Kako nam geološka istorija naše planete pomaže u potrazi za vanzemaljskim tragovima života

Jedan od četiri glavna cilja svemirskog teleskopa „Džejms Veb“ je proučavanje egzoplaneta – planeta koje se nalaze izvan našeg Sunčevog sistema – i utvrđivanje od kojih gasova se sastoji njihova atmosfera. Novo istraživanje variranja nivoa kiseonika na Zemlji tokom geološkog razvoja ponudilo je naznake o tome šta zapravo treba tražiti, navode istaživači Aleks Kraus sa Univerziteta u Kaliforniji i biogeolog Bendžamin Mils sa Univerziteta Lids.

U nameri da ustanove kako, kada i zašto bi život mogao evoluirati na drugim planetama, naučnicima je bilo logično da istraže geološku istoriju jedine planete za koju trenutno znamo da na njoj postoji život: Zemlje. Razumevanje komplikovane evolucione istorije naše planete moglo bi da pruži ključ za pronalaženje drugih planeta sposobnih da podrže život.

Život i kiseonik

Znamo da je životinjama potreban kiseonik da bi preživele, iako je nekima, poput sunđera, potrebno manje od drugih. Ipak, dok je kiseonik danas dostupan, i čini 21 odsto atmosfere, takođe znamo da to nije bilo tako tokom većeg dela geološke istorije Zemlje.

Ako bismo putovali duboko u našu prošlost, pre oko 450 miliona godina, morali bismo sa sobom da ponesemo prilične zalihe kiseonika. Ali ono u šta smo manje sigurni je apsolutna količina kiseonika u atmosferi i okeanima kroz vreme i da li je porast nivoa kiseonika podstakao evoluciju života, ili obrnuto. Ova pitanja su zapravo izazvala brojne debate i decenije istraživanja.

Trenutna istraživanja pokazuju da je nivo kiseonika rastao u tri velika talasa. Prvi, nazvan „veliki događaj oksidacije“, dogodio se pre oko 2,4 milijarde godina, transformišući Zemlju iz planete koja je u suštini bez kiseonika u atmosferi i okeanima u planetu sa kiseonikom kao trajnim obeležjem. Treći se dogodio pre oko 420 miliona godina i naziva se „događaj oksigenacije paleozoika“, koji je doveo do porasta atmosferskog kiseonika do današnjeg nivoa.

Ali između ova dva događaja, pre nekih 800 miliona godina, nalazi se drugi korak: „oksigenacija neoproterozoika“. U početku, informacije izvučene iz sedimentnih stena formiranih na dnu okeana ukazivale su da je tokom tog vremena nivo kiseonika porastao do skoro današnjeg nivoa.

Međutim, dodatni podaci prikupljeni u međuvremenu upućuju na nešto komplikovaniju istoriju nivoa kiseonika. Važno je da se „oksigenacija neoproterozoika“ dogodila neposredno pre dokaza o pojavi prvih životinja, od pre oko 600 miliona godina.

Modeliranje nivoa kiseonika

Naučnici su nastavili da istražuju i rekonstruišu nivoe kiseonika u atmosferi tokom ovog perioda kako bi utvrdili pod kojim uslovima su se pojavile prve životinje. Kako bi to izveli, napravili su kompjuterski model Zemlje, u koji su uneti podaci o različitim procesima koji mogu da emituju kiseonik u atmosferu ili da ga uklone.

Istraživali su stene koje sadrže ugljenik, nastale širom sveta, kako bi izračunali drevne stope fotosinteze. Fotosinteza je proces tokom kog biljke i mikrobi koriste sunčevu svetlost, vodu i ugljen-dioksid za stvaranje kiseonika i energije u obliku šećera – glavnog izvora kiseonika na Zemlji.

Ugljenik prirodno postoji u mnogim izotopima – atomima sa različitim brojem neutrona u svom jezgru. Različiti izotopi stoga imaju neznatno različite veličine i mase.

Ispitani su izotopi ugljenika poznati kao ugljenik-12 i ugljenik-13, koji ne podležu radioaktivnom raspadu. Biljke više vole da koriste ugljenik-12 – najlakši izotop – tokom fotosinteze, ostavljajući ga u morskoj vodi, a potom i stenama koje se formiraju na dnu okeana, obogaćene ugljenikom-13.

Kada se analiziraju ove stene, milionima ili čak milijardama godina kasnije, ako se pronađe više ugljenika-13 nego ugljenika-12, može se pretpostaviti da je bilo više fotosinteze, a time i veće proizvodnje kiseonika. Zatim su istraživači napravili model vulkanskih aktivnosti, pošto oni oslobađaju gasove koji reaguju sa kiseonikom i uklanjaju ga iz atmosfere.

Ovaj postupak je odabran samo zato što većina geoloških dokaza iz tog perioda nije sačuvana, a ovi odnosi izotopa ugljenika su jedan od retkih dobro definisanih skupova podataka koje naučnici imaju na raspolaganju iz ovog perioda.

Ustanovljeno je da, umesto jednostavnog skoka nivoa kiseonika tokom neoproterozooske ere, količina kiseonika u atmosferi značajno promenila, u geološkim vremenskim okvirima, veoma brzo. Dok je pre 750 miliona godina kiseonik činio 12 odsto atmosfere, za samo nekoliko desetina miliona godina, on je pao na oko 0,3 odsto – pre nego što je ponovo porastao, nekoliko miliona godina kasnije.

Istraživanje pokazuje da je atmosferski kiseonik verovatno nastavio ovaj ples između visokog i niskog nivoa sve dok biljke nisu stekle uporište na Zemlji pre nekih 450 miliona godina.

U potrazi za vanzemaljskim životom

Ovi rezultati su intrigantni iz više razloga. Često se mislilo da je relativna stabilnost koju je Zemlja iskusila tokom većeg dela istorije u poslednjih 4,5 milijardi godina neophodna da bi život cvetao.

Ali ako su prve životinje evoluirale u pozadini veoma promenljivih nivoa kiseonika, to ukazuje da bi umesto toga mogle biti potrebne neke dinamičke promene kako bi se podstakle ekološke inovacije.

Rezultati do kojih su došli Kraus i Mils ukazuju da su periodi niskih nivoa kiseonika u atmosferi mogli biti važni za razvoj složenijeg života tako što su izazvali izumiranje nekih jednostavnih organizama i omogućili preživelima da se prošire i diverzifikuju kada nivo kiseonika ponovo poraste. Zaključak je da zato ne bi trebalo isključiti da proučimo neke egzoplanete koje imaju mali nivo kiseonika u atmosferi.

Naravno, ovde se polazi od analogije sa životom na Zemlji. Ali forme života na drugim planetama mogu biti potpuno drugačiji od ovog na Zemlji. Ali kao polazna tačka u našoj potrazi za vanzemaljskim životom, razumevanje istorije atmosferskog kiseonika na Zemlji može biti dragocen putokaz.