ไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้เห็นการระเบิดของการค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบ บางส่วนของโลกเหล่านั้นอยู่ในสิ่งที่เราคิดว่า "เขตเอื้ออาศัยได้" อย่างน้อยในการสังเกตเบื้องต้น แต่มีกี่คนที่จะมีบรรยากาศที่ช่วยชีวิตและมีออกซิเจนอยู่ในเส้นเลือดเดียวกันกับของโลก?
การศึกษาใหม่ชี้ให้เห็นว่าบรรยากาศที่ระบายอากาศอาจไม่ได้หายากอย่างที่เราคิดไว้บนดาวเคราะห์ที่มีอายุเท่าโลก
โลกใช้เวลานานในการพัฒนาบรรยากาศที่มีออกซิเจนในขณะนี้ จนกระทั่งประมาณ 2.4 พันล้านปีก่อนดาวเคราะห์ของเรามีออกซิเจนน้อยกว่ามากในชั้นบรรยากาศและมหาสมุทร ทุกอย่างเปลี่ยนไปเมื่อเกิดเหตุการณ์ที่เกิดออกซิเจนขึ้น คนแรกในสามคนที่หล่อหลอมโลก
แบบจำลองออกซิเจนสามขั้นตอนของโลกนั้นค่อนข้างเป็นที่เข้าใจและยอมรับกันอย่างกว้างขวางแม้ว่ามันจะไม่ขัดแย้งกันก็ตาม โมเดลสรุปการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญสามครั้งในประวัติศาสตร์โลกโดยแต่ละอันมีการเปลี่ยนแปลงชั้นบรรยากาศของโลกอย่างมีนัยสำคัญโดยการเพิ่มออกซิเจนมากขึ้น
สามเหตุการณ์คือ:
- เหตุการณ์ออกซิเดชันครั้งใหญ่เกิดขึ้นประมาณ 2.4 พันล้านปีก่อนในช่วงยุค Paleoproterozoic ในเหตุการณ์นี้ออกซิเจนที่ผลิตทางชีวภาพสะสมอยู่ในมหาสมุทรและบรรยากาศซึ่งอาจนำไปสู่การสูญพันธุ์ครั้งแรก
- เหตุการณ์ออกซิเจนของ Neoproterozoic นั้นเพิ่มขึ้นอย่างมากในระดับออกซิเจนและก่อนหน้าการระเบิดของ Cambrian เมื่อประมาณ 540 ล้านปีก่อน
- เหตุการณ์ Paleozoic Oxygenation เกิดขึ้นประมาณ 400 ล้านปีที่แล้วและเห็นว่ามีออกซิเจนถึงระดับปัจจุบันประมาณ 21%
ประวัติของการเกิดออกซิเจนของโลกนั้นซับซ้อน มันไม่ใช่ความก้าวหน้าเชิงเส้น ตอนแรกออกซิเจนถูกผลิตเป็นผลพลอยได้จากสิ่งมีชีวิตและส่วนใหญ่ถูกดูดซับโดยเปลือกโลก ออกซิเจนมีปฏิกิริยาสูงและก่อตัวสารประกอบทุกชนิดพร้อมองค์ประกอบอื่น ๆ และถูกขังอยู่ในเปลือกโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่งมันทำปฏิกิริยากับเหล็กเพื่อผลิตเหล็กออกไซด์ในบันทึกทางธรณีวิทยาซึ่งเป็นหนึ่งในตัวชี้วัดที่ดีที่สุดของเราเมื่อออกซิเจนเข้าสู่บรรยากาศ
มีการถกเถียงกันมากมายเกี่ยวกับโมเดลนี้ ตามความเข้าใจอันหนึ่งของแบบจำลองนี้แบคทีเรียสังเคราะห์แสงในมหาสมุทรผลิตออกซิเจนต้นส่วนใหญ่ จากนั้นดาวเคราะห์บนพื้นฐานมาหลายร้อยล้านปีต่อมาเพิ่มระดับออกซิเจนอีกครั้ง นอกจากนี้ยังมีหลักฐานว่าการแปรสัณฐานของแผ่นเปลือกโลกและการปะทุของภูเขาไฟขนาดใหญ่มีบทบาท
บทความจากผู้เขียนของการศึกษาใหม่นี้บอกว่าแบบจำลองนี้แสดงให้เห็นว่าโชคในระดับหนึ่งจำเป็นต้องมีเพื่อสร้างโลกที่อุดมด้วยออกซิเจน “ หากการระเบิดของภูเขาไฟครั้งหนึ่งไม่เกิดขึ้นหรือสิ่งมีชีวิตบางประเภทไม่ได้มีวิวัฒนาการมาออกซิเจนก็อาจหยุดอยู่ในระดับต่ำ” มันกล่าว
แต่นั่นอาจไม่ใช่กรณี
การศึกษาใหม่ของพวกเขามีชื่อว่า "ออกซิเจนในโลก Stepwise เป็นคุณสมบัติโดยธรรมชาติของการปั่นจักรยานชีวภาพทางชีวภาพระดับโลก" และคำว่า "โดยธรรมชาติ" เป็นกุญแจสำคัญที่นี่ ผู้เขียนบอกว่าเมื่อเรามีจุลินทรีย์และแผ่นเปลือกโลกที่ถูกต้องซึ่งทั้งคู่ก่อตั้งขึ้นเมื่อ 3 พันล้านปีก่อนมันเป็นเพียงเรื่องของเวลาก่อนที่เราจะไปถึงระดับออกซิเจนที่เรามีตอนนี้ โดยไม่คำนึงถึงภูเขาไฟและพืชบก
“การวิจัยครั้งนี้เป็นการทดสอบความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวิธีการที่โลกกลายเป็นออกซิเจนอย่างสมบูรณ์และสามารถสนับสนุนชีวิตที่ชาญฉลาด“
ลูอิสอัลคอตต์ผู้แต่งหัวหน้าสถาบันวิทยาศาสตร์พื้นผิวโลกมหาวิทยาลัยลีดส์
แทนที่จะเป็นกองกำลังภายนอกมันเป็น“ ชุดของการตอบกลับภายในที่เกี่ยวข้องกับฟอสฟอรัสโลกคาร์บอนและรอบออกซิเจน” ซึ่งนำไปสู่การเกิดออกซิเจนของโลกตามที่การศึกษากล่าว ในความเป็นจริงวงจรเหล่านั้นจะมี“ รูปแบบสามขั้นตอนเดียวกันที่สังเกตได้ในบันทึกทางธรณีวิทยา”
ทั้งหมดมาจากสิ่งนี้จากกระดาษ:“ เราสรุปได้ว่าเหตุการณ์การเกิดออกซิเจนของโลกนั้นสอดคล้องกับการเกิดออกซิเจนแบบค่อยเป็นค่อยไปของพื้นผิวดาวเคราะห์หลังจากวิวัฒนาการการสังเคราะห์ด้วยออกซิเจน”
แต่พวกเขามาถึงข้อสรุปอย่างไร
นักวิจัยมาจาก Leeds University ในสหราชอาณาจักร ผู้เขียนหลักคือ Lewis J. Alcott นักศึกษาปริญญาเอกจากสถาบันวิทยาศาสตร์พื้นผิวโลก อัลคอตต์และนักวิจัยคนอื่น ๆ ทำงานร่วมกับแบบจำลองชีวเคมีทางทะเลที่ได้รับการยอมรับเป็นอย่างดีและดัดแปลงมัน พวกเขาวิ่งแบบนั้นไปทั่วประวัติศาสตร์ของโลกและพบว่ามันผลิตออกซิเจนหลักสามเหตุการณ์ด้วยตัวของมันเอง
ในงานแถลงข่าวอัลคอตต์กล่าวว่า“ งานวิจัยนี้เป็นการทดสอบความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวิธีการที่โลกอุดมไปด้วยออกซิเจนและสามารถสนับสนุนชีวิตที่ชาญฉลาดได้”
ความคิดที่โดดเด่นที่อยู่เบื้องหลังประวัติศาสตร์การเกิดออกซิเจนของโลกนั้นขึ้นอยู่กับเหตุการณ์สองสามประเภทเพื่ออธิบาย หนึ่งคือการพัฒนาที่สำคัญวิวัฒนาการในรูปแบบชีวิตที่ผลิตออกซิเจน โดยพื้นฐานแล้ว“ การปฏิวัติทางชีวภาพ” ซึ่งสิ่งมีชีวิตกลายเป็นสิ่งที่ซับซ้อนมากขึ้นเรื่อย ๆ และสร้างสภาพแวดล้อมที่อุดมด้วยออกซิเจน ประเภทที่สองคือการเปลี่ยนแปลงของเปลือกโลก: การเพิ่มขึ้นอย่างมากและโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการแปรสัณฐานของกิจกรรมรวมถึงการระเบิดของภูเขาไฟที่สำคัญที่เปลี่ยนเปลือกโลกและนำไปสู่ระดับออกซิเจนมากขึ้น
มีการถกเถียงกันมากมายเกี่ยวกับธรรมชาติที่แท้จริงของทั้งสองหมวดหมู่กว้าง ๆ แต่การศึกษาใหม่นี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์มีความคิดมากขึ้น การศึกษาใหม่ชี้ไปที่วัฏจักรย้อนกลับระหว่างฟอสฟอรัสคาร์บอนและออกซิเจนแทนที่จะอาศัยเหตุการณ์ "step-wise" ที่สามารถระบุได้ในบันทึกทางธรณีวิทยาเพื่ออธิบายออกซิเจน
การศึกษายังชี้ให้เห็นว่าการเติมออกซิเจนเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้
การศึกษาศาสตราจารย์ไซม่อนโพลตันผู้ร่วมวิจัยจากโรงเรียนโลกและสิ่งแวดล้อมที่เมืองลีดส์กล่าวว่า:“ แบบจำลองของเราแสดงให้เห็นว่าการเติมออกซิเจนของโลกสู่ระดับที่สามารถดำรงชีวิตที่ซับซ้อนได้นั้นคงหนีไม่พ้นเมื่อจุลินทรีย์ที่ผลิตออกซิเจนมีวิวัฒนาการ ”
หัวใจของรุ่นใหม่นี้คือวัฏจักรฟอสฟอรัสทางทะเล แบบจำลองของพวกเขาสร้างรูปแบบการให้ออกซิเจนแบบสามขั้นตอนเดียวกันกับที่โลกได้รับประสบการณ์“ เมื่อถูกผลักดันโดยการเปลี่ยนแปลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปจากการลดลงเป็นสภาพผิวที่เกิดออกซิไดซ์ ช่วงการเปลี่ยนภาพจะขับเคลื่อนด้วยวิธีที่วงจรฟอสฟอรัสทางทะเลตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงระดับออกซิเจนและวิธีนี้ส่งผลกระทบต่อการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งต้องใช้ฟอสฟอรัส”
“ งานของเราแสดงให้เห็นว่าความสัมพันธ์ระหว่างฟอสฟอรัสโลกคาร์บอนและออกซิเจนรอบเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจประวัติศาสตร์ออกซิเจนของโลก สิ่งนี้จะช่วยให้เราเข้าใจได้ดีขึ้นว่าดาวเคราะห์ดวงอื่นนอกเหนือจากของเราอาจกลายเป็นที่อยู่อาศัยได้อย่างไร” ดร. เบนจามินมิลส์ผู้เขียนอาวุโสกล่าว
ดังนั้นจึงมีความหวังสำหรับดาวเคราะห์นอกระบบบางคน
การศึกษานี้จะไม่เป็นคำสุดท้ายในเรื่องนี้ แต่มันเป็นผลลัพธ์ที่น่าสนใจและหากมันแสดงถึงการตรวจสอบทางวิทยาศาสตร์เพิ่มเติมมันอาจส่งผลกระทบต่อวิธีที่เราจำแนกลักษณะดาวเคราะห์นอกระบบที่เราค้นพบแล้วและอีกหลายพันที่เราจะพบกับ TESS และกล้องโทรทรรศน์อื่น ๆ ในอนาคต
มากกว่า:
- แถลงข่าว: หายใจชีวิตใหม่สู่การถกเถียงออกซิเจนในโลก
- รายงานการวิจัย: การเติมออกซิเจนในโลกแบบ Stepwise เป็นคุณสมบัติโดยธรรมชาติของการปั่นจักรยานชีวภาพทางชีวภาพทั่วโลก
- บทความ: บรรยากาศที่ระบายได้อาจพบได้ทั่วไปในจักรวาลมากกว่าที่เราคิดไว้
- รายงานการวิจัย (2014): การเพิ่มขึ้นของออกซิเจนในมหาสมุทรและชั้นบรรยากาศของโลก
