زمانی که سیاره ما هنوز مکانی غیرقابل سکونت بود به‌طور تقریبی تمام اکسیژن روی زمین با فتوسنتز موجودات کوچک، سیانوباکتری‌ها تولید شد.
به گزارش سایتک دیلی، سیانوباکتری‌ها بیش از ۲.۴ میلیارد سال پیش تکامل یافتند و زمین به آرامی به سیاره غنی از اکسیژن که امروزه می‌شناسیم، تبدیل شد. جودیت کلات، زمین زیست‌شناس میکروبی می‌گوید: «ما به‌طور کامل نمی‌فهمیم چرا این زمان طولانی بوده و چه عواملی اکسیژن‌رسانی زمین را کنترل کرده است اما هنگام مطالعه توده‌های سیانوباکتریایی در گودال جزیره میدل در دریاچه هیوران در میشیگان، آمریکا که در شرایطی شبیه به زمین اولیه است، ایده‌ای ارائه کردیم.»
در این تحقیق کلات با گروهی از محققان به‌همراه گرگوری دیک از دانشگاه میشیگان همکاری کرد. آنان دریافتند، در آب موجود گودال جزیره میدل، مکانی که آب‌های زیرزمینی از کف دریاچه خارج می‌شود، اکسیژن بسیار کمی وجود دارد.
بوپی بیداندا، بوم‌شناس میکروبی از دانشگاه ایالت گرند ولی، آمریکا می‌گوید: به‌طور عمده زندگی در کف دریاچه میکروبی و شبیه شرایطی است که میلیاردها سال بر سیاره ما حاکم بوده است. میکروب‌های موجود به‌طور عمده سیانوباکتری‌های تولیدکننده اکسیژن بنفش هستند که با باکتری‌های اکسیدکننده گوگرد سفید رقابت می‌کنند. اولی با نور خورشید و دومی با کمک گوگرد انرژی تولید می‌کند.
این باکتری‌ها برای زنده ماندن هر روز چرخش کوچکی انجام می‌دهند؛ از غروب تا سپیده دم، باکتری‌های گوگردخوار در بالای سیانوباکتری‌ها قرار دارند و دسترسی آنها به نور خورشید را مسدود می‌کنند. با طلوع خورشید، گوگردخواران به سمت پایین حرکت می‌کنند و سیانوباکتری‌ها به سطح توده افزایش می‌یابند.
کلات توضیح داد: در این زمان آنها می‌توانند فتوسنتز و اکسیژن تولید کنند. با این حال، چند ساعت طول می‌کشد تا در واقع راه بیفتند و تاخیری صبحگاهی زیادی دارند. به‌نظر می‌رسد سیانوباکتری‌ها دیرتر از افراد سحرخیز بیدار می‌شوند. در نتیجه، زمان آنها برای فتوسنتز تنها به چند ساعت در روز محدود می‌شود. برایان اربیک، اقیانوس‌شناس فیزیکی در دانشگاه میشیگان، در مورد این چرخش میکروبی یک سوال جالب را مطرح کرد، «آیا این روند می‌تواند به این معنی باشد که تغییر طول روز بر فتوسنتز در تاریخ زمین تاثیر گذاشته است؟»
طول روز روی زمین همیشه ۲۴ ساعت نبوده است. اربیک بیان کرد: هنگامی که سیستم زمین و ماه شکل گرفت، روزها بسیار کوتاه‌تر و حتی به مدت ۶ ساعت کمتر بودند. سپس چرخش سیاره ما به‌دلیل کشش گرانش ماه و اصطکاک جزر و مدی کند شد و روزها طولانی‌تر شدند. برخی از محققان می‌گویند که کاهش سرعت چرخش زمین، همزمان با دوره طولانی سطح پایین اکسیژن جهانی، حدود یک میلیارد سال متوقف شده است. پس از آن وقفه، هنگامی که گردش زمین مجدد در حدود ۶۰۰ میلیون سال پیش شروع به کند شدن کرد، یک تغییر عمده دیگر در غلظت‌های اکسیژن جهانی رخ داد.
پس از اشاره به شباهت خیره‌کننده بین الگوی اکسیژن‌رسانی و میزان چرخش زمین در مقیاس‌های زمانی زمین‌شناسی، کلات مجذوب این فرضیه شد که ممکن است بین این دو پیوند وجود داشته باشد، پیوندی که فراتر از تاخیر فتوسنتز «دیربرخیزنده» از گودال جزیره میدل مشاهده شده است. کلات متوجه شد که طول روز و انتشار اکسیژن از توده‌های میکروبی با یک مفهوم بسیار اساسی و بنیادین مرتبط است؛ در روزهای کوتاه، زمان کمتری برای ایجاد افت حرارتی وجود دارد بنابراین اکسیژن کمتری می‌تواند از توده‌ها رها شود.
از توده‌های باکتریایی تا اکسیژن جهانی
کلات با آرجون چنو که با موسسه میکروب‌شناسی دریایی ماکس پلانک، آلمان فعالیت داشت، همکاری کرد و اکنون گروه خود را در مرکز تحقیقات دریایی گرمسیری لیبنیز (ZMT) در برمن، آلمان رهبری می‌کند. بر اساس یک نرم‌افزار آزاد که توسط چنو برای این تحقیق توسعه یافته است، آنان نحوه ارتباط پویایی نور خورشید با انتشار اکسیژن از توده را مورد بررسی قرار دادند.
چنو گفت: «شواهد نشان می‌دهد که دو روز ۱۲ ساعته باید شبیه یک روز ۲۴ ساعته باشد. نور خورشید دو برابر سریع‌تر بالا و پایین می‌رود و تولید اکسیژن در مرحله آهسته انجام می‌شود. اما انتشار اکسیژن از توده‌های باکتریایی این‌گونه نیست زیرا توسط سرعت انتشار مولکولی محدود می‌شود. این رهایی دقیق انتشار اکسیژن از نور خورشید در قلب این مکانیسم قرار دارد.»
برای درک چگونگی تاثیر فرآیندهای رخ داده طی یک روز بر اکسیژن‌رسانی طولانی‌مدت، کلات و همکاران وی نتایج خود را به مدل‌های جهانی سطح اکسیژن ضمیمه کردند. تجزیه‌وتحلیل نشان می‌دهد که افزایش اکسیژن ناشی از تغییر طول روز می‌تواند سطح اکسیژن را در سطح جهانی افزایش دهد. این پیوند بین فعالیت موجودات کوچک و فرآیندهای جهانی است. ما قوانین فیزیک را که در مقیاس‌های بسیار متفاوت عمل می‌کنند، از انتشار مولکولی گرفته تا مکانیک سیاره‌ها، به هم پیوند می‌دهیم. ما نشان می‌دهیم که بین طول روز و میزان اکسیژن آزاد شده توسط میکروب‌های ساکن زمین ارتباط اساسی وجود دارد و بسیار هیجان‌انگیز است. به این ترتیب ما چرخش مولکول‌ها را در توده میکروبی با چرخش سیاره خود و ماه آن پیوند می‌دهیم.
به‌طور کلی، دو رویداد مهم اکسیژن‌رسانی (جهش در غلظت اکسیژن) در تاریخ زمین، رویداد اکسیداسیون بزرگ بیش از دو میلیارد سال پیش و رویداد بعدی اکسیژناسیون نئوپروتروزوئیک (پیشین‌زیستی نو) ممکن است با افزایش طول روز مرتبط باشد. بنابراین، افزایش طول روز می‌تواند بهره‌وری خالص عمق اقیانوس را به اندازه کافی افزایش دهد تا سطوح اکسیژن جو را تحت تاثیر قرار دهد.
کلات در پایان گفت: بازی با این طیف وسیع از مقیاس‌های زمانی و مکانی بسیار گیج‌کننده و سرگرم‌کننده بود.
نتایج این تحقیق در مقاله‌ای تحت عنوان «ارتباط احتمالی بین سرعت گردش زمین و اکسیژن‌رسانی» در مجله Nature منتشر شده است.
منبع: ايسنا
در این تحقیق کلات با گروهی از محققان به‌همراه گرگوری دیک از دانشگاه میشیگان همکاری کرد. آنان دریافتند، در آب موجود گودال جزیره میدل، مکانی که آب‌های زیرزمینی از کف دریاچه خارج می‌شود، اکسیژن بسیار کمی وجود دارد.
بوپی بیداندا، بوم‌شناس میکروبی از دانشگاه ایالت گرند ولی، آمریکا می‌گوید: به‌طور عمده زندگی در کف دریاچه میکروبی و شبیه شرایطی است که میلیاردها سال بر سیاره ما حاکم بوده است. میکروب‌های موجود به‌طور عمده سیانوباکتری‌های تولیدکننده اکسیژن بنفش هستند که با باکتری‌های اکسیدکننده گوگرد سفید رقابت می‌کنند. اولی با نور خورشید و دومی با کمک گوگرد انرژی تولید می‌کند.
این باکتری‌ها برای زنده ماندن هر روز چرخش کوچکی انجام می‌دهند؛ از غروب تا سپیده دم، باکتری‌های گوگردخوار در بالای سیانوباکتری‌ها قرار دارند و دسترسی آنها به نور خورشید را مسدود می‌کنند. با طلوع خورشید، گوگردخواران به سمت پایین حرکت می‌کنند و سیانوباکتری‌ها به سطح توده افزایش می‌یابند.
کلات توضیح داد: در این زمان آنها می‌توانند فتوسنتز و اکسیژن تولید کنند. با این حال، چند ساعت طول می‌کشد تا در واقع راه بیفتند و تاخیری صبحگاهی زیادی دارند. به‌نظر می‌رسد سیانوباکتری‌ها دیرتر از افراد سحرخیز بیدار می‌شوند. در نتیجه، زمان آنها برای فتوسنتز تنها به چند ساعت در روز محدود می‌شود. برایان اربیک، اقیانوس‌شناس فیزیکی در دانشگاه میشیگان، در مورد این چرخش میکروبی یک سوال جالب را مطرح کرد، «آیا این روند می‌تواند به این معنی باشد که تغییر طول روز بر فتوسنتز در تاریخ زمین تاثیر گذاشته است؟»
طول روز روی زمین همیشه ۲۴ ساعت نبوده است. اربیک بیان کرد: هنگامی که سیستم زمین و ماه شکل گرفت، روزها بسیار کوتاه‌تر و حتی به مدت ۶ ساعت کمتر بودند. سپس چرخش سیاره ما به‌دلیل کشش گرانش ماه و اصطکاک جزر و مدی کند شد و روزها طولانی‌تر شدند. برخی از محققان می‌گویند که کاهش سرعت چرخش زمین، همزمان با دوره طولانی سطح پایین اکسیژن جهانی، حدود یک میلیارد سال متوقف شده است. پس از آن وقفه، هنگامی که گردش زمین مجدد در حدود ۶۰۰ میلیون سال پیش شروع به کند شدن کرد، یک تغییر عمده دیگر در غلظت‌های اکسیژن جهانی رخ داد.
پس از اشاره به شباهت خیره‌کننده بین الگوی اکسیژن‌رسانی و میزان چرخش زمین در مقیاس‌های زمانی زمین‌شناسی، کلات مجذوب این فرضیه شد که ممکن است بین این دو پیوند وجود داشته باشد، پیوندی که فراتر از تاخیر فتوسنتز «دیربرخیزنده» از گودال جزیره میدل مشاهده شده است. کلات متوجه شد که طول روز و انتشار اکسیژن از توده‌های میکروبی با یک مفهوم بسیار اساسی و بنیادین مرتبط است؛ در روزهای کوتاه، زمان کمتری برای ایجاد افت حرارتی وجود دارد بنابراین اکسیژن کمتری می‌تواند از توده‌ها رها شود.
از توده‌های باکتریایی تا اکسیژن جهانی
کلات با آرجون چنو که با موسسه میکروب‌شناسی دریایی ماکس پلانک، آلمان فعالیت داشت، همکاری کرد و اکنون گروه خود را در مرکز تحقیقات دریایی گرمسیری لیبنیز (ZMT) در برمن، آلمان رهبری می‌کند. بر اساس یک نرم‌افزار آزاد که توسط چنو برای این تحقیق توسعه یافته است، آنان نحوه ارتباط پویایی نور خورشید با انتشار اکسیژن از توده را مورد بررسی قرار دادند.
چنو گفت: «شواهد نشان می‌دهد که دو روز ۱۲ ساعته باید شبیه یک روز ۲۴ ساعته باشد. نور خورشید دو برابر سریع‌تر بالا و پایین می‌رود و تولید اکسیژن در مرحله آهسته انجام می‌شود. اما انتشار اکسیژن از توده‌های باکتریایی این‌گونه نیست زیرا توسط سرعت انتشار مولکولی محدود می‌شود. این رهایی دقیق انتشار اکسیژن از نور خورشید در قلب این مکانیسم قرار دارد.»
برای درک چگونگی تاثیر فرآیندهای رخ داده طی یک روز بر اکسیژن‌رسانی طولانی‌مدت، کلات و همکاران وی نتایج خود را به مدل‌های جهانی سطح اکسیژن ضمیمه کردند. تجزیه‌وتحلیل نشان می‌دهد که افزایش اکسیژن ناشی از تغییر طول روز می‌تواند سطح اکسیژن را در سطح جهانی افزایش دهد. این پیوند بین فعالیت موجودات کوچک و فرآیندهای جهانی است. ما قوانین فیزیک را که در مقیاس‌های بسیار متفاوت عمل می‌کنند، از انتشار مولکولی گرفته تا مکانیک سیاره‌ها، به هم پیوند می‌دهیم. ما نشان می‌دهیم که بین طول روز و میزان اکسیژن آزاد شده توسط میکروب‌های ساکن زمین ارتباط اساسی وجود دارد و بسیار هیجان‌انگیز است. به این ترتیب ما چرخش مولکول‌ها را در توده میکروبی با چرخش سیاره خود و ماه آن پیوند می‌دهیم.
به‌طور کلی، دو رویداد مهم اکسیژن‌رسانی (جهش در غلظت اکسیژن) در تاریخ زمین، رویداد اکسیداسیون بزرگ بیش از دو میلیارد سال پیش و رویداد بعدی اکسیژناسیون نئوپروتروزوئیک (پیشین‌زیستی نو) ممکن است با افزایش طول روز مرتبط باشد. بنابراین، افزایش طول روز می‌تواند بهره‌وری خالص عمق اقیانوس را به اندازه کافی افزایش دهد تا سطوح اکسیژن جو را تحت تاثیر قرار دهد.
کلات در پایان گفت: بازی با این طیف وسیع از مقیاس‌های زمانی و مکانی بسیار گیج‌کننده و سرگرم‌کننده بود.
نتایج این تحقیق در مقاله‌ای تحت عنوان «ارتباط احتمالی بین سرعت گردش زمین و اکسیژن‌رسانی» در مجله Nature منتشر شده است.
منبع: ايسنا