วิกฤติระดับออกซิเจนบนโลกยุคต้น

 

ภาพจากศิลปินแสดงโลกในบรมยุคอาร์เคียน(Archean Eon) 

     มีช่วงเวลาหนึ่งในความเป็นมาของโลก เมื่อราว 2.5 ถึง 4 พันล้านปีก่อน ดาวเคราะห์ของเราเคยเป็นกระสอบทรายให้กับดาวเคราะห์น้อย ในช่วงเวลาดังกล่าว โลกปะทะกับหินอวกาศก้อนใหญ่ๆ แทบทั้งสิ้น เมื่อเทียบกับสภาพที่ค่อนข้างเงียบเหงาในปัจจุบัน กิจกรรมนี้น่าจะส่งผลพอสมควรกับเคมีในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ของเรา แต่ระดับและแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงเหล่านั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ผลต่อระดับออกซิเจน ก็ยากที่จะระบุได้

     ขณะนี้ การศึกษาอนุภาคขนาดจิ๋วที่เคยหลอมเหลวในเปลือกโลก ได้เผยให้เห็นว่าการชนจากดาวเคราะห์น้อยเหล่านี้เกิดขึ้นถี่กว่าที่เคยคิดกัน ซึ่งอาจจะชะลอการเติมออกซิเจน(oxygenation) ให้กับชั้นบรรยากาศโลกให้ช้าไปอีก อนุภาคเหล่านั้นเรียกว่าสเฟียรูลจากการชน(impact spherules) ซึ่งถูกสร้างขึ้นเมื่อดาวเคราะห์น้อยดวงหนึ่งพุ่งเข้าชนโลก ได้สร้างความร้อนที่แผดเผารุนแรงจนเปลือกโลกหลอมเหลวและแตกเป็นละอองในอากาศ เมื่อวัสดุสารเหล่านี้ตกกลับ, เย็นตัวและแข็งตัวขึ้น มันจะก่อตัวเป็นชั้นของสเฟียรูลในเปลือกโลก

     ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา พบสเฟียรูลเหล่านี้มากขึ้นในการสำรวจและขุดเจาะแกนกลาง ซึ่งหมายความว่า อัตราการชนของดาวเคราะห์น้อยอาจจะสูงกว่าที่เคยวิเคราะห์ไว้ก่อนหน้านี้ถึง 10 เท่า นี่น่าจะส่งผลอย่างมากต่อระดับออกซิเจนบนโลกมากกว่าที่แบบจำลองก่อนหน้านี้บอกไว้ Simone Marchi นักธรณีวิทยาดาวเคราะห์จากสถาบันวิจัยเซาธ์เวสต์ กล่าวว่า แบบจำลองการระดมชน
(bombardment) ปัจจุบันประเมินตัวเลขชั้นสเฟียรูลช่วงปลายบรมยุคอาร์เคียน(Archean Eon) ต่ำกว่าความจริงไปมาก บอกว่าอัตราการเข้าชนในช่วงเวลานั้นสูงกว่าที่เคยคิดไว้ถึง 10 เท่า

ไทม์ไลน์ทางธรณีวิทยา

วิกฤติระดับออกซิเจน

     และหินจากอวกาศที่เพิ่มเติมเข้ามาทั้งหมดก็ทำให้เคมีที่ส่งผลให้มีการดึงออกซิเจนออกจากชั้นบรรยากาศจำนวนมากมาย ชั้นบรรยากาศโลกอุดมด้วยออกซิเจนได้อย่างไร, เมื่อใด และเพราะเหตุใดนั้น มีความสำคัญอย่างลึกซึ้งต่อความเข้าใจความสามารถในการเอื้ออาศัยของดาวเคราะห์ สิ่งมีชีวิตหลายเซลส์(multicellular organism) เกือบทั้งหมดบนโลกไม่สามารถมีชีวิตโดยปราศจากออกซิเจนได้ ถ้าไม่มีออกซิเจน เราเองก็คงอยู่ไม่ได้

      อย่างไรก็ตาม ด้วยเหตุผลที่ยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ ระดับออกซิเจนไม่ได้เพิ่มขึ้นมากมายนักในช่วงเวลาที่เราเรียกว่า Great Oxidation Event กระทั่งมีการอุบัติของแบคทีเรียสีเขียวแกมน้ำเงิน(cyanobacteria) ที่สังเคราะห์แสงเมื่อ 2.4 พันล้านปีก่อน การวิเคราะห์ใหม่ของทีมเผยให้เห็นว่า การระดมชนจากดาวเคราะห์น้อยน่าจะเป็นหนึ่งในกลไกที่ป้องกันไม่ให้ระดับออกซิเจนสูงขึ้น เมื่อหินอวกาศชนกับโลกก้อนแล้วก้อนเล่า ไอระเหยจากการชนน่าจะกำจัดออกซิเจนที่มีจำนวนจำกัดในชั้นบรรยากาศยุคต้นออกไป

ผู้ผลิตออกซิเจนรายใหญ่ให้กับโลก

     Laura Schaefer นักดาราศาสตร์และนักธรณีวิทยาจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด กล่าวว่า การระดมชนช่วงปลายบรมยุคอาร์เคียน โดยวัตถุที่มีขนาดเกิน 10 กิโลเมตรน่าจะสร้างก๊าซไวปฏิกิริยาได้มากพอที่จะกำจัดออกซิเจนที่มีระดับต่ำในชั้นบรรยากาศไปได้จนหมดสิ้น รูปแบบนี้สอดคล้องกับหลักฐานของสิ่งที่เรียกว่า ออกซิเจนจาง ซึ่งออกซิเจนในชั้นบรรยากาศลดลงอย่างฮวบฮาบแต่ค่อยๆ เพิ่มทีละน้อย ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อราว 2.5 พันล้านปีก่อน เราคิดว่าสภาพจางนี้ล่มสลายจากการชนซึ่งได้กำจัดออกซิเจนหมดไปจากชั้นบรรยากาศ นี่สอดคล้องกับการชนขนาดใหญ่ที่บันทึกในชั้นสเฟียรูลที่ โตรกบี(Bee Gorge) และโตรกเดลส์(Dales Gorge) ในออสเตรเลีย

      การวิเคราะห์ชั้นสเฟียรูลครั้งใหม่ของทีม ยังท้าทายแบบจำลองการชนก่อนหน้านี้และเพิ่มความรุนแรงของการชนขึ้น โดยพบว่าดาวเคราะห์น้อยที่มีขนาดเกินกว่า 10 กิโลเมตรน่าจะเข้ามาชนกับโลกทุกๆ 15 ล้านปีโดยประมาณ นี่อาจจะฟังดูไม่ถี่อะไร แต่ในทางธรณีวิทยาบอกได้เลยว่ามีดาวเคราะห์น้อยขนาดใหญ่จำนวนมาก และถี่กว่าที่เคยคิดไว้ถึง 10 เท่า

ภาพจากศิลปินแสดงการระดมชน(bombardment) บนโลกยุคต้น 

ระดับออกซิเจนกับอัตราการสูญพันธุ์ครั้งใหญ่

     แบบจำลองยังเผยว่าการชนเหล่านี้สร้างผลกระทบลดออกซิเจนสะสมด้วย มีแต่เพียงเมื่อการระดมชนซาลงที่ระดับออกซิเจนจึงจะเริ่มเพิ่มขึ้น เปลี่ยนแปลงเคมีบนพื้นผิวโลกและแปรสภาพดาวเคราะห์ให้กลายเป็นพิภพที่เอื้ออาศัยได้ ซึ่งขณะนี้นักวิจัยเชื่อแล้วว่าไม่ใช่เรื่องบังเอิญ

     ไอจากการชนเป็นสาเหตุให้ระดับออกซิเจนลดลงเป็นช่วงๆ ที่กินเวลานานหลังจาก Great Oxidation Event Marchi กล่าว เมื่อเวลาผ่านไป การชนจะเกิดถี่น้อยลงและเล็กเกินกว่าที่จะสามารถส่งผลต่อระดับออกซิเจนหลัง Great Oxidation Event ได้ โลกก็อยู่ในเส้นทางที่จะกลายเป็นดาวเคราะห์แบบปัจจุบัน งานวิจัยนี้เผยแพร่ใน Nature Geoscience

     งานวิจัยอีกชิ้นยังบอกถึงความสำคัญของระดับออกซิเจนบนโลกต่ออัตราการสูญพันธุ์ ไม่นานหลังจากรุ่งอรุณแห่งสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อน หลายสิบล้านปีก่อนที่จะเกิดการสูญพันธุ์ครั้งใหญ่ครั้งแรกในห้าครั้ง ก็มีคลื่นซากศพจำนวนมากลอยมาเป็นสาย นักวิทยาศาสตร์ได้โต้เถียงมาอย่างน้อย 40 ปี การสูญพันธุ์ก็ชะลอช้าลง

     การศึกษาใหม่จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดได้แสดงว่าระดับออกซิเจนที่เพิ่มสูงขึ้นอาจจะอธิบายว่าเพราะเหตุใด อัตราการสูญพันธุ์ทั่วโลกจึงลดลงตลอดบรมยุคฟาเนอโรโซอิค(Phanerozoic Eon) ซึ่งเริ่มต้นเมื่อ 541 ล้านปีก่อน ผลสรุปซึ่งเผยแพร่ใน Proceedings of the National Academy of Sciences วันที่ 4 ตุลาคม ชี้ไปถึงระดับออกซิเจนในชั้นบรรยากาศที่ 40% ของระดับปัจจุบันว่าเป็นตัวการสำคัญที่ทำให้ถิ่นอาศัยในมหาสมุทรขยายกว้างออกไปและอัตราการสูญพันธุ์บนโลกก็ลดลงอย่างฮวบฮาบ

     Erik Sperling ผู้เขียนอาวุโส ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านธรณีวิทยาศาสตร์ที่ สำนักโลก, พลังงานและวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด(Stanford Earth) กล่าวว่า ในประวัติศาสตร์ความเป็นมาของสิ่งมีชีวิตสัตว์บนโลกมีการสูญพันธุ์แบบล้างผลาญเกิดขึ้นมาตลอดก่อนหน้านั้น และจากนั้นก็ลดลงจนกระทั่งเหลือแค่การสูญพันธุ์ครั้งใหญ่(mass extinctions) เท่านั้น และก็ไม่เคยมีคำอธิบายใดๆ ว่าเพราะเหตุใดจึงมีการสูญพันธุ์แบบล้างผลาญเหล่านั้นในช่วงต้นเลย

     การศึกษาใหม่ได้เผยว่าแม้อุณหภูมิโลกจะอุ่นขึ้น 5 องศา(ซึ่งก็ถือว่าสุดขั้วมากสำหรับภูมิอากาศปัจจุบัน แต่เป็นเรื่องปกติของโลกในอดีตอันไกลโพ้น) ก็เกินจะเพียงพอให้เกิดการสูญพันธุ์แบบล้างผลาญในช่วงต้นของบรมยุคฟาเนอโรโซอิค งานวิจัยแสดงว่านี่ก็เพราะ ในโลกที่มีออกซิเจนต่ำ สัตว์น้ำก็อยู่บนขอบเหวในความสามารถในการหายใจและรักษาอุณหภูมิร่างกายแล้ว การค้นพบนี้มีนัยยะต่อความเขาใจชะตากรรมของสิ่งมีชีวิตในทะเลบนโลกที่ร้อนขึ้นในทุกวันนี้

การสูญพันธุ์ครั้งใหญ่(mass extinction) ทั้งห้าเหตุการณ์

มหาสมุทรเสมือนจริง

     ผู้เขียนใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์แสดงภูมิอากาศของโลก เพื่อจำลองอุณหภูมิน้ำทะเลและปริมาณของออกซิเจนที่น่าจะละลายในมหาสมุทรเมื่อปริมาณของคาร์บอนไดออกไซด์และออกซิเจนในชั้นบรรยากาศมีความปั่นป่วนตลอดบรมยุคฟาเนอโรโซอิคนี้ พวกเขาจับคู่แบบจำลองเสมือนจริงกับแบบจำลองคณิตศาสตร์ว่าด้วยปฏิสัมพันธ์ระหว่างสรีรวิทยาสัตว์กับสภาพแวดล้อมท้องถิ่น จากนั้นก็ประเมินสัดส่วนของชนิดสัตว์ทะเลที่น่าจะสูญเสียไปกับทุกๆ 5 องศาเซลเซียสที่มหาสมุทรอุ่นขึ้น ซึ่งก็คาดได้ว่าคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศก็น่าจะเพิ่มตามไป 4 เท่าตัวด้วย โลกที่ร้อนขึ้นเช่นนั้นเป็นแบบสุดขั้วแต่ก็ไม่ใช่สิ่งที่พบได้ยากในความเป็นมาของโลก

     ความพยายามเหล่านี้ช่วยให้ผู้เขียนได้สำรวจประชากรมหาสมุทรเสมือนจริงกับสิ่งมีชีวิตของจริง ซึ่งจะบอกได้ว่าใครจะอยู่รอดได้บ้าง นี่เป็นแบบจำลองสามมิติเต็มตัวที่มีฟิสิกส์ของการไหลเวียนน้ำรอบๆ ทวีปในลักษณะที่แตกต่างกัน และในชีวธรณีเคมีทั้งหมดด้วย Sperling กล่าว นี่เป็นความก้าวหน้าในการคำนวณครั้งใหญ่ยักษ์

อันตรายคู่

      ผลที่ได้สอดคล้องกับเหตุการณ์การสูญพันธุ์ครั้งใหญ่เป็นชุดที่เกิดในช่วง 50 ถึง 100 ล้านปีแรกของบรมยุคฟาเนอโรโซอิค ว่าเป็นผลโดยตรงจากระดับออกซิเจนที่ต่ำและการตอบสนองด้านสรีรวิทยาต่อความร้อน Richard Stockey ผู้เขียนนำ นักศึกษาปริญญาเอกสแตนฟอร์ดสาขาธรณีวิทยาศาสตร์ กล่าวว่า เราไม่จำเป็นต้องกล่าวหาสิ่งอื่นนอกเหนือจากการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศ เพื่ออธิบายอัตราการสูญพันธุ์ที่สูงผิดปกติและการสูญพันธ์ครั้งใหญ่ที่เกิดขึ้นดาษดื่นมากในช่วงต้นของบันทึกฟอสซิลสัตว์

ฟอสซิลบราคิโอพอด(brachiopod) และไครนอยด์(crinoids) จากปลายยุคออร์โดวิเชียน เมื่อราว 445 ล้านปีก่อน  

      จุดประสงค์แท้จริงก็เพื่อดูว่าจะขาดแคลนออกซิเจนได้แค่ไหน จนส่งผลต่อความสามารถของสัตว์ที่จะทนกับความร้อน นั้นเป็นเพราะเมื่อมหาสมุทรอุ่นขึ้น องค์ประกอบออกซิเจนจะลดลงในขณะที่ความต้องการออกซิเจนของสัตว์กลับเพิ่งสูงขึ้น นี่เป็นเรื่องจริงสำหรับสิ่งมีชีวิตเลือดเย็นที่พึ่งพาสภาพแวดล้อมภายนอกเพื่อกำกับอุณหภูมิร่างกายและเมตาบอลิซึม วิธีที่เราใช้ประเมินการเปลี่ยนแปลงออกซิเจนและการเปลี่ยนอุณหภูมิเป็นตัวแลกเปลี่ยนออกมา และประเมินพวกมันในทีเดียว เรากำลังทำกับฟอสซิลราวกับเป็นสิ่งมีชีวิตโบราณที่ยังมีชีวิต และคิดว่าพวกมันจะกินอาหาร, มีชีวิตและหายใจอย่างไร ง่ายๆ คือ พวกมันจะผ่านแต่ละวันไปได้อย่างไร

     นักวิจัยพบปัจจัยเพิ่มเติมหลายอย่างที่ส่งผลต่อสัดส่วนของสปีชีส์ที่ล้มตายในช่วงที่โลกอุ่นขึ้นตลอด 541 ล้านปีที่ผ่านไป ซึ่งรวมถึงการเรียงตัวของทวีปบนโลก, ประสิทธิภาพในการรีไซเคิลคาร์บอนระหว่างมหาสมุทรกับชั้นบรรยากาศ และสถานะของภูมิอากาศในจุดที่โลกเริ่มอุ่นขึ้น อย่างไรก็ตาม ออกซิเจนในชั้นบรรยากาศเป็นตัวกำกับหลักต่อความยืดหยุ่นในการสูญพันธุ์ ผู้เขียนเขียนไว้ การเปลี่ยนแปลงออกซิเจนในชั้นบรรยากาศน่าจะมีความสำคัญมากกว่าปัจจัยอื่นๆ อย่างมาก Stockey กล่าว

     การศึกษานี้ยังตอกย้ำการค้นพบก่อนหน้านี้จากทีมของ Sperling ว่าออกซิเจนและอุณหภูมิข้างใต้นั้นเป็นกุญแจที่ไขว้กันไปมาในการเข้าใจการสูญพันธุ์และรูปแบบการรอดชีวิตในมหาสมุทรโบราณ บันทึกทางธรณีวิทยาและบรรพชีวินวิทยากำลังบอกเราครั้งแล้วครั้งเล่าว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงรวมระหว่างออกซิเจนกับอุณหภูมิที่เป็นเพชรฆาตหลักสัตว์ทะเล Sperling กล่าว

สภาวะโลกร้อนในปัจจุบัน ทำให้อุณหภูมิในมหาสมุทรสูงขึ้น ส่งผลให้สิ่งมีชีวิตต้องอพยพเข้าไปน้ำที่เย็นมากขึ้น ทั้งในน้ำลึกขึ้น และขยับเข้าใกล้ขั้วโลกมากขึ้น 

     ในพื้นที่มหาสมุทรในทุกวันนี้บางส่วนก็มีระดับออกซิเจนที่ต่ำ ซึ่งรวมถึงน้ำที่ลึกกว่าที่ระดับไหล่ทวีปนอกชายฝั่งคาลิฟอร์เนีย ออกซิเจนที่ลดลงหรืออุณหภุมิที่เปลี่ยนแปลงอาจจะเป็นหายนะสำหรับสิ่งมีชีวิตที่ก็เต็มขีดจำกัดความสามารถในการใช้ออกซิเจนแล้ว Sperling กล่าวว่า จะมีบางที่ที่มีศักยภาพอันตรายในระดับสาบสูญ เมื่อการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศยิ่งผลักดันการอุ่นขึ้นของมหาสมุทรและสภาพออกซิเจนลดลง สำหรับช่วงร้อยล้านปีแรกของวิวัฒนาการสัตว์นั้น มหาสมุทรเกือบทั้งหมดก็มีสภาพแบบนั้น

แหล่งข่าว sciencealert.com : asteroids may have stolen the oxygen from Earth’s ancient atmosphere
               phys.org : scientists find oxygen levels explain ancient extinction slowdown