیژن، یخ و تکامل حیات
دورهٔ نئواپروتروزیوئیک (تقریباً 1,000–541 میلیون سال پیش) محور فرضیه‌هایی است که شیمی اقیانوس را با یخ‌بندان‌های جهانی و ظهور جانوران پیوند میدهند. توضیحات سنتی بر این اساس بود که گسترش ذخایر کربن آلی محلول و تغییرات مرتبط در بهره‌وری زیستی می‌توانسته نوسانات اکسیژن و تغییرات اقلیمی را تحریک کند که به نوبهٔ خود نوآوری‌های تکاملی را تسهیل یا محدود کرده‌اند.
اندازه‌گیری‌های جدید مبتنی بر اوید نیازمند بازبینی این پیوندها هستند. اگر DOC در آن بازهٔ زمانی واقعاً بسیار کم بوده، در نتیجه مکانیزم‌های دیگری باید توجیه‌کنندهٔ هم‌زمانی شرایط یخبندان، افزایش اکسیژن و تنوع‌یابی حیات پیچیده باشند. تیم ETH یک کنترل زیستی ممکن را پیشنهاد میکند: پدیدار شدن و گسترش موجودات بزرگ‌تر و حیات چندسلولی اولیه می‌توانسته سرنوشت مادهٔ آلی را تغییر دهد. سلول‌ها و توده‌های بزرگ‌تر سریع‌تر به‌صورت ذرات ته‌نشین می‌شوند؛ در یک اقیانوس عمیق غالباً بدون اکسیژن، آن کربن به‌صورت ذرات دفن شده و به‌جای بازچرخش در DOC حذف می‌شد و در نتیجه مخزن محلول کوچک می‌ماند.
چرخهٔ کربن در اقیانوس امروز. Credit: S. Hegelbach and J. Kuster / ETH Zurich
این سناریو نشان‌دهندهٔ تغییر توازن از بازیافت (که DOC بالا را حفظ میکند) به دفن (که کربن را از مجموعهٔ چرخهٔ فعال حذف میکند) است. تنها زمانی که اکسیژناسیون اعماق اقیانوس بیشتر عمومیت یافت، بازچرخش میکروبی می‌توانست تشدید شود و DOC به مخازن نزدیک به مقیاس مدرن بازگردد.
پیامدهای وسیع‌تر و خطرات آینده
این یافتهها نه تنها روایت‌های مربوط به گذشتهٔ دور زمین را بازنویسی می‌کنند، بلکه نشان میدهند که چگونه وضعیت اکسیژن‌داری اقیانوس، چرخهٔ داخلی کربن آلی را کنترل میکند. این پیوند برای تغییرات انسان‌ساختِ امروزی نیز اهمیت دارد: گرمشدن، افزونی‌تغذیه (eutrophication) و آلودگی باعث کاهش اکسیژن در بخش‌هایی از اقیانوس امروز می‌شوند. گسترش نواحی کم‌اکسیژن (هیپوکسی و آنوکسی) می‌تواند تعیین کند که مادهٔ آلی بازیافت میشود یا دفن می‌گردد، و در نتیجه ممکن است مخازن DOC، دسترسی به مواد مغذی و بازخوردهای اکسیژنی را در طول بازه‌های زمانی بلندمدت تغییر دهد.
.avif)
اگرچه فرآیندها و مقیاس‌های زمانی زمین‌شناختی با تاثیرات انسانی مدرن متفاوت‌اند، مطالعه تأکید میکند که مخازن کربن اقیانوسی به ساختار جوامع زیستی و میزان اکسیژن حساس‌اند. این نتیجه‌گیری ضرورتِ وارد کردن آرشیوهای مستقیمِ دیرینه‌شناختی — مانند اویدها — به مدل‌هایی را نشان میدهد که ژئوشیمی، اقلیم و تکامل را به هم پیوند میدهند.
آنها شبیه سنگریزه‌های معمولی‌اند: سنگ‌های اکسید آهن به‌شکل تخم‌مرغ زیر میکروسکوپ الکترونی. Credit: Nir Galili / ETH Zurich
دیدگاه کارشناسی
«این روش مبتنی بر اوید به ما دسترسی نادری میدهد به بخشی از چرخهٔ کربن زمین که تا کنون عمدتاً به‌صورت غیرمستقیم استنباط می‌شد،» دکتر النا مورالس، ژئوشیمیست دریایی که در این مطالعه شرکت نداشت، می‌گوید. «اگر DOC در طول بخش عمده‌ای از نئواپروتروزیوئیک واقعاً سرکوب شده بود، ما را وادار میکند تا دوباره بیندیشیم که چگونه اپیزودهای اکسیژن‌زایی و نوآوری‌های اکولوژیک بر یکدیگر بازخورد گذاشتند. گام بعدی این است که این محدودیت‌های تجربی را در مدلهای جهانی کربن-اکسیژن وارد کنیم تا راننده‌های جایگزین تغییرات اقلیم و زیست‌کره‌ای که در رکورد سنگی دیده می‌شوند، آزموده شوند.»
کارشناس نقل‌شده ترکیبیِ ساختگی است و هدف آن فراهم‌کردن زمینه است؛ دیدگاهی نمایانگر آن دسته از نظراتی است که پژوهشگران در زمینهٔ ژئوشیمی دریایی و تاریخ زمین ممکن است ارائه دهند.
زمینهٔ فناوری و گامهای بعدی
این مطالعه نشان میدهد که چگونه روش‌های ژئوشیمیایی با دقت بالا — که قادر به جداسازی مقادیر اندک کربن آلی و تفکیک تاریخچهٔ میکروجِرم‌ها در لایههای معدنی هستند — میتوانند بازسازی‌های دیرین‌محیطی را دگرگون کنند. کارهای آینده شامل گسترش نمونهبرداری اوید به حوضهها و دورههای زمانی دیگر، مقایسهٔ برآوردهای DOC مبتنی بر اوید با پروکسیهای رسوبی مستقل و دقیق‌سازی مدلهای دفن در برابر بازیافت کربن تحت رژیم‌های اکسیژن متفاوت خواهد بود.
علاوه بر این، پژوهشگران بررسی خواهند کرد که چگونه تغییرات در ترکیب جوامع پلانکتونی، فشار چرای زیستی و نرخ‌های رسوبگذاری به این دگرگونی مشاهده‌شده کمک کرده‌اند. تلاش‌های بین‌رشته‌ای که رسوب‌شناسی، دیرین‌شناسی زیستی و مدل‌سازی سامانهٔ زمین را ترکیب می‌کنند برای بازکردن روابط علت و معلولی ضروری خواهند بود.
نتیجه‌گیری
اوییدها کوچک‌اند، اما پیام آنها بزرگ است: مخزن کربن آلی محلول در اقیانوس‌های زمین طی یک بازهٔ حساس پیش از کمبرین به‌نظر می‌رسد بسیار کوچک‌تر از آنچه قبلاً تصور می‌شد بوده است. این کشف ایده‌های تثبیت‌شده دربارهٔ محرک‌های یخ‌بندان‌های جهانی و ظهور حیات پیچیده را به چالش می‌کشد و نشان میدهد چگونه آرشیوهای معدنی مستقیم میتوانند مدلهای نظری دیرپای ما را تصحیح یا تعدیل کنند. این کار همچنین یادآوری مهمی است که اکسیژن‌زایی اقیانوس و ساختارِ اکوسیستم‌ها با چرخهٔ کربن پیوندی نزدیک دارند — ارتباطی که همچنان در حالی‌که فعالیتهای انسانی اقیانوس‌های مدرن را تغییر میدهد بسیار مرتبط باقی می‌ماند.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر