پیدایش حیات پیچیده در اقیانوس‌های زمین یکی از بزرگ‌ترین پرسش‌های علوم طبیعی است. زمین‌شناسان برای سال‌ها به دنبال محرک‌های اصلی شکل‌گیری ساختارهای زیستی پیشرفته بوده‌اند. بررسی‌های جدید نشان می‌دهد که پاسخ این معما ممکن است در ریشه‌های عمیق کوه های باستانی آنتارکتیکا پنهان شده باشد. شکل‌گیری رشته‌کوه‌های عظیم در ابرقاره گوندوانا و فرسایش تدریجی آن‌ها چرخه شیمیایی اقیانوس‌ها را به کلی تغییر داد. این فرایند با انتقال حجم عظیمی از مواد مغذی به آب‌ها، شرایط محیطی لازم را برای تکامل ارگانیسم‌های پیچیده فراهم ساخت.
در این مطلب می خوانید
امروزه بیش از 99.5 درصد از سطح قاره آنتارکتیکا را لایه‌های ضخیم یخ پوشانده است. این پوشش گسترده مانع از دسترسی مستقیم به صخره‌های بستر قاره می‌شود. با این حال دانشمندان دانشگاه ملی استرالیا با تحلیل رسوبات اقیانوسی موفق شده‌اند تاریخچه زمین‌ساختی این منطقه را بازسازی کنند. آن‌ها با بررسی بلورهای میکروسکوپی زیرکن که توسط جریان‌های آب باستانی منتقل شده‌اند، به شواهد تازه‌ای از وجود کوه‌هایی هم‌اندازه هیمالیا دست یافته‌اند. این کوه‌ها بین 650 تا 450 میلیون سال پیش ارتفاع یافته و سپس در اثر فرسایش شدید از میان رفته‌اند.
بررسی تحولات زمین‌ساختی نشان می‌دهد که تغییرات پوسته سیاره همواره با دگرگونی‌های اتمسفری و زیستی همراه بوده است. شکل‌گیری ابرقاره گوندوانا حاصل برخورد قطعات متعدد قاره‌ای بود که فشارهای ساختاری عظیمی بر لایه‌های زیرین وارد کرد. این برخوردهای سهمگین باعث بالا آمدن کمربندهای کوهستانی بسیار مرتفعی شد که طول آن‌ها هزاران کیلومتر را در بر می‌گرفت. درک نحوه تعامل این سازه‌های عظیم با جو و اقیانوس‌ها، کلید درک چگونگی شکل‌گیری شرایط زیستی مناسب برای جانوران اولیه است.
کوه های باستانی آنتارکتیکا چگونه زیست بوم اقیانوس ها را دگرگون کردند؟
بلور زیرکن به دلیل مقاومت فوق‌العاده در برابر فرسایش شیمیایی و فیزیکی، نقش یک بایگانی ارزشمند را برای زمین‌شناسان ایفا می‌کند. این کانی هنگام شکل‌گیری، مقادیری از عنصر اورانیوم را در ساختار خود جای می‌دهد که با گذشت زمان به سرب تبدیل می‌شود. پژوهشگران با اندازه‌گیری نسبت این دو عنصر در 1712 دانه زیرکن جدید و ترکیب آن با نمونه‌های قبلی، شرایط فشار و دمای زمان تبلور را محاسبه کردند. نتایج این بررسی که در نشریه Earth and Planetary Science Letters منعکس شده، نشان می‌دهد این سنگ‌ها در عمق بسیار زیاد و تحت فشار سنگین پوسته زمین شکل گرفته‌اند.
چنین فشارهای عظیمی تنها در ریشه‌های عمیق کمربندهای کوه‌زایی ناشی از برخورد ورقه‌های قاره‌ای ایجاد می‌شوند. در دوران شکل‌گیری ابرقاره گوندوانا، بخش‌های مربوط به آنتارکتیکا، هند، استرالیا و کالاهاری به یکدیگر متصل شدند. این همگرایی قاره‌ای باعث پیدایش رشته‌کوه‌های مرتفعی شد که هزاران کیلومتر امتداد داشتند. فرسایش مداوم این صخره‌های عظیم طی ده‌ها میلیون سال، ذرات رسوبی فراوانی تولید کرد که به اقیانوس‌های اطراف سرازیر شدند. سیستم‌های عظیم بادبزن توربیدیتی شکل‌گرفته در بستر دریا، گواهی بر ابعاد وسیع این فرسایش قاره‌ای هستند. در همین زمینه مطالعه درباره چرخه حوادث زمین نشان می‌دهد که تحولات درونی سیاره با چرخه‌های زیستی ارتباط تنگاتنگی دارند.
تحلیل ساختار شیمیایی زیرکن‌ها ثابت می‌کند که سیگنال کوه‌زایی گوندوانا یکی از قوی‌ترین آثار زمین‌ساختی ثبت‌شده در تاریخ کره زمین است. اگرچه این ارتفاعات در طول زمان کاملا ناپدید شده‌اند، رسوبات به‌جای‌مانده از آن‌ها لایه‌های زیرین یخ‌های قطبی را تشکیل داده‌اند. شواهد زمین‌شناختی نشان می‌دهند خرد شدن این صخره‌ها موجب آزادسازی عناصر کمیاب مانند فسفر و آهن در مقیاس سیاره‌ای شد. این مواد شیمیایی همانند کودهای طبیعی در اقیانوس‌ها عمل کرده و بستر رشد انبوه جلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها را فراهم ساختند.
فرآیند سن‌سنجی اورانیوم-سرب به زمین‌شناسان اجازه می‌دهد شناسنامه دقیقی از رویدادهای تکتونیکی گذشته استخراج کنند. مقاومت مکانیکی بالای زیرکن باعث می‌شود حتی پس از نابودی کامل صخره‌های مادر، اطلاعات مربوط به فشار و دمای زمان پیدایش آن‌ها دست‌نخورده باقی بماند. این داده‌ها امکان نقشه‌برداری از قاره‌های ناپدیدشده و تخمین ارتفاع کوه‌های ازدست‌رفته را با دقت بالا فراهم می‌سازد.
چرخه زمین شیمیایی اکسیژن و دفن کربن در رسوبات اقیانوسی
افزایش جلبک‌های فتوسنتزکننده در اقیانوس‌ها به تنهایی برای تغییر ترکیب اتمسفر کافی نیست. چنانچه مواد ارگانیک حاصل از مرگ این ارگانیسم‌ها در مجاورت اکسیژن تجزیه شوند، اکسیژن تولیدشده مجددا مصرف می‌شود و دی‌اکسید کربن به جو بازمی‌گردد. برای تثبیت اکسیژن در اتمسفر و افزایش غلظت آن، ماده ارگانیک باید به سرعت از دسترس اکسیژن خارج و در بستر اقیانوس دفن شود. فرسایش کوه‌های گوندوانا دقیقا چنین مکانیسمی را در مقیاس وسیع ایجاد کرد.
جریان‌های رسوبی شدید باعث دفن سریع شیل‌های غنی از کربن ارگانیک و پیریت یا همان سولفید آهن در اعماق دریا شدند. این دفن سریع، واکنش شیمیایی اکسیژن با مواد ارگانیک را متوقف ساخت و اجازه داد اکسیژن آزادشده در آب و اتمسفر باقی بماند. هم‌زمان، ورود مداوم فسفر و آهن نرخ فتوسنتز را در بالاترین حد ممکن نگه داشت. مجموع این فرایندها سطح اکسیژن را به آستانه‌ای رساند که امکان تنفس و رشد جانوران اسکلت‌دار و بزرگ در دوره کامبرین فراهم شد. در تحلیل‌های مشابه اقلیمی، بررسی تغییرات اقلیمی اقیانوس اطلس نیز اهمیت جریان‌های دریایی را در توزیع انرژی و مواد شیمیایی نشان می‌دهد.
تزریق فسفر به اقیانوس‌ها را می‌توان نقطه عطف چرخه زیستی آن دوران دانست. فسفر همواره اصلی‌ترین عامل محدودکننده رشد ارگانیسم‌های دریایی بوده است. با آزادسازی این عنصر از صخره‌های دگرگون‌شده، پتانسیل تولید زیستی اقیانوس‌ها چندین برابر افزایش یافت. این جهش در پایه زنجیره غذایی، انرژی لازم را برای تکامل سیستم‌های عصبی و حرکتی پیچیده در جانوران نخستین تامین کرد. بدین ترتیب، تحولات عمیق پوسته زمین مستقیما بر ساختار زیست‌کره اثر گذاشت.
تحلیل‌های آزمایشگاهی روی رسوبات به‌جای‌مانده نشان می‌دهد نرخ ترسیب کربن در این دوره به بالاترین میزان خود رسیده است. دفن هم‌زمان پیریت نیز نقش مهمی در آزادسازی اکسیژن ایفا کرد، زیرا گوگرد موجود در پیریت مانع از مصرف اکسیژن در واکنش‌های اکسیداسیون شد. تعامل پایدار میان فرسایش سنگ‌ها، رسوب‌گذاری سریع و واکنش‌های زیست‌شیمیایی، شرایطی بی‌نظیر برای پایداری اکسیژن جو ایجاد نمود.
ارزیابی انتقادی و محدودیت های مدل سازی زمین شناسی
با وجود شواهد استوار در زمینه فرسایش کوه‌ها، نباید این فرایند را تنها علت رویداد انفجار کامبرین دانست. تکامل حیات فرایندی چندوجهی است که از عوامل ژنتیکی، تغییرات مداری زمین و نوسانات اقلیمی اثر می‌پذیرد. ارزیابی دقیق داده‌ها نشان می‌دهد فرسایش سنگ‌ها بستری مساعد ایجاد کرده اما الزاما تمام چرخش‌های زیستی را هدایت نکرده است.
محدودیت اصلی این مدل‌سازی در عدم قطعیت زمان‌بندی غلظت اکسیژن نهفته است. محاسبات موجود در پژوهش‌های زمین‌شیمیایی نمی‌توانند غلظت دقیق اکسیژن جو را در تمام بازه‌های زمانی با قطعیت تعیین کنند. برای نمونه، نوسانات اکسیژنی ثبت‌شده در حدود 800 میلیون سال پیش هنوز به طور کامل توسط این مدل توضیح داده نمی‌شوند. همچنین به دلیل پوشش ضخیم یخی در آنتارکتیکا، تمام نمونه‌برداری‌ها از رسوبات پیرامونی انجام شده و مکان دقیق سیستم‌های رسوبی زیر یخ هنوز مستقیما کاوش نشده است.
مقایسه فرسایش گوندوانا با رشته‌کوه هیمالیای امروزی ابعاد این تحول را روشن‌تر می‌سازد. اگرچه هیمالیا امروزه حجم زیادی از رسوبات را وارد دریا می‌کند، مقیاس کوه‌زایی گوندوانا و گستردگی آن در ابرقاره بسیار وسیع‌تر بوده است. این تفاوت مقیاس نشان می‌دهد تحولات زمین‌ساختی عظیم قادرند مسیر تکاملی کل سیاره را تغییر دهند.
کاوش‌های آینده و به‌کارگیری ابزارهای لرزه‌نگاری پیشرفته می‌تواند ابعاد تازه‌ای از این ریشه‌های پنهان را آشکار کند. درک کامل این سازوکارهای باستانی نه تنها تاریخچه حیات روی زمین را شفاف‌تر می‌سازد، بلکه سنجه‌های تازه‌ای برای ارزیابی پتانسیل زیست‌پذیری در سایر سیارات خاکی ارائه می‌دهد.
