زمین گلوله‌برفی؛ حیات چگونه در بزرگ‌ترین دوران انجماد دوام آورد؟

درحالی‌که زمین امروز ما با بحران فزاینده‌‌ی گرمایش جهانی و افزایش دما مواجه است، در گذشته‌‌ی بسیار دور، این سیاره با وضعیت کاملا متفاوتی مواجه بود. ۷۲۰ تا ۶۳۵ میلیون سال پیش، سیاره‌‌ی ما در میانه‌‌ی دو عصر یخبندان به دنیایی سراسر یخ‌‌زده تبدیل شد؛ دنیایی منجمد که از آن به‌‌عنوان زمین گلوله‌‌برفی یاد می‌‌شود.

همه‌‌چیز بسیار سریع رخ داد و تقریبا در چند هزار سال، تمامی سطح سیاره از آب‌‌ها تا خشکی‌‌ها و از قطب‌‌ها تا مرکز استوا با لایه‌‌ای از یخ پوشانده شد. در آن روزگار، تنها در زیر اقیانوس‌‌ها امکان بقای حیات وجود داشت و یخ مانند حائلی ضخیم، مانع از هرگونه تماس موجودات زنده درون اقیانوس‌‌ها با خورشید یا اتمسفر شده بود. نوح پلانوفسکی، زیست‌‌شیمی‌‌دان دانشگاه ییل می‌‌گوید:

این دوران مصادف با زمانی است که ترموستات طبیعی زمین عملا از کار افتاد. پرسشی که هرکس در ذهن خود مطرح می‌کند، این است: «حیات چطور توانسته از آن دوران جان سالم به‌‌در ببرد؟»

این حجم از یخبندان عملا می‌‌توانست انقراض دسته‌‌جمعی گونه‌‌ها را در پی داشته باشد. با‌این‌حال، گونه‌های حیات توانسته‌اند به‌‌گونه‌‌ای مرموز از این انجماد کشنده جان سالم به‌‌در ببرند. پلانوفسکی و همکارانش در مقاله‌ای که روز دوشنبه‌‌ی گذشته در نشریه‌‌ی پیشرفت‌‌های آکادمی طبیعی علوم منتشر شد، از کشف واحه‌‌هایی در بستر یخسارهای دیرین سخن می‌گویند که گمان می‌‌رود به نجات حیات در آن زمان کمک کرده باشند.

آن‌‌ها مجبور شدند مدتی را روی تپه‌‌های سرخ‌‌رنگ و داغ آن منطقه پیاده‌‌روی کنند؛ مکانی جهنمی که دمای هوا در آن به ۵۰ درجه‌‌ی سانتی‌‌گراد نیز می‌‌رسید. این شدت حرارت حتی برای ذوب‌‌کردن کف پوتین‌‌های والاس نیز کافی بود. لچت، نویسنده اصلی مطالعه‌‌ی جدید می‌‌گوید: «با کمک یک تکه چسب پهن، این مشکل حل شد.»

گفته می‌‌شود این صخره‌‌های سرخ و داغ در خلال دوران یخبندان گلوله‌‌برفی و درست در دل اقیانوس‌‌ها شکل گرفته‌‌اند. لچت چندین نمونه از خاک این منطقه را برداشت و بعدها در سال ۲۰۱۵ و ۲۰۱۶، موفق شد نمونه‌‌های دیگری از این صخره‌‌ها را در مناطق نامبیا و دره‌‌ی مرگ کالیفرنیا استخراج کند. به‌‌نظر می‌‌رسد این صخره‌‌ها نیز در همان دوران یخبندان یادشده به‌‌وجود آمده باشند.

رنگ سرخ صخره‌‌ها برای لچت نشانه‌‌ای از وفور عنصر آهن در ترکیب سازنده‌‌ی آن‌‌ها بود. این صخره‌‌ها به همان دلیلی رو به سرخی گذاشته بودند که بدنه‌‌ی خودروهای قدیمی در مجاورت هوا قرمز رنگ می‌‌شوند: زنگ‌‌زدگی.

برای زنگ‌‌زدن آهن به اکسیژن نیاز است. اکسیژن عنصری حیاتی برای بقای حیوانات و بسیاری دیگر از ارگانیسم‌‌های زنده به‌‌شمار می‌‌آید. زنگ‌‌زدن صخره‌‌ها در دل اقیانوس‌‌های باستانی نشانه‌‌ی وجود اکسیژن در آن اقیانوس‌‌ها بوده است. وجود اکسیژن نشان می‌‌دهد گونه‌‌های وابسته به اکسیژن نیز احتمالا در آن دوران توانسته‌‌اند به بقای خود ادامه دهند. لچت که اکنون پژوهشگر دوره‌‌ی فوق‌‌دکتری در دانشگاه مک‌‌گیل کانادا است، در‌این‌باره می‌‌گوید:

این اولین مدرک مستقیم دال بر وجود محیط دریایی سرشار از اکسیژن در دوران زمین گلوله‌‌برفی است. شواهد می‌‌گویند با اینکه بسیاری از مناطق اقیانوس‌‌ها به‌‌دلیل کمبود اکسیژن در دوران انجماد بزرگ عملا سکونت‌ناپذیر شده بودند، در مناطقی که یخسارها در آب اقیانوس‌‌ها می‌‌افتادند، منبعی عظیم از آب اکسیژن‌‌دار یافت می‌‌شد.

اینکه چگونه همین اکسیژن در وهله‌‌ی اول توانسته به اقیانوس‌‌ها راه یابد، خود معمای حل‌نشده بود. جوّ زمین منبعی عظیم برای تأمین اکسیژن اقیانوس‌‌ها است؛ اما با درنظرگرفتن لایه‌‌ی ضخیم یخسارهایی که در دوران گلوله‌‌برفی اقیانوس‌‌های زمین را از اتمسفر بالای آن جدا می‌‌کرد، منطقی‌‌تر بود آب اقیانوس‌‌ها عملا از وجود هرگونه اکسیژنی عاری شود. لچت می‌افزاید:

این امر می‌‌توانست به شکل‌‌گیری اقیانوس‌‌های بی‌‌هوازی منجر شود؛ شرایطی که مرگ احتمالی تمامی گونه‌‌های وابسته به اکسیژن را در پی داشت. موضوع ذکرشده نمایانگر بخشی از مسئله‌‌ی حل‌‌نشده بود.

درست مانند پژوهشی که در دانشگاه نانجینگ چین انجام شد، لچت و همکارانش در آزمایشگاه‌‌های دانشگاه ییل شروع به خردکردن صخره‌‌های غنی از آهن کردند. آن‌‌ها این قطعات را در اسید حل و فراوانی هریک از ایزوتوپ‌‌های گوناگون آهن را اندازه‌‌گیری کردند. پژوهشگران متوجه شدند آهن درون صخره‌‌هایی که در دل اقیانوس‌‌های روباز تشکیل شده بودند، با شدت کمتری از آهن درون صخره‌‌های مجاور خشکی‌‌ها، محل فروریختن یخسارهای قاره‌‌ای به درون اقیانوس‌‌ها، دچار زنگ‌‌زدگی شده‌‌اند. درمجموع، نسبت‌‌های ایزوتوپی و ناهنجاری‌‌های سریوم در محیط‌‌های اقیانوسی نشان می‌‌داد هرچه به ناحیه‌‌ی یخ‌‌تاق‌‌ها نزدیک‌‌تر شویم، میزان اکسیداسیون رسوب‌‌ها نیز بیشتر می‌شود.

هرگونه حیاتی که در این آب‌‌های اکسیژن‌‌دار زندگی می‌‌کرده، به غذا نیز نیاز داشته است. وجود آهن خود می‌‌تواند گواهی بر این موضوع باشد. می‌‌دانیم آب دریاها سرشار از آهن محلول بوده است و امروزه، گونه‌‌ای از باکتری‌‌ها به‌‌نام باکتری‌‌های کموتروفیک وجود دارند که انرژی موردنیاز خود را از اکسایش آهن محلول به‌‌دست می‌‌آورند و پس از مصرف این ماده، از خود اکسیدآهن به‌‌جای می‌‌گذارند. بنابراین، رسوب‌‌های اکسیدشده‌ در مجاور خطوط یخ‌‌تاق‌‌ها می‌‌تواند ناشی از فعالیت انواعی از باکتری‌‌های آبی باشد که ازطریق اکسایش آهن به حیات خود ادامه می‌‌داده‌‌اند.

گالن هالورسن، از دانشگاه مک‌‌گیل می‌‌گوید:

این مطالعه نه‌‌تنها توضیحی درباره‌ی چگونگی ادامه‌‌ی حیات جانوران بدوی در دوران یخبندان جهانی ارائه می‌کند؛ بلکه سازوکار ظهور دوباره‌‌ی ذخایر آهن پس از یک میلیارد سال غیبت را در داده‌‌های ثبتی زمین‌‌شناسی توضیح می‌‌دهد.

پاول هوفمن، کارشناس زمین‌‌شناسی از دانشگاه هاروارد و از پیش‌گامان فرضیه‌‌ی زمین گلوله‌‌برفی نیز معتقد است این توجیه برای نحوه‌‌ی ورود اکسیژن به اقیانوس‌‌ها از اعتبار کافی برخوردار است. او می‌‌گوید: «مجذوب این ایده شده‌‌ام و گمان می‌‌کنم با مشاهداتم نیز سازگاری دارد.»

دکتر هوفمن اذعان می‌‌کند نمی‌‌توان با قاطعیت گفت این سازوکار اصلی‌‌ترین روش تأمین اکسیژن موردنیاز حیات دریایی در دوران زمین گلوله‌‌برفی بوده است یا خیر. درحقیقت، مدرک مستدلی نداریم که ثابت کند واقعا چنین اتفاقی رخ داده است؛ با‌این‌حال، این نظریه به‌‌خوبی با شواهد فعلی ما سازگار است. او می‌‌افزاید: «از دیدگاه نظری، هنوز درباره‌ی نحوه‌‌ی واکنش حیات دربرابر مشکلات دوران زمین گلوله‌‌برفی اطلاعات کافی نداریم.»