شیمی پنهانی که سرانجام به زمین اجازه نفس‌کشیدن داد
توسط دانشگاه اوکایاما
چندین میلیارد سال پیش، اکسیژن شروع به ظهور در جو زمین کرد و سیاره را دگرگون ساخت و مسیر حیات پیچیده را هموار نمود. با این حال، تجمیع اکسیژن به‌طور مرموزی تقریباً یک میلیارد سال پس از این‌که سایانوباکتری‌ها اولین بار توانایی تولید آن را به‌دست آوردند، به تعویق افتاد.
یک مطالعه جدید توضیح تازه‌ای ارائه می‌دهد که نقش نیکل و اوره—دو ترکیب که به‌طور عمومی نادیده گرفته شده‌اند و ممکن است رشد اولیه سایانوباکتری‌ها را محدود کرده باشند—را برجسته می‌کند. با کاهش تدریجی این مواد، سایانوباکتری‌ها رونق یافتند و به اندازه کافی اکسیژن آزاد کردند تا رویداد بزرگ اکسیداسیون را تحریک کند.
تاخیر مرموز در افزایش اکسیژن زمین
رشد اکسیژن در جو زمین، یکی از مهم‌ترین نقاط عطف تاریخ سیاره را علامت‌گذاری کرد؛ این تحول زمین را به مکانی تبدیل کرد که قادر به پشتیبانی از حیات پیچیده باشد. این تغییر بزرگ که به عنوان رویداد بزرگ اکسیداسیون (GOE) شناخته می‌شود، حدود ۲٫۱ تا ۲٫۴ میلیارد سال پیش رخ داد.
با این حال، اگرچه سایانوباکتری‌ها صدها میلیون سال پیش فتوسنتز تولیدکننده اکسیژن را توسعه داده بودند، سطح اکسیژن در جو برای مدتی طولانی در سطوح بسیار پایینی باقی ماند. دانشمندان مدت‌ها در پی توضیح این تاخیر بوده‌اند و نظریه‌هایی شامل گازهای آتشفشانی، واکنش‌های شیمیایی و فرآیندهای میکروبی پیشنهاد کرده‌اند. علیرغم دهه‌ها تحقیق، پاسخ کامل همچنان نامشخص باقی مانده است.
نیکل، اوره و کلیدهای پنهان اکسیداسیون
یک مطالعه اخیر چشم‌انداز جدیدی به این معما ارائه می‌دهد که بر دو عامل کمتر مورد بحث قرار گرفته – نیکل و اوره – تمرکز دارد. این عناصر ردیابی و ترکیبات به‌نظر می‌رسد نقش قدرتمندی در کنترل رشد سایانوباکتری‌ها داشته‌اند و به تبع آن سرعت تولید اکسیژن را تنظیم می‌کردند.
پژوهشگر ارشد دکتر دیلان م. راتنایکه از مؤسسه مواد سیاره‌ای، دانشگاه اوکایاما، ژاپن (آدرس فعلی: دپارتمان زمین‌شناسی، دانشگاه پرادنیه، سریلانکا) بیان کرد: «تولید اکسیژن چالش بزرگی خواهد بود اگر روزی بخواهیم سیاره‌ای دیگر را مستعمره کنیم. بنابراین ما سعی کردیم بفهمیم چگونه یک میکروارگانیسم کوچک، سایانوباکتری، توانست شرایط زمین را طوری تغییر دهد که برای تکامل حیات پیچیده، از جمله حیات ما، مناسب شود. بینش‌های به‌دست‌آمده از این مطالعه، چارچوب جدیدی برای استراتژی‌های تجزیه نمونه‌ها در مأموریت‌های بازگرداندن نمونه‌های مریخ آینده فراهم خواهد کرد.»
پروفسورهای ریوجی تاناکا و ایزو ناکامورا از همان مؤسسه نیز در این تحقیق مشارکت داشتند و نتایج در نشریه Communications Earth & Environment منتشر شد.
شبیه‌سازی دوران آرکیان
برای درک بهتر تأثیر این عناصر بر اکوسیستم‌های اولیه، دانشمندان با انجام آزمایشی دو مرحله‌ای، جنبه‌هایی از زمین آرکیان (حدود ۴ تا ۲٫۵ میلیارد سال پیش) را بازسازی کردند. در مرحله اول، آمونیوم، سیانید و ترکیبات آهن را ترکیب کردند و سپس مخلوط را در معرض نور فرابنفش (UV‑C) قرار دادند تا سطوح بالای تابش فرابنفش که پیش از تشکیل لایه اوزون به سطح زمین می‌رسید، شبیه‌سازی شود. این آزمایش بررسی کرد که آیا اوره، ترکیب نیتروژنی مهمی که برای حیات ضروری است، می‌تواند به‌طور طبیعی تحت چنین شرایط باستانی شکل بگیرد.
در مرحله دوم، کشت‌های سایانوباکتری (Synechococcus sp. PCC 7002) در شرایط متناوب نور‑تاریکی رشد یافتند و مقادیر نیکل و اوره در محیط رشد به‌صورت متغیر تنظیم شد. تیم با اندازه‌گیری چگالی نوری و محتوای کلروفیل‑a، رشد را ارزیابی کرد تا ببینند این مواد چگونه بر تکثیر سایانوباکتری‌ها تأثیر می‌گذارند.
یک مدل جدید برای رویداد بزرگ اکسیداسیون
نتایج منجر به ارائه یک مدل جدید برای درک چگونگی انباشت اکسیژن در جو زمین شد. بر پایه این یافته‌ها، پژوهشگران معتقدند که در دوران اولیه آرکیان، غلظت‌های بالای نیکل و اوره باعث محدود شدن رشده سایانوباکتری‌ها و درنتیجه مانع انتشار مستمر اکسیژن می‌شد.
دکتر راتنایکه اشاره کرد: «نیکل رابطه‌ای پیچیده اما جذاب با اوره در خصوص تشکیل و همچنین مصرف بیولوژیکی آن دارد؛ در حالی که دسترسی به این ترکیبات در غلظت‌های پایین می‌تواند منجر به گسترش سایانوباکتری‌ها شود.»
به محض کاهش سطح این ترکیبات، سایانوباکتری‌ها توانستند به‌سرعت رشد کنند، اکسیژن را به‌صورت مستمر آزاد کرده و به رویداد بزرگ اکسیداسیون منجر شدند.
پیامدهای حیات فراتر از زمین
یافته‌های این مطالعه پیامدهایی فراتر از درک گذشته زمین دارند. «اگر بتوانیم مکانیزم‌های افزایش محتوای اکسیژن جوی را به‌وضوح درک کنیم، این می‌تواند به کشف بیوسینچرها در سایر سیارات نور بیفروزد»، دکتر راتنایکه می‌گوید. او افزوده است: «این نتایج نشان می‌دهند که تعامل میان ترکیبات معدنی و آلی نقش‌های کلیدی در تغییرات محیطی زمین ایفا کرده‌اند و درک عمیق‌تری از تکامل اکسیژن زمین و در نتیجه حیات بر روی آن فراهم می‌سازند.»
همان تعاملات شیمیایی که تعادل اکسیژن زمین را شکل دادند، ممکن است به دانشمندان کمک کنند تا نشانه‌های احتمالی حیات در جهان‌های دوردست را شناسایی کنند؛ چرا که عناصری همچون نیکل و اوره می‌توانند بر روی چگونگی انباشت اکسیژن در سایر نقاط کیهان تأثیر بگذارند.
چگونه نیکل و اوره مسیر حیات را هموار کردند
با تأیید این که اوره می‌تواند به‌صورت طبیعی در شرایط آرکیان شکل بگیرد و نشان دادن این که هم نیکل و هم اوره می‌توانند بسته به غلظت‌شان از حیات میکروبی حمایت یا سرکوب کنند، این پژوهش نگرش دانشمندان نسبت به اکوسیستم‌های اولیه را بازتعریف می‌کند. کاهش تدریجی نیکل و تثبیت سطوح اوره به‌نظر می‌رسد موانع اصلی برای گسترش سایانوباکتری‌ها را از میان برده و در نهایت به رونق اکسیژن منجر شده است که زمین را به دنیای قابل سکونت تبدیل کرد. از طریق این آزمایش‌ها، پژوهشگران درک واضح‌تری از این یافتند که چگونه تغییرات جزئی شیمیایی در تکامل حیات و سیاره‌ای که ما خانه‌مان می‌نامیم، نقش داشته‌اند.
منابع: «تأثیر بیوژئوشیمیایی نیکل و اوره در رویداد بزرگ اکسیداسیون» توسط دیلان م. راتنایکه، ریوژی تاناکا و ایزو ناکامورا، ۱۲ آگوست ۲۰۲۵، Communications Earth & Environment.
DOI: 10.1038/s43247-025-02576-8