חשיבה מחודשת על מקור החמצון של כדור הארץ
הסיפור המוכר בספרי הלימוד על מקור החמצן של כדור הארץ מתמקד ביצורים מיקרוביאליים. לפני מיליארדי שנים, ציאנובקטריות פוטוסינתטיות החלו לשחרר חמצן לסביבה, שבתורה שינתה את האטמוספירה בדרך שאנו מכנים היום "אירוע החמצון הגדול". אך מחקר חדש מציע כי ליבת כדור הארץ עצמה אולי שיחקה תפקיד תומך בכך, והראה כי מגמה עמוקה בתת הקרום יכולה לאגור יותר חמצן ממה שמדענים העריכו עד כה.
המחקרים שהתפרסמו בכתב העת National Science Review מצביעים על כך שתמיסות של באזל מותכות בלחצים קיצוניים עשויות לספוח חמצן עודף שמגיע ליותר מ-5% ממשקלה של המגמה. החוקרים מציעים כי החמצן שנשא המגמה יכל לתרום לחמצן שבאטמוספירה כשהתפרצה אל פני השטח.
המחברים מדגישים כי מוגבלויות יש במחקר – הוא מראה את הקיבולת הפוטנציאלית, אך לא היסטוריה מגולמת. הם ציינו כי זו הערכה של יכולות, ולא תיאור של תהליכים היסטוריים של כדור הארץ, לפי מה שכתבו ב-ScienceDaily.
הכנסת באזל בלחצים בחדר המחקר
הצוות שהוביל את המחקר כלל את יאנחאו לין וחוא-קואנג מאו מהמכון ללמודת לחקר לחצים גבוהים וטכנולוגיות מתקדמות בסין, בשותפות עם הייגיאנג ניוא מאוניברסיטת הפוליטכנית הצפון-מערבית ועם ויש ווסטרנין מאוניברסיטת וירג'יניה החופשית באמסטרדם.
החוקרים התחילו עם דגם סינתטי של באזל הממוקמת במרכזי רכסי ים אוקייניים, שהיא הסוג הנפוץ ביותר של סלעי וולקני על פני כדור הארץ. בעזרת מכשירי הכוח הגדולים שלהם, הם חיממו את המדגמים לטמפרטורות שבין 1,200 ל-1,800 מעלות צלזיוס, שהם בערך בין 2,200 ל-3,300 מעלות פרנהייט. הם לחצו על המדגמים בלחצים עד 7 גיגאפסקל, שהם בערך 69,000 פעם יותר מהלחץ באטמוספירה בלחיי הים, והתנאים הללו דומים ללחצים המשתרעים מתחת לפני הקרום של כדור הארץ.
כדי ליצור סביבה עשירה בחמצן, הוסיפו אוקסיד platinum. אחר כך קיררו את המדגמים במהירות וביצעו התקררות מיידית, שהכילה את החמצן שהמגמה ספחה בתוכה במהלך הממסר.
התוצאות הוכיחו שהן תלויות בלחץ. בלחץ אטמוספירי רגיל, אחוז החמצן המיותר היה כמעט אפס. בלחץ של 7 גיגאפסקל, עם תוספת אוקסיד platinum, חמצן עודף עלה על 5% ממשקל המדגם. אפילו בלי הוספת מקורות חמצן חיצוניים, נרשמה תכולה של 0.2% עד 0.5% חמצן עודף ממשקל החומר.
ספקטרוסקופיית רמדאן מבוססת לייזר לא הראתה סימני בועות של גז חמצן שנתפסו במבנה, דבר שמעיד שהחמצן המתווסף לא היה בגז אלא חלק מבנייה פנימית של הזכוכית שנוצרה.
סימולציות ממוחשבות באמצעות רשתות נוירונים חזרו על המגמה של תלות בלחץ, אך עם ריכוזים נמוכים יותר, והציגו שלוגים של אטומי חמצן המשתתפים בקשרים דומים לפרוקסיד.
החוקרים ציינו כי ייתכן כי תוצאותיהם מוערכות כהערכה אופטימית מתחת לפוטנציאל האמיתי של המגמה, משום שייתכן שחלק מהחמצן זלג החוצה במהלך הקירור.
קשר אפשרי לאירוע החמצון הגדול
החלק באטמוספירה של חמצן עלה בצורה חדה בין כ-2.5 ל-2.0 מיליארד שנים אחורה, תקופה המכונה לעיתים "אירוע החמצון הגדול". באותה תקופה, התרחשה גם התפרצות של כמה מהתפרצויות הוולקניות הגדולות ביותר בתולדות כדור הארץ, המכונות "פרובינציות מגה-גאיות", שפיזרו כמויות עצומות של לבה על פני פני השטח.
המחברים מעריכים כי שחרור חמצן מתהליכי ההתפרצויות הוולקניות הללו אולי תרם לעלייה הזו. הערכה מוקדמת מראה כי חמצן מיותר כ-0.27% ממשקל המגמה שהתפרצה יכל אולי בהשערה תיאורטית להתאים לכמות החמצן שבאטמוספירה של ימינו.
עיקרו של המספר זה הבעת אפשרות — לא שיחזור היסטורי. הוא מצביע על כך שפוטנציאל המגמה האידיאלי שיכול היה לאגור חמצן תלוי במיקומה ובמהירות שבה היא עולה לפני השטח. אם אכן כך היה, זה מוסיף נדבך חדש לדיון על מקור החמצן בכדור הארץ באמצעות תהליכים גאולוגיים, בנוסף לחלקו המרכזי של החי בתהליך.
בדיקת הוכחות: קיבולת מול היסטוריה
חשוב להדגיש כי סוג המחקר נבדק – מדובר בניסויים במעבדה ובסימולציות בתנאים מבוקרים, תוך שימוש בסלעי באזל סינתטיים ובעזרת חמצן שהוספו. סלעים טבעיים עשויים להיווצר בתנאים מורכבים יותר, ואיך הם נושאים חמצן עדיין לוט בערפל. אף הם מציינים כי יש צורך במחקרים נוספים כדי לאשש את הממצאים האלה, כעת.
ההישג המדעי הזה אינו מבטל את הסיפור הביולוגי של מקורות החמצן על פני כדור הארץ. מיקרובים פוטוסינתטיים נשארים המקור המרכזי של החמצן באטמוספירה, והחוקרים כבר תקופה ארוכה דנים כיצד כימיה של הלוחות הוולקניים והמורכבות של הליבה השפיעו על קצב ההצטברות של חמצן. העבודה החדשה מוסיפה לסוגיה זו מנגנון אפשרי, מבלי להפריך את תפקיד החיים עצמן.
קיימת גם תעלומה עתיקת יומין שהרעיון הזה עשוי לסייע בהבנתה. ציאנובקטריות עושות שימוש בפוטוסינתזה שמייצרת חמצן מאות מיליוני שנים לפני שהחמצן החל להצטבר באטמוספירה, כפי שדווח ב- Universe Today, ומדענים הציעו הסברים רבים לאיטיות זו. שינויים בכימיה של הרי הוולקניים ומרכיבי המנטל, כגון גזים שצורכים חמצן, היו חלק בלתי נפרד מהדיון הזה מזה שנים. מגמה של מגמה נושאת חמצן נוספת תוספת אלמנט חדש למודלים הללו.
התלות בלחץ היא מה שהופכת את התוצאות למרתקות מאוד בהקשר של כדה״א העמוק. על פני השטח, המגמה כמעט ולא אוגרת חמצן עודף, אך בלחצים המקבילים לכמה גיגאפסקל, ההשפעה מתבררת משמעותית. הדבר מרמז שפוטנציאל המגמה לאגור חמצן תלוי מאוד במקום בו היא נוצרת ובקצב עלייתה לפני השטח.
מחקר זה גם רלוונטי בהקשר רחב יותר מחוץ לכדה״א העתיק. חוקרי חיפוש חיים על עולמות אחרים מיתרגמים לעיתים קרובות את נוכחות החמצן באטמוספירה כתמריץ אפשרי לקיום חיים. אם תהליכים גאולוגיים יכולים לתרום לחמצן גם הם, החוקרים יצטרכו לשלול מקורות וולקניים לפני שיוכלו לייחס חמצן על כוכבי לכת אחרים לסימן לביולוגיה.
השלבים הבאים יכללו מדידות של חמצן עודף בסלעים וולקניים טבעיים, במיוחד ישנים, וניסויים עם תערובות מגמה נוספות. החוקרים יצטרכו גם לדמות איך חמצן שווה נשאר בזמן עליית המגמה לפני השטח, משום שבמהלך זה הלחץ יורד והחומר מגיב עם הסלעים שסביבו. מחקרים כאלה יוכלו להראות האם הפוטנציאל שהתגלה במעבדה באמת תורם לתרומה היסטורית של כדור הארץ.
המסקנה היא שמגמה עמוקה יכולה לאגור כמויות מפתיעות של חמצן, וזה עשוי לרמז שהתוך של כדור הארץ שיחק תפקיד בעיצוב האטמוספירה שלו. לעת עתה, המחקרים מראים מה הרי הוולקניים היו מסוגלים לעשות, אך לא בהכרח מה הם עשו במציאות לאורך ההיסטוריה של כדור הארץ.
