Како нам геолошка историја наше планете помаже у потрази за ванземаљским траговима живота

Један од четири главна циља свемирског телескопа „Џејмс Веб“ је проучавање егзопланета – планета које се налазе изван нашег Сунчевог система – и утврђивање од којих гасова се састоји њихова атмосфера. Ново истраживање варирања нивоа кисеоника на Земљи током геолошког развоја понудило је назнаке о томе шта заправо треба тражити, наводе истаживачи Алекс Краус са Универзитета у Калифорнији и биогеолог Бенџамин Милс са Универзитета Лидс.

У намери да установе како, када и зашто би живот могао еволуирати на другим планетама, научницима је било логично да истраже геолошку историју једине планете за коју тренутно знамо да на њој постоји живот: Земље. Разумевање компликоване еволуционе историје наше планете могло би да пружи кључ за проналажење других планета способних да подрже живот.

Живот и кисеоник

Знамо да је животињама потребан кисеоник да би преживеле, иако је некима, попут сунђера, потребно мање од других. Ипак, док је кисеоник данас доступан, и чини 21 одсто атмосфере, такође знамо да то није било тако током већег дела геолошке историје Земље.

Ако бисмо путовали дубоко у нашу прошлост, пре око 450 милиона година, морали бисмо са собом да понесемо приличне залихе кисеоника. Али оно у шта смо мање сигурни је апсолутна количина кисеоника у атмосфери и океанима кроз време и да ли је пораст нивоа кисеоника подстакао еволуцију живота, или обрнуто. Ова питања су заправо изазвала бројне дебате и деценије истраживања.

Тренутна истраживања показују да је ниво кисеоника растао у три велика таласа. Први, назван „велики догађај оксидације“, догодио се пре око 2,4 милијарде година, трансформишући Земљу из планете која је у суштини без кисеоника у атмосфери и океанима у планету са кисеоником као трајним обележјем. Трећи се догодио пре око 420 милиона година и назива се „догађај оксигенације палеозоика“, који је довео до пораста атмосферског кисеоника до данашњег нивоа.

Али између ова два догађаја, пре неких 800 милиона година, налази се други корак: „оксигенација неопротерозоика“. У почетку, информације извучене из седиментних стена формираних на дну океана указивале су да је током тог времена ниво кисеоника порастао до скоро данашњег нивоа.

Међутим, додатни подаци прикупљени у међувремену упућују на нешто компликованију историју нивоа кисеоника. Важно је да се „оксигенација неопротерозоика“ догодила непосредно пре доказа о појави првих животиња, од пре око 600 милиона година.

Моделирање нивоа кисеоника

Научници су наставили да истражују и реконструишу нивое кисеоника у атмосфери током овог периода како би утврдили под којим условима су се појавиле прве животиње. Како би то извели, направили су компјутерски модел Земље, у који су унети подаци о различитим процесима који могу да емитују кисеоник у атмосферу или да га уклоне.

Истраживали су стене које садрже угљеник, настале широм света, како би израчунали древне стопе фотосинтезе. Фотосинтеза је процес током ког биљке и микроби користе сунчеву светлост, воду и угљен-диоксид за стварање кисеоника и енергије у облику шећера – главног извора кисеоника на Земљи.

Угљеник природно постоји у многим изотопима – атомима са различитим бројем неутрона у свом језгру. Различити изотопи стога имају незнатно различите величине и масе.

Испитани су изотопи угљеника познати као угљеник-12 и угљеник-13, који не подлежу радиоактивном распаду. Биљке више воле да користе угљеник-12 – најлакши изотоп – током фотосинтезе, остављајући га у морској води, а потом и стенама које се формирају на дну океана, обогаћене угљеником-13.

Када се анализирају ове стене, милионима или чак милијардама година касније, ако се пронађе више угљеника-13 него угљеника-12, може се претпоставити да је било више фотосинтезе, а тиме и веће производње кисеоника. Затим су истраживачи направили модел вулканских активности, пошто они ослобађају гасове који реагују са кисеоником и уклањају га из атмосфере.

Овај поступак је одабран само зато што већина геолошких доказа из тог периода није сачувана, а ови односи изотопа угљеника су један од ретких добро дефинисаних скупова података које научници имају на располагању из овог периода.

Установљено је да, уместо једноставног скока нивоа кисеоника током неопротерозооске ере, количина кисеоника у атмосфери значајно променила, у геолошким временским оквирима, веома брзо. Док је пре 750 милиона година кисеоник чинио 12 одсто атмосфере, за само неколико десетина милиона година, он је пао на око 0,3 одсто – пре него што је поново порастао, неколико милиона година касније.

Истраживање показује да је атмосферски кисеоник вероватно наставио овај плес између високог и ниског нивоа све док биљке нису стекле упориште на Земљи пре неких 450 милиона година.

У потрази за ванземаљским животом

Ови резултати су интригантни из више разлога. Често се мислило да је релативна стабилност коју је Земља искусила током већег дела историје у последњих 4,5 милијарди година неопходна да би живот цветао.

Али ако су прве животиње еволуирале у позадини веома променљивих нивоа кисеоника, то указује да би уместо тога могле бити потребне неке динамичке промене како би се подстакле еколошке иновације.

Резултати до којих су дошли Краус и Милс указују да су периоди ниских нивоа кисеоника у атмосфери могли бити важни за развој сложенијег живота тако што су изазвали изумирање неких једноставних организама и омогућили преживелима да се прошире и диверзификују када ниво кисеоника поново порасте. Закључак је да зато не би требало искључити да проучимо неке егзопланете које имају мали ниво кисеоника у атмосфери.

Наравно, овде се полази од аналогије са животом на Земљи. Али форме живота на другим планетама могу бити потпуно другачији од овог на Земљи. Али као полазна тачка у нашој потрази за ванземаљским животом, разумевање историје атмосферског кисеоника на Земљи може бити драгоцен путоказ.