اکسیژن زمین از کجا آمده است

بررسی تاریخچه اکسید کروم، معمای چگونگی به وجود آمدن اکسیژن روی زمین و مراحل آن را حل خواهد کرد.
اکسیژن با چه سرعتی در جو زمین اولیه تشکیل شد؟ تحلیلی جدید که با استفاده از ایزوتوپ‌های …

بررسی تاریخچه اکسید کروم، معمای چگونگی به وجود آمدن اکسیژن روی زمین و مراحل آن را حل خواهد کرد.

اکسیژن با چه سرعتی در جو زمین اولیه تشکیل شد؟ تحلیلی جدید که با استفاده از ایزوتوپ‌های کروم در رسوبات بسیار قدیمی اقیانوس‌ها انجام شده،‌ به بینشی غیرمنتظره در مورد این معمای دیرینه دست یافته است.

بر اساس گزارش نیچر، داستان معمول شیمی زمین‌شناختی در این مورد،‌ ترکیبی از دو دوره قوی افزایش مولکول‌های اکسیژن در جو است؛ اولی در حدود ۲.۲ تا ۲.۴۵ میلیارد سال پیش در آن‌چه زمین‌شناسان رویداد اکسایش بزرگ (GOE) می‌خوانند و بعد از آن هم، در حدود ۷۵۰ میلیون سال پیش، جریان بزرگ دیگری اتفاق افتاد. اما جزییات این رویدادها نامشخص مانده بود. پیش از این با استفاده از ایزوتوپ‌های مولیبدن،‌ رنیوم و سایر فلزات، ‌تلاش‌هایی در جهت فهم شکل‌گیری اولیه اکسیژن صورت گرفته بود که طیفی از نتایج را در مورد آغاز اکسیژن، سرعت پیشرفت آن و این‌که آیا ادامه‌دار بوده است یا خیر، در بر داشت. با این حال، ‌به گفته تیم لیون از دانشگاه کالیفرنیا، بالارفتن اکسیژن جو در رویداد اکسایش بزرگ همچنان جزو چند سوال بزرگ در مورد زمین اولیه باقی مانده است.

نتایجی که گروهی از پژوهشگران به سرپرستی روبرت فری از دانشگاه کوپنهاک دانمارک به دست آورده‌اند، به زمانی بین دو دوره مهم افزایش فراوان اکسیژن برمی‌گردد. روبرت فری، ‌کسی است که از شکل‌گیری آهن نواری،‌ یک سنگ رسوبی غنی از آهن، نمونه‌برداری کرده است. این گروه نشان داده‌اند که در حدود ۲.۶ تا ۲.۸ میلیارد سال پیش، ‌اکسیژن در سطح آب‌های اقیانوس پنهان بوده است؛‌ یعنی حداقل ۲۰۰ میلیون سال قبل از زمانی که تحلیل‌های حاصل از سایر ایزوتوپ‌های فلزی پیش‌بینی کرده بودند.

جالب‌تر این‌که‌ آن‌ها اظهار داشته‌اند در حدود ۱.۹ میلیارد سال پیش سطح اکسیژن تقریبا به همان اندازه‌ای که پیش از رویداد اکسایش بزرگ بوده تقلیل می‌یابد،‌ یعنی کم‌تر از ۱ درصد سطح اکسیژن امروز. به اعتقاد دان کانفیلد از دانشگاه دانمارک و از اعضا گروه پژوهشی که مقاله خود را در این زمینه در نشریه نیچر به چاپ رساندند، این جذاب‌ترین بخش داستان است.

ماده سنگین

روش این گروه بر چگونگی پاسخ کروم به تغییر سطح اکسیژن موجود در هوا تکیه دارد. وقتی اکسیژن کم باشد،‌ کروم به صورتی در سنگ جای می‌گیرد که هر اتم آن سه الکترون کم‌تر از عنصر اصلی فلز کروم دارد،‌ یون کروم ۳بار مثبت با اکسایش ۳+. اما با بالا رفتن سطح اکسیژن،‌ منگنز فلزی موجود در برخی سنگ‌ها به اکسید منگنز تبدیل می‌شود که الکترون‌های کروم محصور در خشکی را می‌رباید. نتیجه آن،‌ شکل اکسید شده ۶+ کروم است که احتمال بیشتری دارد در آب باران حل شود و شسته شود تا به اقیانوس برسد. در آن جا با فلز آهن واکنش می‌دهد و با هم به صورت یون ۳بار مثبت تشکیلات آهن نواری تبدیل می‌شوند.

احتمال این که ایزوتوپ سنگین کروم،‌ یعنی کروم ۵۳ اکسایش یابد و با آب شسته شود و به اقیانوس برود، به طور قطع از نسخه سبک‌تر نزدیک به آن،‌ یعنی کروم ۵۲ بیشتر است. یعنی اندازه‌گیری میزان نسبی ایزوتوپ‌های سنگین‌تر و سبک‌تر کروم در تشکیلات آهن نواری مقدار اکسیژن موجود در جو را،‌ زمانی که این ایزوتوپ‌ها جزئی از این سنگ‌ها شده‌اند، نشان می‌دهد.

روبرت هازن، از آزمایشگاه ژئوفیزیک موسسه علوم کارنگی در واشنگتن دی.سی می‌گوید: «این روش واقعا فوق‌العاده است. به نظر می‌رسد که این روش نسبت به تغییرات اکسیژن حساس‌تر است. با این حال ممکن است یون‌های کروم واکنش‌هایی بیشتر از واکنش با اکسید منگنز و آهن داشته باشند که می‌تواند ماجرا را قدری پیچیده‌تر کند. آن چه ما لازم داریم، ‌فهم بهتر فرایند فرسایش کروم است.»

لیونز که در این پروژه مشارکت نداشته،‌ به طور خاص از این مسئله خوشحال است که این نمونه جدید تا مدت‌ها بعد از رویداد اکسایش بزرگ هم به کار خود ادامه می‌داده،‌ چرا که نشانه‌های سایر ایزوتوپ‌های فلزی با افزایش میزان اکسیژن غرق شده‌اند. وی می‌افزاید که نوسان سطوح اکسیژن،‌ به جای یک سیر ثابت افزایشی‌ در زمان خود اهمیت فوق‌العاده‌ای برای حیات داشته است.

فری می‌پرسد: «آیا این نوسانات اکسیژن با نوساناتی در حیات مرتبط بوده است؟» وی امیدوار است که یافته‌های جدید بتواند به این بحث کمک کند که آیا شکل‌هایی از حیات بسیار پیش از رویداد اکسایش بزرگ، فوتوسنتز داشته‌اند که چنین حجم انبوهی از اکسیژن را فراهم آورده است. به گفته فری، ‌این که آیا حیات اولیه باعث اولین پدیداری اکسیژن روی زمین اولیه شده است یا نه، مسئله متفاوتی است که باید بررسی شود. در حال حاضر، هم روش ایزوتوپ کروم و هم نتایج این گروه باید با بررسی سنگ‌های بیشتر تایید شوند.

بهنوش خرم‌روز