چرا اقیانوس های اولیه زمین در ابتدا سبز رنگ بودند؟
اقیانوس های اولیه زمین به دلیل آهن فراوان، سبز رنگ بودند. این شرایط منحصربه‌فرد، تکامل سیانوباکتری‌ها را هدایت کرد و پیامدهایی برای جستجوی حیات فرازمینی دارد.
نگاه فضانوردان به سیاره ما از فراز جو، تصویری آشنا از «سنگ مرمر آبی» را به ذهن متبادر می‌کند. اما این رنگ نمادین که بازتابی از اقیانوس‌های پهناور و آسمان آفتابی است، ممکن است ظاهری نسبتا جدید برای کره زمین باشد. سفری به اعماق گذشته سیاره ما، حدود ۲.۵ تا ۴ میلیارد سال پیش، جهانی با رنگی کاملا متفاوت را آشکار می‌سازد: اقیانوس‌هایی به رنگ سبز زمردین.
به گزارش گجت نیوز، دانشمندان امروزه استدلال می‌کنند که آب‌های زمین زمانی نه به رنگ آبی، بلکه سبز می‌درخشیدند. این آب‌های سبز صرفا یک پدیده زمین‌شناختی عجیب نبودند، بلکه گهواره‌ای برای تکامل حیات، به ویژه برای یکی از تأثیرگذارترین معماران زندگی، یعنی سیانوباکتری‌ها، به شمار می‌رفتند.
جهانی غنی از آهن و نور سبز
در حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش، زمین از بقایای کیهانی شکل گرفت. حیات با تأخیر و در حدود ۳.۷ میلیارد سال پیش پدیدار شد. پیش از ظهور اولین سلول‌ها، اقیانوس‌ها سطح سیاره را پوشانده بودند، اما ظاهرشان با آنچه امروز می‌بینیم تفاوت چشمگیری داشت. چشمه‌های آب گرم در کف اقیانوس‌ها فوران می‌کردند و مقادیر زیادی آهن احیا شده (Fe(II را به آب پمپاژ می‌کردند و دریاها را با آهن فرو پر می‌ساختند.
رنگ سبز اقیانوس های اولیه زمین
این شیمی منحصربه‌فرد، تعامل اقیانوس‌های اولیه با نور خورشید را تعریف می‌کرد. بدون وجود اکسیژن در جو و با فراوانی (Fe(II، اقیانوس‌ها فاقد خاصیت بازتابی آب‌های آبی امروزی بودند. لایه ازونی برای جلوگیری از اشعه ماوراء بنفش وجود نداشت و گیاهان خشکی نیز هنوز برای تغییر ترکیب جو پدیدار نشده بودند. در عوض، این اقیانوس‌های اشباع از آهن، رابطه‌ای عجیب با نور داشتند که به سمت طیف سبز متمایل بود.
با ظهور سیانوباکتری‌ها، اکسیژن کم‌کم در آب ظاهر شد. این اکسیژن، آهن فرو را به آهن فریک تبدیل کرد که نامحلول است و ذراتی شبیه به زنگ آهن تشکیل می‌داد. این ذرات به آرامی ته‌نشین می‌شدند اما به سرعت ناپدید نمی‌شدند؛ در عوض، در آب معلق باقی مانده و بر نوری که به اعماق اقیانوس نفوذ می‌کرد، تأثیر می‌گذاشتند.
نور سبز، مسیر تکامل را شکل می‌دهد
آهن فریک که به صورت ذرات ریز هیدروکسید آهن در آب معلق بود، اثر نوری قدرتمندی داشت: طول موج‌های قرمز و آبی را جذب می‌کرد اما به نور سبز اجازه عبور می‌داد. در نتیجه، خود اقیانوس‌ها رنگی سبز به خود گرفتند. اگر کسی آن زمان آنجا بود تا شاهد باشد، آب‌های زمین را به رنگ زمردین درخشان می‌دید.
دریچه های هیدروترمال
این محیط با نور غالب سبز، پیامدهای مهمی برای موجودات زنده در آن داشت. سیانوباکتری‌ها، پیشگامان فتوسنتز، شروع به سازگاری کردند. آنها پیش از این از کلروفیل a استفاده می‌کردند، رنگدانه‌ای که نور قرمز و آبی را جذب می‌کند. اما در زیر نور سبز، کارایی کلروفیل a به شدت کاهش می‌یافت.
برای بقا، سیانوباکتری‌ها ساختارهای آنتن‌مانند بزرگی به نام فیکوبیلیزوم (Phycobilisome) را تکامل دادند که مملو از رنگدانه‌های کمکی بودند. در میان این رنگدانه‌ها، فیکواریتروبیلین (PEB) نقشی حیاتی ایفا کرد. این رنگدانه نور سبز را جذب و انرژی آن را برای فتوسنتز به کلروفیل a منتقل می‌کرد. این ساختارها به سیانوباکتری‌ها امکان دادند تا بر اقیانوس‌های اولیه تسلط یابند.
شواهد محکم: از شبیه‌سازی تا طبیعت
پژوهشی اخیر توسط تارو ماتسو و تیمش در دانشگاه ناگویا که در مجله Nature Ecology & Evolution منتشر شده است، زیست‌کره اولیه زمین را بازتصویر می‌کند. آنها با بررسی چگونگی فیلتر شدن نور در دریاهای غنی از آهن، فرضیه‌ای جسورانه ارائه می‌دهند: تکامل سیستم‌های فتوسنتزی سیانوباکتری‌ها عمیقا تحت تأثیر حضور نور سبز بوده است.
برای آزمودن این نظریه، ماتسو و همکارانش شبیه‌سازی‌های عددی دقیقی را اجرا کردند و محیط نوری زیر آب در دوران آرکئن (Archean eon) را بازسازی نمودند. این شبیه‌سازی‌ها شیمی اقیانوس، پراکندگی نور و جذب رنگدانه‌ها را در نظر گرفتند. آنها دریافتند که در اعماق ۵ تا ۲۰ متری، ذرات هیدروکسید آهن یک «پنجره نور سبز» پایدار ایجاد می‌کردند که حتی تغییرات ده برابری در غلظت ذرات نیز طیف نوری را به طور قابل توجهی تغییر نمی‌داد. در این شرایط، نور سبز غالب بود و کاملاً با محدوده جذبی PEB مطابقت داشت.
رنگ سبز اقیانوس های اولیه زمین
علاوه بر مدل‌ها، تیم آزمایش‌های ژنتیکی نیز انجام داد. آنها سویه‌هایی از سیانوباکتری‌ها را مهندسی کردند تا PEB تولید کنند. هنگامی که این سویه‌های اصلاح‌شده در معرض نور سبز قرار گرفتند، رشدشان از سویه‌های وحشی (بدون مهندسی) پیشی گرفت.
اما شبیه‌سازی‌ها و نتایج آزمایشگاهی کافی نبود. در سال ۲۰۲۳، ماتسو به جزیره ایوو (Iwo Island) در ژاپن سفر کرد. در آنجا، طبیعت نمونه‌ای نادر و مشابه اقیانوس‌های باستانی زمین را ارائه می‌داد. چشمه‌های آب گرم زیر جزیره (Fe(II آزاد می‌کنند که به هیدروکسید آهن اکسید می‌شود؛ درست مانند آنچه میلیاردها سال پیش در اقیانوس‌های اولیه رخ می‌داد. ماتسو می‌گوید: «از روی قایق، می‌توانستیم ببینیم که آب‌های اطراف به دلیل هیدروکسیدهای آهن، درخششی سبز رنگ مشخص داشتند، دقیقا همانطور که تصور می‌کردم زمین در گذشته به نظر می‌رسید.» اندازه‌گیری‌ها در عمق ۵.۵ متری، غلبه نور سبز را تأیید کرد و تجزیه و تحلیل فلورسانس نشان داد که سیانوباکتری‌ها در این عمق حاوی PEB بیشتری نسبت به سطح بودند؛ یک پژواک مدرن کامل از دنیای باستان.
فیکوبیلیزوم‌ها: ابزارهای زاده نور
فیکوبیلیزوم‌ها همچنان یکی از ویژگی‌های بارز سیانوباکتری‌ها هستند. این ساختارها که برای جذب نور در طیف وسیعی از طول موج‌ها تکامل یافته‌اند، عمدتا از سه پروتئین اصلی تشکیل شده‌اند: فیکواریترین (PE)، فیکوسیانین (PC) و آلوفیکوسیانین (APC). در اقیانوس‌های آرکئن، توانایی PE در جذب نور سبز و انتقال آن به کلروفیل a بی‌نظیر بود. تجزیه و تحلیل‌های تبارشناسی نشان می‌دهد که حتی اولین سیانوباکتری‌ها سیستم کامل PE–PC–APC را داشتند. با گذشت زمان، برخی سیانوباکتری‌ها، به ویژه آنهایی که با شرایط نوری روشن‌تر یا متفاوت سازگار شدند، PE را از دست دادند. اما برای ساکنان اولیه اقیانوس‌های سبز، PE حیاتی بود.
پیامدهای گسترده: از تاریخ زمین تا جستجوی حیات فرازمینی
رنگ سبز اقیانوس های اولیه زمین
پیامدهای اقیانوس‌های سبز فراتر از تاریخ زمین است و نحوه جستجوی ما برای حیات در جهان‌های بیگانه را تغییر می‌دهد. به طور سنتی، اخترشناسان به دنبال سیارات آبی بوده‌اند، با این فرض که آب این رنگ را منعکس می‌کند. اما همانطور که تیم ماتسو نشان داد، اقیانوس‌های غنی از هیدروکسید آهن از فاصله دورتر، روشن‌تر و سبزتر به نظر می‌رسند. ماتسو توضیح می‌دهد:
داده‌های سنجش از راه دور نشان می‌دهد که آب‌های غنی از هیدروکسید آهن، مانند آب‌های اطراف جزیره ایوو، به طور قابل توجهی روشن‌تر از اقیانوس‌های آبی معمولی به نظر می‌رسند. این ما را به این فکر می‌اندازد که اقیانوس‌های سبز ممکن است از فاصله دورتری قابل مشاهده باشند و تشخیص آنها آسان‌تر باشد.
در جستجوی حیات فرازمینی، شاید بهتر باشد دانشمندان پالت رنگی خود را گسترش دهند. رنگ سبز می‌تواند نشانه‌ای از اقیانوس‌هایی باشد که مملو از فعالیت میکروبی هستند و توسط شیمی، درست مانند زمین اولیه ما، شکل گرفته‌اند.
تغییر پنجره نوری زمین
پنجره نوری روی زمین همیشه ثابت نمانده است. پیش از رویداد بزرگ اکسیداسیون (GOE)، محیط نوری سیاره به نفع رنگ سبز بود. پس از GOE، با افزایش سطح اکسیژن و کاهش آهن، اقیانوس‌ها شفاف‌تر شدند و پنجره نوری به سمت سفید تغییر کرد. گیاهان خشکی تحت این نور سفید تکامل یافتند و سیانوباکتری‌های روی خشکی دیگر نیازی به PE نداشتند. با این حال، در زیستگاه‌های کم‌نور زیر آب، PE همچنان ضروری باقی ماند.
این پژوهش تصویری متفاوت از زمین اولیه را ترسیم می‌کند: کره‌ای به رنگ سبز کم‌رنگ که در آن نور، حیات را به شیوه‌هایی غیرمنتظره شکل داده است و درک ما را از تکامل اولیه حیات و شرایط لازم برای آن در سیارات دیگر عمیق‌تر می‌کند.
