לתגלית יש גם ערך בתחום אחר לחלוטין – חיפוש חיים בכוכבי לכת מחוץ למערכת השמש
מאת אלכס קראוזה, עמית מחקר במידול מערכות כדור הארץ, UCL ובנג’מין ג’יי וו מילס, פרופסור חבר למודלים ביוגיאוכימיים, אוניברסיטת לידס
האם אנחנו לבד ביקום? זו שאלה שסיקרנה את בני האדם במשך מאות שנים והיוותה השראה לאינספור מחקרים ויצירות בדיוניות. אבל האם אנחנו מתקרבים לגלות חיים כאלה? כעת, כשטלסקופ החלל ג’יימס ווב (JWST) פועל, ייתכן שעשינו קפיצת מדרגה אחת ענקית שתאפשר לנו לענות על כך יום אחד.
אחת מארבע המטרות העיקריות של ה-JWST היא לחקור כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש שלנו, ולקבוע מאילו גזים מורכבים האטמוספרות שלהם. כעת, המחקר החדש שלנו על השינויים בשיעור החמצן על-פני כדור הארץ לאורך עידנים גיאולוגיים, הציע רמזים לגבי מה באמת לחפש.
כדי לנסות ולהבין כיצד, מתי ומדוע חיים עשויים להתפתח בכוכבי לכת אחרים, הגיוני להסתכל על כוכב הלכת היחיד שאנו מכירים כיום שמתקיימים בו חיים: כדור הארץ. הבנת ההיסטוריה האבולוציונית המסובכת של כוכב הלכת שלנו עשויה לספק את המפתח למציאת כוכבי לכת אחרים המסוגלים לתמוך בחיים.
חיים וחמצן
אנו יודעים שבעלי חיים זקוקים לחמצן כדי לשרוד, אם כי חלקם, כגון ספוגים, דורשים פחות מאחרים. עם זאת, בעוד שכיום חמצן זמין בקלות, ומהווה 21% מהאטמוספרה, אנו גם יודעים שזה לא היה נכון לגבי רוב ההיסטוריה של כדור הארץ.
אם היינו נוסעים עמוק לתוך העבר שלנו, ללפני כ-450 מיליון שנה, היינו צריכים לשאת איתנו אספקה של בלוני חמצן. אבל מה שאנחנו פחות בטוחים בו הוא הכמות המוחלטת של החמצן באטמוספרה ובאוקיינוסים לאורך זמן והאם העלייה ברמות החמצן הניעה את האבולוציה של בעלי החיים, או להיפך. שאלות אלה עוררו למעשה ויכוחים רבים ועשרות שנים של מחקר.
התיאוריה הנוכחית גורסת שרמות החמצן עלו בשלושה שלבים. הראשון, שנקרא “אירוע החמצון הגדול“, התרחש לפני כ-2.4 מיליארד שנה, והפך את כדור הארץ מכוכב לכת נטול חמצן באטמוספרה ובאוקיינוסים לכוכב לכת שהחמצן הוא מאפיין קבוע שלו. השלישי התרחש לפני כ-420 מיליון שנה ונקרא “אירוע החמצון בפליאוזואיקון“, שמאז גדל שיעור החמצן באטמוספירה עד היום. אבל בין לבין, לפני כ-800 מיליון שנה, טמון השלב השני: “אירוע החמצון הניאו-פרוטרוזואי” או NOE.
בתחילה, מידע שהופק מסלעי משקע שנוצרו על קרקעית האוקיינוס הציע כי בתקופה זו החמצן עלה כבר לרמות שנמדדות כיום.
עם זאת, נתונים רבים יותר שנאספו מאז, חשפו היסטוריית חמצן מסקרנת יותר. חשוב לציין שה-NOE התרחש רגע לפני העדויות על בעלי החיים הראשונים, שהופיעו לפני כ-600 מיליון שנה.
מידול רמות החמצן
יצאנו לחקור ולשחזר את רמות החמצן האטמוספרי במהלך ה-NOE כדי לראות באילו תנאים הופיעו בעלי החיים הראשונים. כדי לעשות זאת, בנינו מודל ממוחשב של כדור הארץ, המשלב ידע על התהליכים השונים שיכולים להוסיף חמצן לאטמוספרה או להסיר אותו.
חקרנו סלעים נושאי פחמן, ששקעו ברחבי העולם, כדי לחשב את שיעורי הפוטוסינתזה הקדומים. פוטוסינתזה היא התהליך שבו צמחים וחיידקים משתמשים באור השמש, במים ובפחמן הדו-חמצני כדי ליצור חמצן ואנרגיה בצורה של סוכרים – וזהו המקור העיקרי לחמצן על-פני כדור הארץ.
פחמן קיים באופן טבעי באיזוטופים רבים – אטומים עם מספר שונה של נויטרונים בגרעין שלהם. לאיזוטופים שונים יש אפוא גדלים ומסות שונים במקצת זה מזה.
בחנו איזוטופים של פחמן המכונים פחמן-12 ופחמן-13, שאינם עוברים דעיכה רדיואקטיבית. צמחים מעדיפים להשתמש בפחמן-12 – האיזוטופ הקל ביותר – במהלך הפוטוסינתזה, ובסוף התהליך (עם מות הצמחים) מה שנשאר במי הים ולאחר מכן בסלעים הנוצרים על קרקעית האוקיינוס – הוא פחמן.
כאשר אנו מנתחים את הסלעים האלה, מיליונים או אפילו מיליארדי שנים מאוחר יותר, אם אנו מוצאים יותר פחמן-13 מאשר פחמן-12 אנו יכולים להעריך כי תהליך הפוטוסינתזה, ולכן גם ייצור חמצן, התרחש. לאחר מכן דגמנו פעילות געשית, שיכולה לשחרר גזים שמגיבים עם חמצן, ולהוציא אותו מהאטמוספרה.
גישה זו עשויה להישמע קצת מוזרה, ואתם עשויים לשאול מדוע לא היתה לנו דרך ישירה למדוד את רמות החמצן. הסיבה לכך היא, שרוב הראיות הגיאולוגיות מתקופה זו אינן נשמרות, ויחסי האיזוטופים האלה של פחמן הם אחד ממערכי הנתונים המוגדרים היטב הבודדים שיש לנו בתקופה זו.
מה שמצאנו הוא שבמקום קפיצה פשוטה ברמות החמצן בתקופה הניאו-פרוטרוטרוזואית, כמות החמצן באטמוספרה השתנתה באופן משמעותי, ובמהירות רבה בקנה מידה של לוחות הזמנים הגיאולוגיים. בעוד שלפני 750 מיליון שנה, החמצן היווה 12% מהאטמוספרה, תוך עשרות מיליוני שנים בלבד, הוא ירד לכ-0.3% – שבריר זעיר – לפני שעלה שוב כמה מיליוני שנים לאחר מכן.
המחקר שלנו מראה שהחמצן האטמוספרי המשיך ככל הנראה את התנודות האלה בין רמות גבוהות ונמוכות עד שהצמחים השיגו דריסת רגל על היבשה לפני כ-450 מיליון שנה.
מחפשים חיים זרים
ממצאים אלה מסקרנים מכמה סיבות. לעתים קרובות חשבנו שהיציבות היחסית שכדור הארץ חווה במשך רוב 4.5 מיליארד השנים האחרונות היא הכרחית לשגשוג החיים. אחרי הכל, כאשר התרחשו אירועים גדולים, כגון פגיעות אסטרואידים, זה לא הסתיים בטוב עבור חלק מתושבי כדור הארץ (סליחה, דינוזאורים).
אבל אם בעלי החיים הראשונים אכן התפתחו על רקע רמות חמצן משתנות מאוד, זה מצביע על כך שייתכן שיידרשו כמה שינויים דינמיים כדי לטפח חדשנות אקולוגית.
התוצאות שלנו מצביעות על כך שתקופות של רמות חמצן נמוכות באטמוספרה היו יכולות להיות חשובות להתפתחות חיים מורכבים יותר על-ידי הנעת הכחדתם של אורגניזמים פשוטים מסוימים ולאפשר לניצוליםלהתרבות ולהתפתח למגוון מינים כאשר רמות החמצן עלו שוב. לכן לא צריך לשלול בחינה מקרוב של כוכבי לכת בעלי אטמוספירה עם רמת חמצן נמוכה מחוץ למערכת השמש.
כמובן, זוהי השקפה מאוד ארצית ואפילו ממוקדת בעלי חיים. חיים חייזריים עשויים להיות שונים לחלוטין מהחיים על פני כדור הארץ. לדוגמה, הם יכול בהחלט להתקיים במקומות כמו טיטאן – אחד הירחים של שבתאי – שיש בו ים של מתאן נוזלי ואתאן. אבל כנקודת מוצא בחיפוש שלנו אחר חיים מחוץ לכדור הארץ, הבנת ההיסטוריה של החמצן האטמוספרי על פני כדור הארץ היא מדריך שימושי.
באותו הנושא באתר הידען:
