نفس‌های زمین، در فسیل‌ها

گروهی بین‌المللی از دانشمندان، با یاری روش‌هایی پیشگامانه در دانشگاه ایالتی آریزونا (ASU)؛ گام چشمگیری در مسیر رمزگشایی از رازهای نفوذ اکسیژن به اقیانوس‌ها و جو زمین برداشته‌اند.

تحول جوامع ارگانیزمی زمین، در ارتباط نزدیکی با وفور مقادیر اکسیژن، در آب‌ها و جو سیاره‌ی ماست. پژوهش جدید، نشان از ظهور یک ماهی بزرگ و گوشتخوار همراه با گیاهان آوندی، در حدود ۴۰۰ میلیون سال پیش و همزمان با وفور اکسیژن به مقادیر امروزی‌اش؛ داده‌اند.

با این حساب، حیواناتی که پیش از آن زمان پدیده آمده بودند؛ در شرایط کمبود چشمگیرتری از اکسیژن در قیاس با گمانه‌زنی‌های پیشین، تکوین و تحول یافته‌ بودند.

اعضای این تیم پژوهشی که شامل دانشمندانی از دانشگاه‌های هاروارد، دانمارک، سوئد و انگلستان بودند؛ از روشی که توسط پروفسور «آریل آنبار» (Ariel Anbar)؛ استاد دپارتمان شیمی و زیست‌شیمی، و دانشکده‌ی مطالعات زمینی و فضایی کالج هنرها و علوم لیبرال دانشگاه ایالتی آریزونا و همکاران‌اش ابداع شده بود؛ بهره جستند. در این روش، با یاری آرایش شیمیایی رسوبات کهن بستر دریا؛ برآوردهایی از تراز جهانی اکسیژن موجود در اقیانوس‌های کهن، صورت داده می‌شود.

یافته‌های حائز اهمیت حاصل از این پژوهش، در شماره‌ی این هفته‌ی نسخه‌ی آنلاین نشریه‌ی علمی «پیشرفت‌های آکادمی ملی علوم» (PNAS) با عنوان «پیوند وفور اکسیژن جوی عصر دوونین؛ با ماهیان بزرگ گوشتخوار و گسیل [اکسیژن از] گیاهان زمینی»، منتشر شده است.

آنبار که برنامه‌ی زیست‌شیمی ASU را نیز سرپرستی می‌کند؛ در این‌باره اظهار می‌دارد که: «طی چندین سال، گمانه‌زنی‌های فراوانی در خصوص یکنواختی، یا دگرگونی تراز اکسیژن جوی در ۵۰۰ میلیون سال اخیر، وجود داشته است.

این، همان دورانی‌ست که حیوانات و گیاهان خشکی‌زی پدید آمدند و نمو یافتند. از این‌رو، پرسشی مهم در مسیر فهم تاریخ تکوین حیات، مطرح است. این یافته‌های نوین، نه‌تنها اشاره به نوسان تراز اکسیژن دارند؛ بلکه نشان می‌دهند این نوسان، تأثیر مستقیمی بر تکوین حیات پیچیده نیز داشته است».

عمر زمین، ۴۵۰۰ میلیون سال است و تکوین حیات میکروبی، در اغلب این مدت احتمالاً در اقیانوس‌ها صورت می‌پذیرفته. با این‌وجود، تا حدود ۲۳۰۰ میلیون سال پیش، جو زمین فقط مقادیر اندکی اکسیژن در خود داشت.

طی این مدت، برخی از این میکروب‌های اقیانوسی، احتمالاً اکسیژن را به‌عنوان محصولی از فرآیند فتوسنتز ایجاد می‌کرده‌اند. اما مقادیر تولیدی، برای انباشت در اکثر قسمت‌های جو زمین و همچنین اقیانوس‌ها، کافی نبود. تا اینکه ۲۳۰۰ میلیون سال پیش، اوضاع موجود، با وقوع «رویداد بزرگ اکسیداسیون»، متحول شد.

۵۵۰ میلیون سال پیش بود که تراز اکسیژن، بار دیگر رشد کرد و جانوران نخستین، برای نخستین بار در قاب فسیل‌ها جای گرفتند و این آغازی شد برای دورانی که زمین‌شناسان، نام «فانروزوئیک» (Phanerozoic) را برایش انتخاب کرده‌اند؛ واژه‌ای در زبان یونانی به‌معنای «جانوران آشکار». پژوهش جدید، بر نحوه‌ی دگرگونی وفور اکسیژن طی همین دوران فانروزوئیک متمرکز است.

پژوهش مزبور، به سرپرستی دکتر «تیس دال» (Tais W. Dahl)؛ دانشجوی مقطع فوق‌دکترای دانشگاه هاروارد انجام پذیرفت. دال، چندین ماه را طی پژوهش‌های تحصیلی‌اش در آزمایشگاه آنبار در ASU سپری کرد و نحوه‌ی تدوین محاسبات لازم را از دکتر «جواینت گوردون» (Gwyneth Gordon)؛ که هم‌اکنون نویسنده‌ی مقاله‌ی مرتبط با این پژوهش است؛ آموخت. دیگر کمک‌نویسندگان، عبارتند از «دان کنفیلد» (Don Canfield)؛ ژوئشیمیست، دانشجوی دکترای دال و مشاور دانشگاه دانمارک جنوبی؛ و نیز دکتر «اندرو نول» (Andrew Knoll)؛ دیرین‌شناس و مشاور فوق‌دکترای دال در هاروارد.

دال، به‌منظور انجام محاسبات لازم برای این بررسی که در ارتباط با محاسبه‌ی مقادیر نسبی ایزوتوپ‌های مختلفی از عنصر مولیبدن در سنگ‌هایی موسوم به «رس سیاه» بود؛ به ASU بازگشت. این سنگ‌ها، در رسوبات کهن اقیانوسی پدید می‌آیند.

ایزوتوپ‌ها نیز اتم‌هایی از یک عنصرند که مثلاً در خصوص مولیبدن، فقط در جرم‌شان با هم متفاوتند و از این‌رو می‌توان که به‌راحتی از هم متمایزشان کرد. مولیبدن، هفت ایزوتوپ پایدار دارد. واکنش‌های شیمیایی، ایزوتوپ‌های سنگین‌تر را به سبک‌ترها تفکیک می‌کنند.

مثلاً ایزوتوپ کربن ۱۲- موجود در گیاهان، در قیاس با کربن مولکول‌های دی‌اکسید کربن هوا، تا ۳ درصد غنی شده است. مولیبدن نیز به‌همین‌منوال حین تفکیک‌اش از آب دریا به‌شکل رسوبات اقیانوسی، تجزیه می‌شود. ابعاد این تجزیه، وابسته به شدت حضور اکسیژن در آن محیط است.

داده‌هایی که دال آن‌ها را در ASU جمع آورد؛ نشان از وجود دست‌کم دو جهش در تراز آمیزش اکسیژن با هوا و آب در خلال عصر فانروزوئیک داد که توسط رویداد بزرگ اکسیداسیون در ۴۰۰ میلیون سال پیش، از هم تفکیک شده‌اند. استنتاجات صورت‌پذیرفته از بررسی ایزوتوپ‌های مولیبدن، با اشکار شدن فسیل یک ماهی گوشتخوار بزرگ (با طولی بالغ بر ۹ متر)، آن‌هم با قدمت ۴۰۰ میلیون سال و همزمان با وفور سطوح اکسیژن؛ مورد تأیید واقع گردید.

جانوارانی با این ابعاد، انرژی‌شان را سریعاً مصرف می‌کنند و برای سوخت‌و‌ساز خود نیازمند اکسیژن فراوانی هستند. آنبار می‌گوید: «داده‌های تیس، گویای تحول جانداران در محیط‌هایی با تراز اکسیژن کمتر از امروزشان است».

به‌همین‌واسطه رویداد اکسیداسیونی که اخیراً آشکار گشته، تفسیرگر پیدایش معماگونه‌ی این ماهی در آن زمان است. آنبار در ادامه می‌افزاید: «همیشه وقتی‌که می‌توانیم چگونگی وقوع یک تکوین زیستی به‌واسطه‌ی یک دگرگونی محیطی را نشان دهیم؛ اتفاقی خرسندکننده رخ داده. اما محرک اصلی‌مان این است که این داده‌ها برعکس‌اش را هم به ما نشان می‌دهند – یعنی‌که یک بدعت زیستی، موجبات دگرگونی‌های زیست‌محیطی را فراهم آورد».

وی اشاره به حقیقتی می‌کند که گیاهان آوندی نیز در فسیل‌های ۴۰۰ میلیون‌ساله‌شان به‌ما نشان داده‌اند. جسد این گیاهان به‌سختی از هم تجزیه شده است و همین امر، رسوب‌گذاری کربن ارکانیگ را آسان‌تر ساخته. با وقوع این رسوب‌گذاری، دیگر کربن ارگانیکی که توسط فتوسنتز ایجاد شده؛ برای واکنش دادن با اکسیژن باقی نخواهد ماند.

پس نتیجه این می‌شود که سطح اکسیژن محیط، افزایش می‌یابد. همین بدعت زیست‌شناختی گیاهان آوندی، به دفن کربن بیشتر و در نتیجه افزایش اکسیژن انجامید. از آن‌پس بود که وفور اکسیژن، موجبات تکامل جانوران بزرگ و بزرگ‌تر را فراهم آورد. آنبار می‌گوید: «این، مثالی بارز از همان چیزی‌ست که ما آن را «تکامل توأمان حیات و محیط» می‌خوانیم. دانشمندان علوم زمین از این پدیده بسیار یاد می‌کنند؛ اما به‌ندرت می‌شود چنین مثال‌هایی را یافت».

© / ترجمه: احسان سنایی / رادیوزمانه. مهر۱۳۸۹