פענוח האטמוספירה העתיקה של כדור הארץ: תפקיד החיים בעיצוב העולם שלנו

מחקר מדעי שנערך לאחרונה מתחקה אחר האבולוציה המשותפת של האטמוספירה, האוקיינוסים והחיים של כדור הארץ במשך 500 מיליון שנים, וחושף כיצד אורגניזמים כמו אצות השתנו והסתגלו לתנאי הסביבה המשתנים, ובסופו של דבר שיפרו את יכולת המגורים של כדור הארץ.

במהלך 500 מיליון השנים האחרונות, אינטראקציות בין האטמוספירה, האוקיינוס ​​והחיים על פני כדור הארץ יצרו תנאים שאפשרו לאורגניזמים מוקדמים לשגשג. צוות בין-תחומי של מדענים פרסם כעת מאמר פרספקטיבה על היסטוריה קו-אבולוציונית זו בכתב העת הרב-תחומי עם גישה פתוחה סקירת המדע הלאומי.

"אחת המשימות שלנו הייתה לסכם את התגליות החשובות ביותר על פחמן דו חמצני וחמצן באטמוספרה ובאוקיינוס ​​במהלך 500 מיליון השנים האחרונות", אומר פרופסור לגיאוכימיה באוניברסיטת סירקיוז זונלי לו, המחבר הראשי של המאמר. "סקרנו כיצד השינויים הפיזיים הללו השפיעו על התפתחות החיים באוקיינוס. אבל זה רחוב דו-סטרי. התפתחות החיים השפיעה גם על הסביבה הכימית. זו לא משימה טריוויאלית להבין איך לבנות כדור הארץ ראוי למגורים על פני טווחי זמן ארוכים"

הצוות מאוניברסיטת סירקיוז, אוניברסיטת אוקספורד ואוניברסיטת סטנפורד חקר את המשובים המורכבים בין צורות חיים עתיקות, כולל צמחים ובעלי חיים, ואת הסביבה הכימית באיון הפנרוזואיקאי הנוכחי, שהחל לפני כ-540 מיליון שנים.

משוב סביבתי וחיים מוקדמים

בתחילת תקופת הפאנרוזואיקון, רמות הפחמן הדו חמצני באטמוספרה היו גבוהות, ורמות החמצן היו נמוכות. מצב כזה יהיה קשה לאורגניזמים מודרניים רבים לשגשג. אבל אצות האוקיינוס ​​שינו את זה. הם ספגו פחמן דו חמצני מהאטמוספירה, נעלו אותו לתוך חומר אורגני ויצרו חמצן דרכו פוטוסינתזה.

יכולתם של בעלי חיים לחיות בסביבת אוקיינוס ​​הושפעה מרמות החמצן. לו בוחן היכן ומתי רמות החמצן באוקיינוס ​​עלו או ירדו במהלך הפאנרוזואיקון באמצעות פרוקסי גיאוכימיים וסימולציות מודל. מחבר שותף ג'ונתן פיין, פרופסור למדעי כדור הארץ וכוכבי הלכת באוניברסיטת סטנפורד, משווה את הדרישות המטבוליות המשוערות של בעל חיים עתיק למקומות שבהם הוא שרד או נעלם בתיעוד המאובנים.

התגובה האבולוציונית של אצות

כאשר אצות פוטוסינתטיות הסירו פחמן אטמוספרי לסלעי משקע כדי להוריד פחמן דו חמצני ולהעלות את רמות החמצן, האנזימים של האצות הפכו פחות יעילים בקיבוע פחמן. לכן, אצות נאלצו למצוא דרכים מסובכות יותר לעשות פוטוסינתזה בפחמן דו חמצני נמוך יותר וברמות חמצן גבוהות יותר. זה השיג זאת על ידי יצירת תאים פנימיים לפוטוסינתזה עם שליטה על הכימיה.

"עבור אצות, נראה ששינויים ביחס הסביבתי של O2/CO2 הם המפתח לשיפור היעילות הפוטוסינתטית", אומרת שותפה לכותבת רוזלינד ריקבי, שהיא פרופסור לגיאולוגיה באוקספורד. "מה שבאמת מסקרן הוא שהשיפורים הללו ביעילות הפוטוסינתזה עשויים להרחיב את המעטפת הכימית של יכולת המגורים עבור צורות חיים רבות."

פוטוסינתיסייזרים עתיקים נאלצו להסתגל לשינויים בסביבה הפיזית שהם עצמם יצרו, מציין לו. "החלק הראשון של ההיסטוריה של הפנרוזואיקון הוא הגדלת יכולת המגורים לכל החיים, ולאחר מכן החלק השני הוא הסתגלות."

אם מדענים רוצים להבין יותר את יחסי הגומלין הזה בין החיים והסביבה הפיזית, כמו גם את המניעים והמגבלות על יכולת המגורים, המחברים מציעים כי מיפוי הדפוסים המרחביים של חמצן באוקיינוס, סמנים ביולוגיים לפוטוסינתזה וסבילות מטבולית של בעלי חיים המוצגים בתיעוד מאובנים. יהיה כיוון מחקר עתידי מרכזי.