_{تالیف: دکتر سلطانی نژاد}

"بنام خداوند بزرگ"

تکامل شیمیائی جو(atmosphere) زمین و نحوه شکل گیری حیات

در این مقاله قصد دارم  توضیح دهم که چگونه سیاره ما دارای اتمسفر گردید و مهمتر اینکه چگونه اتمسفر ایجاد  شده در مراحل اولیه، توسط فرآیندهای متعدد فیزیکی، شیمیائی و بیولوژِک تغییر پیدا کرد، و بحالت امروزی رسید.

واقعیت این است که داستان تکامل اتمسفر زمین از همان آغاز هستی با یک انفجار بسیار مهیب(Big Bang)، آغاز گردید.

 

"بنام خداوند بزرگ"

تکامل شیمیائی جو(atmosphere) زمین و نحوه     شکل گیری حیات

در این مقاله قصد دارم  توضیح دهم که چگونه سیاره ما دارای اتمسفر گردید و مهمتر اینکه چگونه اتمسفر ایجاد  شده در مراحل اولیه، توسط فرآیندهای متعدد فیزیکی، شیمیائی و بیولوژِک تغییر پیدا کرد، و بحالت امروزی رسید.

واقعیت این است که داستان تکامل اتمسفر زمین از همان آغاز هستی با یک انفجار بسیار مهیب(Big Bang)، آغاز گردید.

سپس طی میلیونها سال متمادی و پس از گذارندن دورانهای وحشتناک  و سخت تکاملی، به حالت امروزین رسید.

با صرف نظر از گذشته دور تکامل اتمسفر، در این بحث مفصل فقط  به بررسی رویدادهای اتمسفری یک میلیون ساله اخیر می پردازیم.

دانشمندان با بررسی صخره های کف اقیانوس ها ، در اعماق صفحات یخی و یخچالهای موجود در جهان امروز، قدمت 800000  ساله را برای چرخه تغییرات اتمسفری، تخمین زده اند، آنها توضیح داده اند که در طول یک دوره 800000 ساله، اتمسفر زمین حداقل هشت مرتبه تغییر کرده است.

یعنی در واقع یک چرخه هشت مرحله ای را در طی تقریباً یک میلیون سال پشت سر گذاشته است و جو زمین در این دوره مهم، باعث افزایش غلظت CO₂ و CH₄ گردیده است. این مهم بنوبه خود گرمای اقلیم زمین را موجب گشته است.

در خصوص زمین و همسایگان آن یعنی مریخ و ونوس، در اوایل شکل گیری، اتمسفر خاصی نداشته اند. مواد ارگانیکی که در دل صخره های آنها بدام افتاده بود بتدریج ، موجب تشکیل اولیه جو در این سیارات گردید.

احتمال دیگری در خصوص شکل گیری اولیه اتمسفر سیارات نیز وجود دارد و آن اینکه ممکن است زباله های ناشی از انفجارات درون خورشید،شهاب سنگها ، سیارک ها و  یا بطور کلی زباله های سیستم خورشیدی(solar - system debris) باعث بوجود آمدن جو اولیه سیارات)مخصوصاً زمین( گردیده اند.

واقعیت این است که حیات (life) بر روی سیاره زمین، اثرات بسیار فراوانی در تشکیل سایر پدیده های این کره آبی- خاکی داشته است و تغییرات پی در پی  درترکیبات شیمیائی و فیزیکی اتمسفر یکی از مهمترین اثرات حیات در سیاره زمین قلمداد می گردد.

بعنوان مثال: فراوانی گازهای CO₂، N₂ و O₂ در طول دورانهای مختلف زمین شناسی، سیاره زمین، از غلظت های متفاوتی برخوردار بوده اند.

اگر بخواهیم ترکیبات اتمسفری سیاره زمین را با سایر سیاره ها، یعنی مریخ و ونوس مقایسه کنیم، بخوبی در می یابیم که این موضوع، برای حیات از اهمیت فراوانی برخوردار است.

CO₂ در سیاره زمین مقداری کمتر از 0.04 را بخود اختصاص می دهد. این مقدار در اتمسفر دو سیاره دیگر، یعنی مریخ و ونوس، چیزی بیشتر از 95% است و بر عکس، میزان N₂ و O₂ در سیاره زمین بسیار فراوانتر از نیتروژن و اکسیژن دو سیاره دیگر است.

N₂ در جو سیاره زمین 78% و اکسیژن 20% است، در صورتیکه این مقدار در سیارات مریخ و ونوس بسیار ناچیز است.

براساس شواهد بدست آمده از کف اقیانوسها و عمق صفحات یخی در سیاره زمین، به نظر می رسد، این سه سیاره در اوایل خلقت خود، اتمسفری شبیه به هم داشته و طی میلیونها سال بعد فرآیندهای بیولوژیکی، فیزیکی و شیمیائی فقط در سیاره زمین فعال گشته و اتمسفر آنرا به مرور زمان تغییر داده اند و سیارات دیگر در حالت اولیه خلقت خود، باقی مانده اند.

بنابراین می توان این گونه نتیجه گرفت که ارتباط بسیار مستحکمی بین تکامل حیات (evolution of life) و تکامل اتمسفر(evolution of atmosphere) زمین وجود دارد.

آنچیزی که در سیاره زمین بسیار برجسته و مهم می باشد، در واقع نقش اکسیژن(O₂) در حمایت از حیات زنده در کره زمین است. بخاطر اینکه اکسیژن موجود در سیاره زمین،  علاوه بر اینکه در سطح  زمین موجودات را  منتفع و حیات را میسر میگرداند ، آنها را نیز از گزند، اشعه های مهلک کیهانی(خورشیدی) مخصوصاً اشعه ماورائ بنفش، مصون می دارد.البته اوزن ناشی از اکسیژن این امر مهم را بر عهده دارد. در واقع مکانیزم محافظت از حیات در سیاره زمین به نحو ذیل رقم میخورد.

اکسیژن مولکولی(O₃) (molecular oxygen) یا همان اوزن معروف همانند چتری بر فراز زمین سایه افکنده و آنرا از خطرات اشعه ها مصون می دارد، یعنی این اکسیژن مولکولی، همه اشعه های خطرناک خورشیدی را جذب کرده و از ورود آن به سطح زمین جلوگیری می نماید.

با توجه به توضیحات فوق در خصوص اوزن و نقش آن در حفظ حیات زمین، ارتباط مستمری بین حیات و جو، پدیدار می گردد.

اگر بخواهیم مقایسه ای بین سه سیاره چرخان در اطراف خورشید یعنی مریخ، زمین  و ونوس داشته باشیم، و میزان موجودی گازها را در آنها مشخص نمائیم با استفاده از جدول ذیل آشکار سازی صورت می پذیرد:

 

موریسون و اون(morison & owen) در سال 1996 فراوانی گازها را در سیارات زمین، ونوس و مریخ گزارش کردند، آنها بر اساس جدول فوق اعلام کردند که از اوایل خلقت این سیارات، تنها سیاره زمین بوده است که تغییرات زیادی در میزان گازهای موجود در آن بوجود آمده است و این تغییرات عمدتاً به واسطه وجود(حیات) (life) صورت گرفته است. آنها اعلام کردند که اگر حیات از کره زمین گرفته می شد، به احتمال بسیار قوی اتمسفر و گازهای موجود در آن در حال حاضر بصورت ذیل رقم می خورد:

زمین اگر حیات از آن برداشته شود:

 

به نظر می رسد سیاراتی نظیر مریخ و ونوس با نیرو جاذبه بسیار پائین و اثرات فرسایش بالا و نیز فرار گازهای منشاء حیات، از اتمسفر مطلوب تخلیه گردیده اند.

تنها سیاره ئی  که فقط به واسطه حیات از دیگر سیارات به لحاظ اتمسفری پیشی گرفته و تکامل یافته است، سیاره زمین است.

خلقت سیارات و ساختار اتمسفر اولیه آنها:

بلافاصله بعد از انفجار بزرگ هستی(Big Bang)، هیدروژن و هلیوم تنها عناصری بودند که در هستی بوجود آمدند.

بر اساس اطلاعات تلسکوپ فضائی  هابل(Hobble space - telescope data) در حدود 12 میلیارد سال پیش، گداخت هسته ای(Nuclear fusion)، عناصر هیدروژن و هلیوم را به عناصر بسیار سنگین تری تبدیل نمود.

این عناصر سنگین عبارتند  بودند از کربن، نیتروژن، اکسیژن، مگنیزیم، سیلیکون و آهن ،در این فرآیند تخریب و بازسازی، عناصری که عدد اتمی آنها بالاتر از آهن بود{، در انفجارات سوپرنوا که مواد را در کهکشانها توزیع می کردند،} تشکیل یافت. این ذرات پراکنده گشته در کهکشانها قطری از 1 تا 1000 نانومتر را دارا بودند. جنس آنها عمدتاً گرافیت(graphite)، آب یخ زده، آهن و سیلیکاتهای مگنزیم بود.

ذرات، گرد و خاک و گازها در کائنات(universe)، در واقع در سازه های مارپیچی و حلزونی کهکشانها، تغلیظ و متمرکز گردید، و در نتیجه این هم جوشی ستاره های جدیدی همچون خورشید متولد گردید.

اندازه گیری رادیومتریک شهاب سنگ ها و نمونه های بر گرفته شده از قمر زمین دلالت بر این موضوع دارد که سیستم خورشیدی دارای قدمتی معادل 10⁹x4.6 است، یعنی  ستاره سیاره  زمین در حدود 4 میلیارد و شش صد میلیون پیش در اثر بهم پیوستگی و اتحاد گردوغبار و گازهای اولیه، بوجود آمد.

 

امروزه بر اساس مدلهای استاندارد(Wetherill 1990) سیارات از اجتماع و انباشتگی سیارک های صخره ای با قطر تقریبی چند کیلومتری،که در ابرهای (گردوغبار) خورشیدی شکل می گیرند، رشد می کنند.

سیارکهای جنینی، اجسامی بزرگتر از اندازه ماه یا مریخ با وزن تقریبی 15²² یا 15²³ کیلوگرم هستند، هنگامیکه سیارک ها، به اندازه کافی به هم نزدیک می شوند و در واقع شرایط لازم برای تصادم و برخورد آنها فراهم می آید، بوجود می آیند.

تقریباً 10⁵ سال طول می کشد تا یک سیاره با مکانیزم فوق متولد گردد، و برای اینکه یک سیاره مثل زمین یا ونوس متولد گردد لازم است 100 سیارک به روش فوق متولد گشته و در هم تنیده شوند، برای انجام این عمل، حدوداً 10⁷ تا 10⁸ سال زمان نیاز است.

کامرون(Cameron/1988) در سال 1988 میلادی چهار مکانیزم احتمالی را برای بوجود آمدن اتمسفر، زمین، مریخ و ونوس، احتمال داد.

این احتمالات عبارت بودند از:

1- مهار و بدام اندازی گازها از ابرها و گرد و غبارهای خورشیدی اولیه.

2- مهار گازها از بعضی از بادها و طوفانهای خورشیدی.

3- تصادم و برخورد ستاره های دنباله دار غنی از مواد ارگانیک فرار.

4- رهاسازی گازهای فرار ناشی از مواد فرار حبس شده همراه با ذرات گردو غبار و ذرات سیارات صغار در فرآیند شکل گیری یک سیاره جدید.(Wetherill 1990).

البته احتمالات دیگری هم در خصوص نحوه شکل گیری اتمسفرهای سیارات وجود دارد که مهمترین آنها عبارتند از:

منشاء اتمسفر سیارات درونی (نزدیک به خورشید)، ناشی از گازهای نادری است که به آرامی از صخره های موجود در سیارات بیرون امده و در اطراف آنها منتشر می گردند.

البته کندی واکنش های شیمیائی در سطح، صخره ها را از فرسایش های سریع و عمیق در امان می دارد و البته در میان همه گازها، گاز هلیوم(Helium)، یک استثنا است. بخاطر اینکه این گاز می تواند براحتی از حلقه محاصره واکنش های شیمیائی فرار کرده و در فضا منتشر گردد.

سه نوع گاز نادر تشخیص داده شده است:

1- گازهای اصیل اولیه( Premordial)

2- گازهای نادر بوجود آمده در جریان تخریب رادیواکتیو مواد(Radiogenic).

ایزوتوپ های گازهای اصیل اولیه مانند 20Ne، 36Ar، 38Ar، 84Kr و 132Xe در همان اوائل خلقت سیستم خورشیدی وجود داشته اند.

ولی ایزوتوپ های گازهای نادر ثانویه در فرآیند تخریب هسته های مواد رادیواکتیو، بعداً بوجود آمده اند.

بعنوان مثال: 40Ar از تخریب 40K بوجود آمده و 4He از تخریب 232 TH ، 235U و 238U بوجود آمده است.

اتمسفر سیاره زمین در مقایسه با فراوانیهای خورشیدی از نظر جرمی در واحد جرم پایه، در رابطه با تخریب 36Ar فاکتوری بیشتر از دو میلیون سال دارد.

فاکتور برای تخریب20Ne در سیاره زمین حداقل220میلیون سال تخمین زده شده است، بدین ترتیب تخریب 36Ar و 26Neبترتیب دارای فاکتورهای تقریبی 10¹¹و 10⁹ سال است.

بر اساس اندازه گیریهای بعمل آمده، میزان تخریب کردن  با فاکتور 10⁵ که بسیار پائین تر از گازهای  نادر است، اتفاق می افتد.

این اطلاعات نشان می دهند که سیاره زمین، ونوس و مریخ قسمت اعظم اتمسفر اولیه خود را از دست داده اند و تغییرات شگرفی رادر طول دوران تکاملی خود متحمل شده اند.

بدین ترتیب فرضه های یک و دو که در صفحات قبل توضیح کامل آنها آمده است، بدام اندازی گازها و ماندگار کردن آنها را در سیارات زمین، ونوس و مریخ  بنحو ذیل مطرح می نمایند.

این فرضیات می گویند، تشکیل گازها به واسطه ابرهای خورشیدی و یا بادهای سولار در سطح سیارات ایجاد گشته اند.

تفاوت در نسبت گازهای نادر بین خورشید و سیارات، در واقع شاهدی در مقابل این مکانیزمها(بادها و ابرهای خورشیدی منشاء گازها) است.

فرضیه منشاء گازهای اتمسفری از ستاره های دنباله دار نیز به دلیل تفاوت در میزان گاز آرگون در سیارات مختلف و ناچیز بودن این گاز، بسختی می تواند مورد پذیرش قرار گیرد.

فرضیه دیگر اینکه احتمال تشکیل اتمسفر زمین توسط گازهای فرار ناشی از گرمای درونی سیارات است . چون این میزان بسیار ناچیز است، این احتمال نیز، مورد پذیرش واقع نگردید، لذا تنها احتمالی که می تواند در خصوص تشکیل اتمسفر زمین، مورد پذیرش واقع شود، در واقع به دام افتادن گازها، در سطح سیارات با منشاء ابرهای خورشیدی است. بدین معنی که ابرهای سرگردان یا بهتر بگویم گرد و غبار و گازهای متصاعد شده ناشی از واکنش های شیمیائی درون خورشید، باعث گردید که گازها در طول دوره های مختلف در سطح سیارات نازل گشته که بتدریج منجر به تکامل اتمسفر سیارات از جمله زمین گردید.

البته بادهای  خورشیدی می توانند به تکمیل اتمسفر سیارات کمک شایانی بنمایند.

با توجه به فرضیات فوق، جو زمین پس از گذراندن دورانهای بسیارسخت تکاملی به شکل امروزی درآمده است. یعنی CO_2 آن به میزان کمتر از 4 درصد، N₂ به میزان 78% و O₂ به اندازه 20 درصد، سیاره زمین را برای حیات آماده کردنده اند.

وضعیت اتمسفر زمین قبل از تشکیل حیات:

زمین تقریباً در طول 10⁸ سال، در معرض حوادث سنگین قرار داشت.

مرکز آن آهن مذاب و سطح آن در معرض آسیب های شدید جوی قرار داشت.

گازهای اتشفشانی ناشی از جوشش درونی زمین و اکسیداسیون نسبی این گازها درطول 4.5 میلیارد سال پیش، همگی باعث گردید که مقدار زیادی مواد فرار

(volatile meterials) در اتمسفر زمین رها گردد.

جو اولیه زمین قبل از آغاز زندگی و حیات تا حدود بسیار زیادی پوشیده از بخار آب بود.

علاوه بر آب، شهاب سنگ ها و سیارات دیگر که به صورت مداوم در اطراف زمین پرسه می زدنند، هر،از چند گاهی بر سطح سیاره برخورد کرده و باعث کاهش قابل ملاحظه بخار آب در جو زمین می گشتند.

این عمل به نوبه خود باعث می گردید که بخار آب بنحو قابل ملاحظه ای تغلیظ گردد و در شکل H₂ اولیه خود را نمایان سازد  و در واقع این میزان H₂ بتدریج در اتمسفر زمین فراوان گردید و بعداً در طی مدتهای طولانی ، تجمع و تراکم فراوان بخار آب، اتمسفر زمین مملو از بخار آب گردید، نهایتاً بخارات متراکم و سنگین گشته و بدین ترتیب  بارانهای سیل آسا آغاز گردید و اساساً در این فاز بود که اقیانوسها به واسطه باران فراوان شکل گرفت و امکان تبدیل(conversion) CO₂ موجود در صخره های کربناتی و دولومیت (dolomite) فراهم گردید.(بوجود آمدن دی اکسید کربن از صخره های کربناتی و دولومیتی)

بر اساس پیش بینی مدلهای اخیر، اتمسفر سیاره زمین همانند سایر سیارات دیگر (ونوس و مریخ) غالباًCO₂ ، N₂ و آب(H₂O) بود و مقدار کمی H₂ و CO نیز در این اتمسفر وجود داشت.

مدلهای تعبیه شده بر اساس فرضیه ها بیان می دارند که حالت اکسیداسیون و احیاء(Redox) در گوشته (mantle) فوقانی زمین تغییر چندانی نکرده است.

لذا، ترکیب گازهای آتشفشانی، تقریباً در طول زمان ثابت باقی مانده است.

کستینک و دیگران(Kasting etal) در سال 1993 اعلام کردند که احتمالاً فرضیه فوق غلط باشد، بخاطر اینکه آنها معتقد بودند که گوشته فوقانی زمین در اصل ساده تر از (reduced) امروز بوده است که تدریج گرفتار اکسیداسیون و احیاء گشته و تعاقب این عمل، گازهای آتشفشانی ساده تری از طریق هیدراسیون و اکسیداسیون فرو رفتن صفحات در گوشته زمین ،از نوک آتشفشانها به خارج پرتاب گشته است.

وضعیت اکسیداسیون و احیاء در ارتباط با سولفیدها و کرماتهای موجود در گوشته زمین نیز بکندی انجام گردیده است و لذا، به نظر میرسد که میزان کربن موجود در قشر زمین برای تولید فشار جزئی 60 تا 80 اتمسفر، تاریخچه طولانی را پشت سر گذاشته باشد، و اگرکربن در شکل CO₂ در اتمسفر قرار گرفته باشد، می توان میزان ^4-10 3.6* اتمسفر را برای اتمسفر کره زمین پیش بینی نموده و در هر صورت این گونه می توان نتیجه گرفت که مهمترین جنبه تکامل اتمسفر در روی سیاره زمین به این مهم وابسته است که واقعاً چگونه ممکن است CO₂ اتمسفر به کربناتهای جامد تبدیل شده باشد.

واکنش های فرسایشی مواد معدنی قادرند صخره های سیلیکاتی را به کربنات ها تبدیل نمایند.و ممکن است واکنش های فرسایشی غیر بیولوژیک تحت تاثیر فرآیندهای بیولوژیک واقع شده و این مهم منجر به افزایش فشار اتمسفر می گردد.

 

مثال: فشارهای جزئی مربوط به CO₂ در خاک که تحت تاثیر عوامل آب و هوا هستند نیز قادرند 10 تا 40 بار بالاتر از فشار اتمسفر، CO₂ را از جو زمین حذف کنند، این مکانیزم توسط باکتریهای موجود در خاک عملی می گردد.

بنابراین هنگامیکه یک موجود زنده در کره حیات متولد می گردد، میزان تبدیل مواد معدنی  و جذب CO₂ نیز افزایش می یابد.

بعلاوه موارد فوق، یکی از منابع بسیار مهم مواد معدنی کربناته، در واقع ناشی از مکانیزمهای ترشحی حیوانات و گیاهان و صدف های رسوبی سیلیکات(caco₃) هستند.

بدین ترتیب حیات بنحو فوق العاده ای تاثیرات بسیار بارزی بر میزان حذف CO₂ از اتمسفر زمین داشته و  دارد.

تشکیل کربناتها و تکامل حیات بخودی خود و بطور مشترک نیازمند مقدار زیادی آب مایع است.(liquid H₂O).

لذا، به نظر می رسد ذخائر غیر اتمسفری مربوط به CO₂ در کره آبی -خاکی زمین در طول دورانهای مختلف ،ارتباط بسیار تنگاتنگی با موجودی آب مایع داشته باشد.

مقایسه سیارات ونوس، زمین و مریخ:

ترکیب و رفتار فیزیکی شیمیائی اتمسفر سیارات ونوس و مریخ ،اطلاعات بسیار ارزشمندی را در تکامل اتمسفر و حیات در روی کره زمین ارائه می دهند.

مخصوصاً زمانیکه اتمسفر این سه کره را مطالعه می کنیم بخوبی در می یابیم که چگونه حیات(life) در روی کره زمین، اتمسفر آنرا بطرز با شکوهی تغییر داده است.

قبلاً توضیح دادم که ترکیبات و فشار سطحی اتمسفر این سه سیاره چگونه بطرز قابل ملاحظه ای با هم متفاوت بوده اند.

درجه حرارتهای سطحی موجود در این سیاره نیز بنحو شگفت انگیزی متفاوت بوده است، دانشمندان نجوم 732 کلوین را برای ونوس، 288 کلوین را برای زمین و 223 کلوین را برای مریخ محاسبه کرده اند.

اگر بخواهیم این درجه حرارت را در شکل ترکیبات و فشار های اتمسفری تفسیر کنیم، بخوبی در می یابیم که بخار آب و دی اکسید کربن، هر دو گاز گلخانه ای بوده اند.

بدین معنی که این دو گاز گرمای تشعشع یافته از خورشید  را به این سه سیاره ،جذب کرده و مانع پراکنش آن به فضاهای دیگری شد ه ا ند.

لذا، این سه سیاره با درجه حرارت های متفاوتی گرم نگه داشته شده ا ند. و بنابراین افزایش درجه حرارت در سطح این سه سیاره نیز بالا بوده است.

سیاره ونوس بدلیل نزدیکی بسیار زیاد با مرکز حرارت(خورشید) متحمل رنجهای گرمایشی فراوانی شده است و همه بخارات آب موجود در خود را به واسطه تاثیرات گلخانه ای فوق العاده وحشتناک، از دست داده است.

این وضعیت نیز به واسطه فرآیندهای بازخورد مثبت                              (possitive Feadback Processes)، نهایتاً منجر به تبخیر(Vaporization) همه آبهای سطحی ونوس گردیده است.

از آنجائیکه بخار آب یکی از مشارکت کننده گان اصلی گرمای اتمسفری محسوب می شود و از طرفی چون فشار بخار بسرعت با افزایش درجه حرارت بیشتر می شود، لذا در چنین شرایطی بدام اندازی گرما نیز بطرز وحشتناکی افزایش می یابد.

این مهم به نوبه خود باعث افزایش اثرات گلخانه ای همه گازهای گلخانه ای               می گردد(CO₂، H₂O، CH₂ و سایر).

بدین ترتیب مکانیزم تبخیر از سطح سیارات ،دو پدیده بسیار مهم  ذیل را در سطح سیارات مترتب کرده است:

1- تبخیر آنقدر ادامه یافته است تا اینکه سطح سیاره  را از آب اشباع کرده است.

2- تبخیر باعث شده است که کل بخار آب از سطح سیاره حذف گردد.

در سیاره مریخ و زمین مقدار گرمای اضافی ناشی از رهاسازی بخار آب برای جلوگیری از رسیدن آب به مرز اشباع یا  یخ زدن، کافی نبوده است  و لذا این دو سیاره از  اوایل همواره دارای آب بوده اند.

ولی در سیاره ونوس بدلیل فشار بخار در حدود 10 میلی بار، گرمای سیاره بشدت بالا رفته است تا اینکه همه بخار آب را از بین برده است و لذا این سیاره هم  اکنون خشک و عاری از آب است.

تراکم و تغلیظ آب بدلیل فشار بخار بالا، هرگز در ونوس بوجود نیامد و افزایش بخار آب در سطح سیاره باعث افزایش بیشتر درجه حرارت گردید و مکانیزمهای  پی در پی بازخوردهای مثبت سطح سیاره ونوس  را عاری از آب گردانید .این سیاره  امروزه به خشکی معروف است.

مقدار زیاد بخار آب از مشخصه های اتمسفر اولیه سیاره ونوس بود، متلاشی شدن و تخریب نوری(Photodissociation) و نیز فرار هیدروژن به فضای دیگر کائنات در مجموع باعث گردید که اتمسفر ونوس امروزه کاملاً عاری ز آب گردد.(Hunten 1993).

در عوض سیاره ونوس مقدار زیادی کربن و نیتروژن همانند زمین، داراست ولی عاری از هیدروژّن(H₂) است.

فراوانی آب در سیاره ونوس تقریباً 42kg m^-2 است و فراوانی آب در زمین

2.7*10⁶kg m^-2 است.

بطور مسلم امروزه در کره ونوس آب وجود ندارد، و اختلاط گازها در این سیاره احتمالاً چیزی کمتر از 2*10^-4 است.

در کره مریخ وضعیت متفاوت از ونوس بود. خصوصیات کانالها و دره های عمیق که زمانی آب در آنها جریان داشته است، حکایت از این مهم دارد که در زمانی بسیار دور و در عین حال طولانی ،آب فراوان در سطح این سیاره بشدت ساری و جاری بوده است.

بر اساس شواهد بدست آمده از تحقیقات دانشمندان علوم فضا، بنظر می رسد هم اکنون در این سیاره آب مایع وجود نداشته باشد. ولی مقداری بخار آب در اتمسفر این سیاره مشاهده شده است.

کلاهک های(caps) قطبی این سیاره مخصوصاً در فصول زمستان عمدتاً در نیمکره زمستانی آن پوشیده از آب یخ زده(ice-water) است و احتمالاً کلاهک قطبی زمستانی این سیاره پوشیده از مقدار زیادی CO₂ باشد . سرعت فرار گازها از مریخ کمتر از دو سیاره دیگر(زمین و ونوس) است.

وضعیت موجودی گازها و آب در سیاره زمین بسیار متفاوتری از دو سیاره اشاره شده فوق بوده و خواهد بود.

در سیاره زمین حداقل در حدود 3.5*10⁹ سال پیش، آب فراوان موجود در اقیانوسها، بدلیل کاهش گازهای گلخانه ای و گرمای متعادلی که وجود داشت،تبخیر نگردیده و یخ هم نزد، لذا غلظت متعادل  گازها در سیاره  زمین باعث گردید که همه مقدمات لازم برای حیات بیولوژیک ظاهر گردد.

حلالیت بالای نیتراتها در این سیاره نیز  باعث گردید که مقدار زیادی مواد معدنی درزمین شکل گیرد.

با شکل گیری مواد ارگانیک و معدنی و اتمسفر فعال در سیاره زمین  همه مکانیزمهای لازم برای تشکیل حیات(life) فراهم آمد.

 

 

 

حیات و اتمسفر زمین:

بنظر می رسد که اتمسفر زمین، بدلیل اختلال نامتعادل گونه های شیمیائی موجود در آن از قوانین فیزیک و شیمی تبعیت نمی کند . در حقیقت، این اتمسفر(زمین) همانند یک سیستم احتراق با درجه حرارت پائین فعال است.  (low temperature combustion system) یعنی سرعتی دارد که براحتی می تواند مواد موجود در خود را اکسیده (oxidized) کند.

گازهای همانند H₂s، CO، CH₄ و H₂ و صدها ماده جزئی دیگر که در حضور اکسیژن مولکولی اکسیده می شوند، وجود دارند. حتی اکسیژن و نیتروژن که ترکیبات اصلی اتمسفر این سیاره محیرالعقول بشمار می روند، در تعادل ترمودینامیک (thernodynamic equilibrium) قرار ندارند و نقطه کلیدی در این ترکیب غیر عادی گازهای اتمسفری در جو سیاره زمین در واقع وجود و بروز موجودات زنده (living organisms)، یعنی زیست وارها(biotas) هستند که بااستفاده از انرژی لایزال خورشیدی (ever lasting solar energy)آنتروپی(entropy) این سیاره(زمین) را بنحو باشکوهی کاهش داده اند.

 

فرایند حیات بخش دیگری که فراوانی نسبی اکسیژن(O₂) در این سیاره فراهم می آورد مکانیزم فتوسنتز(Photosynthesis mechanism) است.

البته فرآیندهای بیولوژیک دیگری عمدتاً و غالباً موجودات زنده زره بینی (micro biological) ترکیبات تنزل یافته (تجزیه شده) فراوانی را در اتمسفر زمین  نیز رهاسازی می کنند.

مضافاً اینکه نقل و انتقالات گسترده فتوشیمیائی در درون خود اتمسفر، مواد رها شده بیولوژیک را به مواد دیگری تبدیل می کنند.

بدین ترتیب واکنش های حیات بخش فتوشیمیائی نقش بسیار مهم و مرکزی را در برقرار کردن عدم تعادل و موازنه گازها اتمسفری بر عهده دارند.

راستی اگر حیات روی کره زمین جریان نداشت، وضعیت گازهای اتمسفری در سیاره زمین چگونه بود؟

قبلاً در ابتدای همین فصل توضیح دادیم که اگر حیات را از سیاره زمین حذف شده فرض کنیم، میزانهای گازی ًCO₂ ، N₂ و آرگون بدلایلی که بیان کردیم، بترتیب 98% ،1% و1.9*10¯4 خواهد بود.

اگر بخواهیم بصورت جامع تری به این قضیه نظر کنیم، می توانیم نسبت های اختلاف گازها را راجع به چند گاز بصورت مفصل تری مورد کنکاش قرار دهیم.

بعنوان مثال: تاثیر قابل ملاحظه زیست واره ها در کره زمین O₂ را در وضعیت بسیار متعالی قرار داده است  و اگر حیات در سیاره زمین وجود نداشت میزان اکسیژن 1000 برابر کمتر از مقدار معمول آن در حضور حیات خودنمائی می کرد و گازهای متان CH₄ و H₂ ، اساساً بدون حیات وجود نداشت و فقط گونه های قابل اکسید شدن CO می توانستد در حضور حیات بنحو فراوانی در اتمسفر سیاره زمین باشند.

اتمسفر سیاره زمین با توجه به فعالیتهای بیولوژیکی که با تکیه  بر درجه حرارت ،فشار اتمسفر و ترکیب شیمیائی مواد، تحقق می یابد، می تواند شکل عالی حیات و تنوع  را در این سیاره رقم بزند.

تکامل اتمسفر در سیاره زمین، تکامل حیات و ارتباط تنگاتنگ بین آنها، در مجموع منجر به پویائی  و زنده ماندن حیات و نیز تداوم آن در طول سالهای متمادی گشته است.

تشریح این مهم بر اساس یافته های (kasting 1993) به صورت ذیل است. او میگوید ، بنظر نمی رسد که حیات بلافاصله پس از اتمام انباشت و تجمع مواد بسرعت شکل گرفته باشد.

سیاره زمین پس از آرام گرفتن نسبی مواد ،حداقل در 3.8 تا 4.5 میلیارد پیش در معرض مداوم بمباران سنگین اجرام آسمانی دیگری بوده است و تا 3.8 میلیارد سال پیش، احتمالاً لایه های روئی اقیانوسها، توسط برخورد سنگهای آسمانی به سیاره به صورت مداوم تبخیر می شده است.

بنابراین استرلیزاسیون(Sterilization) زمین حداقل حیات را برای مدت طولانی در سیاره به تاخیر انداخته است، ولی اثار اولیه شکل گیری حیات همواره در آن وجود داشته است.

در سال 2006 میلادی پروفسور سکاف(Schopf) مکانیزم تشکیل حیات را در سیاره زمین این گونه توضیح داد، او با کنکاش از روی فسیل های بدست از شمال غربی استرالیا که عمری 3.6 میلیارد ساله داشتند، 11 نوع میکروارگانیزم ریسمان شکل و تک سلولی(prokaryote) و نیز چند نوع باکتری سیان (Cyanobacteria) شامل جلبکهای آبی – سبز را پیدا کرد.

این باکتریها(Cyanobacteria) نه تنها اکسیژن تولید و نیز آن را مصرف می کنند، بلکه موجودات اصلی هستند که مسئول تثبیت نیتروژن از اتمسفر امروزه نیز می باشند.

نیتروژناس(Nitrogenase) آنزیمی که نیتروژن (N2)را تبدیل به NH3یا آمین ها(Amines) می کند، توسط O₂ سمی می شود و لذا سیانوباکتریها مکانیزمهای بسیار پیچیده ئی برای حفظ این آنزیم (Nitrogenase) گسترش داده اند.

بعضی از سیانوباکتریها سلولهای ویژه ای توسعه داده اند که نیتروژن تثبیت می کنند و تعدادی دیگر از این باکتریها در روزهنگاماکسیژن فتوسنتز کرده و در شب هنگام N₂ را کاهش می دهند و یا آنرا در اوایل صبح حذف و از بین می برند و در طول بعدازظهر اکسیژن را آزاد می کنند.

بدین ترتیب این موجودات تک سلولی باستانی که در سنگواره های چند میلیارد ساله پیش از تاریخ، پیدا شده اند، نقش بسیار مهمی در تاسیس واقعی حیات داشته اند.

با وجود اینکه قدمت حیات در حدود 3.8 میلیارد سال است ولی بدرستی مشخص نیست ، موجودات اولیه ئیکه در روی کره زمین ظاهر شدند، اکسیژن تولید کرده باشند.

آنها احتمالاً موجوداتی متانوجن(Methanogen) بودند، و عمدتاً به تولید متان می پرداختند.(Methane – producing bacteria)

باکتریهای تولید کننده متان (Methanogenetic) در شکل تکاملی خود، موجوداتی قدیمی محسوب می گردند.

این موجودات بی هوازی و در درجه حرارت های بالا قادر به ادامه حیات بودند، البته نمونه مدرن امروزی آنها، در روده گوسفندان و خاک های برنج کاریها، موجود است.

این موجودات(باکتریها) محصولات فرعی ناشی از تخمیر را بر اساس مبادله ذیل به متان(CH₄) تبدیل می کنند:

CH₂o → Co₂ + CH₄

CH₂o یک ماده آلی قابل تخمیر در اوایل تشکیل حیات روی کره زمین بوده است. البته باکتریهای تولید کننده متان گاز H₂ و منواکسیدکربن را نیز تبدیل به آب و CH₂ می کنند. 4H₂ + Co → CH₂ + 2H₂O

متان یک گاز گلخانه ای قدرتمند است، می توان فرض کرد که این گاز قدرتمند در اوایل تشکیل حیات توسط باکتریها، موجودیت یافته است.

احتمالاً تنظیم درجه حرارت سیاره زمین در زمانهای اولیه(4.5میلیارد سال پیش) توسط غلظت متان صورت می گرفته و بعدها،CO₂ وارد این کار و زار گشته است.

لذا، متانوجن ها (Methanogens) احتمالاً قادر بودند که غلظت های اتمسفری H₂ را از 0.1 درصد به در حدود 0.01درصد برسانند.

بدین ترتیب H₂ در این غلظت پائین می تواند بنحو بارزتری در فرآیندهای فتو شیمیائی شرکت کرده و همراه با Co₂ موجود در اتمسفر و نیز گازهای آتشفشانی منشاء تولیدات دیگری همچون آب و مولکولهای آلی باشد.

2H₂ + CO₂ + hv → CH₂O + H₂O

2H2 S + CO2 + hv → CH2O + H2O +2S

فرآیندهای فوق نظیر فرآیندهای معمول فتوسنتز هستند، با این تفاوت که به جای O₂، تولید آب می نمایند. و در بعضی مواد Sنیز تولید می گردد. بدین ترتیب این واکنش های فتوسنتز بدون اکسیژن(Anoxygen photosynthesis) در حدود3.5میلیارد سال پیش بوجود آمده اند و تقریباً با واکنش های تولید کننده متان (Metanogenesis)همراه بوده اند.

هنگامیکه CH₄ در اتمسفر زمین رها می گردد،اکثر این ماده به دی اکسید کربن و آب تبدیل می شود. متان در اتمسفر بدون اکسیژن، یعنی اتمسفری که طول  در آن موجهای کوتاه فیلتر نمی شوند، در اثر تجزیه و شکست فتوشیمیائی متان در ارتفاعات بالا تبدیل به اتم H یا مولکول H₂ گشته و به سمت و سوی فضاهای لایتناهی فرار می کند.

بدین ترتیب اثر گازهای آتشفشانی سیاره زمین H₂ و H₂S به کمک تجزیه شیمیائی با و بدون اکسیژن منجر به تولید مولکولهای آلی میگردند و این مواد در خاک سیاره زمین توسط باکتریهای متان تبدیل به مواد آلی همچون H₂O C، متان وCO₂ میگردد.

این وضعیت تا ظهور فتوسنتز در حضور اکسیژن ادامه داشته، و نظر به اینکه منشاء  حیات اساساً از گونه های ارگانیک بوده است، به نظر می رسد که گازهای اتمسفری به مولکولهای ساده ارگانیک تبدیل شده باشند.

آژمایشات اولیه Miller در سال 1953 که نور را از طریق متان وامونیک عبور داد ، ثابت کرد که می شود طیف وسیعی از ترکیبات ارگانیک را (از جمله اسیدهای آمنه) بوجود آورد.

البته آقای Wen و همکاران در سال 1989 آزمایشات متعدد دیگری در جهت کشف مولکولهای آلی  نیز انجام دادند.

این آزمایشات عمدتاً بر پایه فتوشیمیائی بود و تحت عنوان فتو لیز آب انجام گرفت:

H₂o + hv → H + OH

سپس این آزمایش توسط واکنش سه مولکولی با اضافه گرفتن هیدروژن اتمی به CO، تولید فرمیل رادیکال(Formyl radical)  نمود که به HCO معروف است و ماده رادیکال فوق در واقع پیش برنده مولکولهای ارگانیک بسیار پیچیده تری است.

فتولیز(تجزیه شیمیائی به کمک تابش)، دی اکسید کربن نیز بصورت ذیل معمول گردید:

CO₂ + hv → CO +O و CO₂ در اتمسفر منبع مداوم CO است.

شیمی اسید سیانیک تولید شده در اتمسفر اولیه زمین، تا بحال بصورت کاملی شناخته نشده است، ولی به نظر می رسد که این مولکول تا حدود بسیار زیادی غیر قابل واکنش باشد(Unreactive).

هیدرواکسیل(OH) اضافی نیز منجر به اکسیداسیون کامل در یک اتمسفر غنی از اکسیژن می گردد. فتولیز HCN بشکل ذیل صورت گرفته است.

HCN + hv→ H + CN

معادله فوق با واکنش CN با اکسیژن اتمی یا مولکولی و از بین رفتن پیوند C- N همراه است، این واکنش در اتمسفر غنی ازO₂ انجام می گردد.

CN رادیکال در یک اتمسفر کاهش یافته از گازها بصورت جزئی تحت حمایت قرار می گیرد.

عمل فوق بخاطر واکنش های ذیل، اتفاق می افتد:

CN + HCN→ C₂N₂ + H

CN +C2 H₂→ HCCCN + H

شواهد فراوانی وجود دارد که مولکولهای ارگانیک از ترکیب گازهای اولیه ای که در اتمسفر وجود داشته تشکیل یافته اند و مولکولهای حیات در طول زمان از 4.5 میلیارد سال پیش، بتدریج تکامل یافته و حیات را به صورتی که امروزه مشاهده می کنیم، در سرتاسر سیاره زمین مستقر کرده اند.

 

 

دی اکسید کربن در اتمسفر زمین:

سوابق جیولوژیک، استمرار و پایداری حیات در کره زمین حاکی از آن است که اقیانوسهای مستقر در این سیاره آبی – خاکی در تمامیت خود هرگز یخ نزده یا بجوش نیامده اند.

میانگین درجه حرارت سطح اقیانوسها در طول تاریخ کره زمین از محدوده 50 5-درجه سانتی گراد تجاوز نکرده است.

البته ممکن است زمین در اوایل شکل گیری ،  دمای سیاره به دلیل گرمای وحشتناک حاکم بر آ ن کمی بالا رفته باشد ولی هرگز به حالت بحرانی نرسیده است.

بر اساس مدلهای تکاملی ستاره ائی استاندارد،در 4.5 میلیارد سال پیش شدت تابش نور خورشید بر زمین حداقل 25 تا 30% کمتر از امروز بوده است و لذا مدل استاندارد تکاملی شدت نور یک خورشید جوان با تابشی خیلی ضعیف را ترسیم کرده است.

این مهم بدین معنی است که درجه حرارت موثر زمین تا 8% کاهش داشته است. و اگر اتمسفر سیاره زمین  را در زمانهای بسیار دور همانند اتمسفر امروز آن فرض کنیم، حداقل کره زمین باید برای مدت 2 میلیارد سال در یخ فرو می رفت و همه اقیانوسها و دریای های  آن یخ می زدند. ولی اگر اتمسفر را  متفاوت فرض کنیم شاهد این گونه یخبندان وحشتناکی نخواهیم بود.

برای توجیه مدل فوق، به نظر می رسد که دی اکسید کربن(CO₂) مهمترین گازهای گلخانه ای بوده است که کنترل ترموستاتیک سیاره به بسیار ماهرانه ئی  را بر عهده گرفته است.(Kasting 1993)

اگر چه ممکن  است متان(CH₃) در مراحل اولیه، و بلافاصله بعد از ظهور و بروز حیات با CO₂ همکاری کرده باشد.

مهمتر اینکه در گذشته های دور مکانیزمهای پی در پی بازخوردهای منفی توانسته اند، باعث تشکیلCO₂ و متان شوند و بدین ترتیب گرمای سیاره در طول دورانهای مختلف زمین شناسی مطابق  هر دوران  از مراحل تکوین  سیاره تعدیل گردیده است.

بعنوان مثال: در مورد CO₂ ممکن است کنترل غیر بیولوژیکی باعث تسریع در حل مواد معدنی سیلیکات به رسوبات کربناته که در حضور افزایش درجه حرارت انجام شده است، منجر گشته باشد.

بنظر می رسد که درجه حرارت سیاره زمین در اوائل شکل گیری گرمتر از زمان حال بوده است.

شاید این گرما به بیش از 60 درجه سانتیگراد رسیده باشد(Kasting 1993)، البته این سیاره از زمان هائی که تقریباً به 2.9میلیارد سال پیش بر می گردد، نیز از یخ پوشیده شده بود.

همه شواهد حکایت از آن دارد که کره زمین و اتمسفر آن، به واسطه وجود O₂ و آب از موهبت حیات برخوردار شده است.

اتمسفر پیش از حیات کره زمین عمدتاً CO₂ بود و این دو مولکول، تنها گازهای گلخانه ای بودند که در فرآیند های تدریجی زمین به گرمای معتدله خود می رسانند.

پس از آنکه حیات روی سیاره زمین ظاهر گردید، گازهائی مانند NH₃ و CH₄ نیز توسط چندین فرآیند میکروبیولوژیکی تولید گردیدند و در مجموع باعث بدام اندازی بیشتر گرما در سیاره زمین و اتمسفر آن شدند.

در یک دوره 2 میلیارد ساله بعد از اینکه غلظت NH₃ و CH₄ بدلیل فراوانی اکسیژن دچار کاهش گردید، نقش CO₂ و بخار آب همچنان در تنظیم و تعدیل درجه حرارت سیاره بسیار اساسی بود، با ظهور اکسیژن و بالا رفتن غلظت آن اوضاع حیات به نحوه مطلوبتری رقم خورد.

 

افزایش غلظت اکسیژن:

تولید فتوسنتز و مولکولهای حیات در مجموع باعث گردید که غلظت اکسیژن بنحو بارزی افزایش یابد و این افزایش نیز موجب تشکیل اشکال پیچیده حیات در سیاره  زمین گردید.

بنابراین رشد اتمسفری(O₂) اکسیژن بنحو آشکاری با تکامل حیات روی کره زمین مرتبط است.

اکسیژن در نبود حیات فقط می تواند توسط فرآیندهای فتوشیمیائی مواد معدنی، تولید گردد.

فتولیز(photolysis) بخار آب برای تشکیل OH، H و CO₂ برای تشکیل Co و O و شیمی ثانویه همگی می توانند منجر به تولید O₂ آزاد گردند.

OH + OH → O + H₂O

OH + OH → O₂ + H

O + O + M → O₂ + M

M مساوی همه گونه های(N2,O2 و غیره است(

در هریک از موارد فوق ،مرحله نهائی، در واقع ترکیب اتمهای اکسیژن در معادلات است.

دو محدودیت بسیار مهم در خصوص مقدار اکسیژنی که باید تولید شود، وجود دارد. تشخیص داده شده است که H₂O و CO₂ فقط می توانند در محدوده مشخصی از طول موج اشعه ماوراء بنفش فتولیز شوند.

طول تجزیه برای آب عبارت از λ = 240nm و از آن CO2 مساوی با λ≤ 230 nm است که نهایتاً محصولات CO بسرعت باOH وارد واکنش شده و منجر به تولید، CO₂ و H می گردند.

CO + OH → CO₂ + H

مجموعه واکنش برای فتولیز بخار آب بشکل ذیل است:

2H₂O + 3hv H₂O + hv CO₂ → 2O + 4H

 

خروجی فرآیندها بصورت ذیل قابل بیان است، برای هر مولکول اکسیژن(O₂) که تولید می شود، چهار اتم(H₄) هیدروژن از دست می رود.

بدین قرار اتمهای هیدروژن یک مسئله بحرانی بنظر می رسند و میزان فرار هیدروژن به خارج از اتمسفر(exosphere) توسط انتقال گونه های هیدروژن خارج از آن (اتمسفر)قابل تعیین است.

بطور کلی در خصوص افزایش تولید اکسیژن و بالا رفتن غلظت آن منبع غالب  قابل ذکر در سیاره زمین فتوسنتز(photosynthesis) بوده است و شیمی این مهم توسط معادله ذیل قابل تبیین است.

_n CO₂ + n H₂O + m hv → (CH₂O)n + nO₂

ذات و بنیان فرآیند فوق، در واقع انرژی فتوشیمیائی است که آب را پاره پاره کرده و دی اکسید کربن را تبدیل به هیدراتهای کربن(Carbohydrates) می کند.

آزمایشات ایزوتوپی(Isotopic) نشان می دهد که اکسیژن تولید شده از طریق فتوسنتز(photosynthetically produced O₂) انحصاراً اکسیژنی است که  از آب(H₂O) بدست می آید و نه از CO₂.

در حال حاضر فتوسنتز سالانه به میزان 400 * 10¹² Kg، اکسیژن تولید                می کند.(Wayne 2000) که معادل چهارصد میلیارد تن اکسیژن در سال است.

از آنجائیکه اتمسفر حاوی مقدار در حدود 102 * 10¹⁸ Kg اکسیژن است، لذا، باید این مقداراز طریق زیست کره در چرخه قرار گیرد و تقریبا 3000 سال طول میکشد تا میزان فوق در چرخه تکمیل گردد.

تشخیص این نکته لازم است که مقدار ضروری اکسیژن  فقط زمانی می تواند در اتمسفر ساخته شود که هیداراتهای کربن ساخته شده در اتمسفر توسط فرآیندهای فتوسنتزی  که از ارتباط با اکسیژن اتمسفری توسط زیر خاک شدن انجام می شود، از واکنش و

در هم فرو رفتن بر حذر گردند.

لذا، بدون دفن اکسیژن ناشی از هیدارتهای کربن، اکسیداسیون خودبخودی(Spontaneous)، با سرعت هر چه تمامتری تغییرات ایجاد شده توسط فتوسنتز را بر عکس می کند.(Reverse)

واقعیت این است که در اتمسفر معاصر(فعلی) رسوبات دفن شده مواد ارگانیک از موجودات آبزی در حدود 0.12* 10¹² Kg year¯1 کربن Carbon می باشد و مقدار فوق قادر است در حدود 0.32. 10¹² Kg year¯1 اکسیژن O₂تولید کند.

بنابراین این میزان اکسیژن اتمسفری فقط می تواند در حدود 4 * 10⁶ سال year غلظت اکسیژن را دو برابرنماید.

مضافاً اینکه فرآیندهای متعادل کننده ای نیز برای تولید اکسیژن در زمین وجود دارد.

بعنوان مثال: فرسایش و هوا زده گیهای زمین ساختاری کربن عناصر را به CO₂ ، صخره های سولفیدی را به سولفات، صخره های آهنی را به آهن سه و اکسیداسیون گازهای احیاء شده آتشفشانی را به H₂ و CO تبدیل می کنند.

البته واضح است که در طول دورانهای مختلف زمین شناسی تغییرات گسترده و قابل ملاحظه ئی در خصوص میزان اکسیژن اتمسفری وجود داشته است.

بعنوان مثال: آقای فال کوسکی و همکاران(Falkowski etal) در سال 2005 میلادی اعلام کردند که O₂ اکسیژن در حدود 205 میلیون سال، یعنی بین دورانهای ترییاسیک(Triassic) و ژوراسیک(Jurassic)، بنحو گسترده ائی افزایش پیدا کرده است.

در واقع این افزایش از 205 میلیون  سال پیش شروع شد و تا 300 میلیون سال پیش ادامه داشت، بطوریکه غلظت O₂ به 35% رسید و پس از آن مجدداً به سطح 12% سقوط کرد وبعدا بتدریج به وضعیت کنونی در آمد و احتمالاً دو برابر (24%) گردید. تقریباً در حدود 5 میلیون سال پیش قبل از زمان حال، کناره ها و حواشی گسترده در طول اقیانوس آتلنتیک(اطلس) بوجود آمده و توسعه پیدا کرد.

لذا، ممکن است در طول این دوره ذخیره های طولانی مدتی از مواد ارگانیک بوجود آمده باشد و مواد بتدریج باعث بالا بردن O₂اتمسفر گشته باشند.

لذا، اگر یک بار دیگر ،سوخت(CH₂O) را از اکسیدانت(Oxidant) یعنی O₂ جدا نمائیم می توانیم انبار گسترده ئی از ذخائر مواد آلی داشته باشیم.

در حدود 150 میلیون سال پیش مجدداً اکسیژن افزایش پیدا کرد، یعنی از آغاز دوره زمین شناسی ژوراسیک حتی زمانیکه حیوانات عظیم الجثه تکامل پیدا کرده بودند، بر میزان اکسیژن هم افزوده گشت.( Falkowski etal 2005)

البته در بخش بعدی که نقش اوزون(O₃) را در تداوم حیات و پایداری آن توضیح خواهیم داد، جنبه مهم دیگری از افزایش غلظت اکسیژن برجسته تر می شود.

یعنی اینکه اوزن(O₃) بوجود آمده از اکسیژن در اتمسفر، همراه با O₂ موجود همگی باعث می گردند که یک فیلتر بسیار عالی و طبیعی و در واقع یک چتر محافظت کننده و جلوگیری کننده از تخریب و تشعشع ماورائ بنفش بوجود آید و زیست واره ها  را در کره زمین  را از گزند حوادث اشعه های مهلک کیهانی مصون بدارد.

این پرده طبیعی ضخیم و محکم و استوار (O₃) نور ناخالص تشعشع یافته از خورشید، که حاوی اشعه های مهلک کیهانی است را  بخوبی فیلتر کرده و نور خالص و بدون آلایندگی را بر سطح زمین برای استفاده حیات ساری و جاری می گرداند.

زمانیکه قدرت و شدت کشندگی تشعشع ماوراء بنفش اتمسفری به حد کافی رسید، موجودات فتوسنتزی (photosynthetic) از قبیل پلانکتونهای پرسلولی (Eukaryotic) در اقیانوسها موجود نبوده اند و میزان کربن دفن شده و اکسیژن تولید شده نیز کمتر از میزان فعلی بوده است. بدین ترتیب لایه اتمسفری اوزن  علاوه بر اینکه موجودات زنده خاکی را از گزند و صدمات مرگ آور، اشعه های کیهانی محافظت می کند.

با داشتن میزان اکسیژن در محدوده 0.01-0.1سطح اتمسفری فعلی برای حیات موجودات آبزی اقیانوسی نیز بسیار موثر و مفید است.

محافظت حیات از اشعه ماورائ بنفش:

مولکولهای زیست محور بزرگ همانند پروتئین ها و اسیدهای نیوکلئیک که از خصوصیات و ویژه گیهای سلولهای زنده محسوب می شوند، همواره  توسط اشعه های با طول موجهای کوتاهتراز 290 نانومتر، تخریب می گردند.

اوزن در اتمسفر بعنوان یک گونه کلیدی در جلوگیری کردن از  اشعه ماورائ بنفش، شناخته شده است.

لذا با مهار این اشعه مهلک تابش یافته  از خورشید، حیات در روی زمین مستقر شده و ادامه دارد.

در صورت نبود چنین لایه ئی و یا تخریب آن توسط فعالیت های انسانی ، حیات در کل زمین  تعطیل و انقراض زودرس گونه های موجود در آن  محقق خواهد شد.

اجزاء اصلی و حیاتی اتمسفر مخصوصاً اکسیژن مولکولی، اشعه ماوراء بنفش خورشیدی که طول موجی کمتر از 230 نانومتر دارند را براحتی فیلتر(Filter out) می نماید.

در طول موجهای زیر 230 نانومتر، شدت تابش خورشید، قادر است از طریق اکسیژن مولکولی انتقال داده شود، و در طول موجهای بلند تر یا مساوی 230 نانومتر، فقط گونه های امروزی اتمسفر قادرند اشعه های مهلک خورشیدی را مهار کنند و در حال حاضر اوزن عزیز، این کار را برای محافظت  ازما و سایر موجودات زنده انجام می دهد.

لذا اوزن بطرز غیر قابل معمولی طول موجهای بسیار خطرناک(230 – 290nm) را  جذب کرده و زمین را نجات می دهد، ولی اگر انسان و یا سایر موجودات بصورت مستقیم خورشید را بالای سر خود ببینند، در آن زمان حتی اوزن هم کاری نمی تواند بکند، و موجودات نگون بختی که این چنین اشعه های سرطانی کیهانی را دریافت می کنند با زندگی خداحافظی خواهند کرد.

یعنی در واقع هنگامی که طول موج اشعه های ماوراء بنفش کمتر از 250 نانومتر باشد  و نور خورشید بصورت مستقیم بتابد، در چنین حالتی لایه اوزن نیز سوراخ می شود.

بدین ترتیب اوزن در اتمسفر توسط اکسیژن مولکولی تولید می گردد و انرژی لازم توسط جذب اشعه ماوراء بنفش خورشیدی در اختیار فرآیند تولید اوزن قرار می گیرد.

اکسیژنی که در اتمسفر معاصر(اتمسفر فعلی زمین) وجود دارد، تا حدود بسیار زیادی منشاء بیولوژیکی(زیستی) دارد.

در حقیقت اوزن بعنوان یک فیلتر حفاظتی حیات،به خودی خود، برای زنده ماندن و تولید شدن به اکسیژن اتمسفری نیاز دارد.

براستی اینگونه ارتباط بین گونه های مختلف اتمسفری در سیاره زمین، طبیعت ویژه گی منحصر بفرد این سیاره را  آشکار و شفاف می کند.

واقعیت این است که غلظت اوزن و توزیع آن در ارتفاعات بالا همگی بستگی به رقابت بین تولید و فقدان(از دست رفتن) آن دارد.

از دست رفتن اوزن توسط عملکرد بعضی از گازهای اتمسفری، مثلاً نیتروژن که خودش منشاء بیولوژیکی دارد، حادث می گردد.

لذا می توانیم اعلام کنیم که فرآیندهای بیولوژیکی بر تولید و تخریب اوزن تاثیرات فراوانی دارند، بر اساس محاسبات انجام شده توسط مدلهای فتوشیمیائی اتمسفری، مکانیزم تولید اوزن بشرح ذیل است:

مدلها می گویند (Levine – 1985) ، هنگامیکه میزان اکسیژن در اتمسفر کم باشد، در چنین حالتی غلظت اوزن در سطح زمین در حد ماکزیمم است.

ولی با افزایش غلظت اکسیژن لایه اوزن توسعه یافته و در ارتفاعات بالا به حد اعلای خود می رسد.

هنوز دقیقاً مشخص نشده است که چه میزان ضخامت لایه اوزن، می تواند موجودات زنده را از گزند تابشهای سمی کیهانی مصون دارد و نیز دقیقاً مشخص نیست که چه میزان از تابش برای موجودات زنده خطر آفرین، است.

آزمایشات پراکنده ئی در این خصوص انجام یافته است و تقریباً مشخص شده است که اتمسفرزمین عاری از لایه محافظ اوزن، در ، مقدار مجازتابش خورشیدی 503ثانیه است.

جذب تشعشع توسط DNA در طول موج های بلندتر از 240 یا 290 نانومتر صورت می پذیرد، و اغلب تخریبات ژنتیکی در طول موجهای بالاتراز 302 nm اتفاق می افتد.

تخریب ژنتیکی معمولاً در چند ساعت اولیه،(تقریباً وسط روز) هنگامیکه خورشید دقیقاً بالای سر ماست اتفاق می افتد.

بطور کلی با استفاده از محاسبات مدلینگ، مشخص شده است که در اوایل، شکل اتمسفر سیاره زمین، میزان اوزن به اندازه ائی نبوده است که بتواند از حیات در روی کره زمین محافظت نماید و بعدها با افزایش غلظت اکسیژن، اوزن نیز بی بهره نگشته و در دورانهای تکاملی مختلف بر ضخامت آن اضافه شده است.

رشد و توسعه اکسیژن ابتدا در سطح حادث گشته و سپس در دورانهای مختلف زمین شناسی غلظت آن افزونی گرفته است و همزمان با این افزایش، ارتباط تنگاتنگی بین

O₃ O₂- ایجاد گشته است.

در 4.6 میلیارد سال پیش میزان و وضعیت اکسیژن و اوزن اتمسفر زمین بگونه ای نبود که بتواند از حیات حفاظت کند، و روند تولید اکسیژن و اوزن از 4 میلیارد سال پیش آغازیدن گرفت و احتمالاً از اوایل دوره کامبرین(Cambrian period) یعنی در حدود 550 میلیون سال پیش با ورود گیاهان به عرصه حیات، روند تولید اکسیژن هم فزونی یافت و به تبع آن اوزن هم سرافزار گردید و بر فراز آسمان زمین سایه افکند، اگر بخواهیم تاریخچه کوتاهی

از وضعیت تکامل اکسیژن، اوزن و هم تراز همه ،یعنی تکامل موجودات زنده(گیاهان، جانوران و انسان) بیاوریم، خلاصه مطلب بصورت ذیل خواهد بود:

1- در 4.200 میلیون سال پیش اتمسفر زمین عاری از اکسیژن و اوزن بود، و در این مرحله هیچ گونه موجود زنده ای وجود نداشت، طبیعتاً در این دوره زمین در معرض بمبارانهای شدید کیهانی و توسط شهاب سنگ ها، سیارک ها و سایر اجرام آسمانی بصورت مداوم بمباران می شد.

2- تقریباً در 3.8 میلیارد سال پیش بود که کم کم علائم ظهور اکسیژن و مکانیزم شکل گیری اوزن و هم چنین جانوران تک سلولی فراهم آمد، میزان اکسیژن در این دوره تقریباً 5*10^-9ﮮ {O₂} بود و میزان اوزن نیز O₃=10^-3 →  molecule cm^-3 بود.

تقریباً از 3.8 میلیارد سال پیش تا 400 میلیون سال پیش که دوره قبل از کامبرین(pre-Cambrian) را به خود اختصاص می دهد، وضعیت اکسیژن، اوزن و جانوران پرسلولی بکلی دگرگون گردید و شرایط بر وقف مراد پیش رفت، یعنی میزان اکسیژن و اوزن بحدی رسید که برای حفاظت و ادامه حیات کفایت می کرد. بدین ترتیب در حدود 400 میلیون سال پیش، O₂،O₃ و باکتریهای سیان، پیشرفت قابل ملاحظه ای نمودند.

-3تا اینکه در حدود 550 میلیون سال پیش دوره کامبیرین(Cambrian) گیاهان و حیوانات (Land plants & animals) موجودیت یافتند در دوره های اوردوویسین(Ordovician) و سیلورن(Silurian) که هر کدام 50 میلیون سال طول کشید، حیوانات خشکی پا به عرصه حیات گذاشتند و در این زمان بود که اکسیژن به غلظت واقعی خود رسید و اوزن نیز بنحو قابل ملاحظه ای چتر خود را در سرتاسر کره پهن تر نمود و بدین ترتیب مکانیزم واقعی حمایت از حیات زمین شکل گرفت.

در دوره های دیگر یعنی دونین(Devonian) یا کرینیفروس(Carboniferous) ،پرمین(Permian) و تریاسیک(Triassic) که هر کدام 50 میلیون سال مدت داشت، مجدداً موجهای گسترده ای از حیوانات و گیاهان بلند قامت و عظیم الجثه، متولد گردیدند.

اکسیژن در واقع به مرحله نهائی غلظت خود یعنی 20% رسید و به تبع غلظت O₂، ضخامت لایه اوزن نیز کامل تر گردید.

در دوره ژوراسیک (Jurassic) که تقریباً 100 میلیون سال طول کشیده است، پستانداران و گیاهان گلدار بوجود آمدند.

نهایتاً در کرتاسه که این دوره نیز 100 میلیون سال طول داشت، حلقه تکامل به نحو مطلوبتری رقم خورد، تقریباً در 65 میلیون سال پیش دیناسورها (Dinosaurs)، به واسطه حوادثی که برای زمین پیش آمد، همگی از بین رفتند و نسل آنها منقرض گردید و نهایتاً فقط در حدود 5 میلیون سال پیش انسان با کرامت و ویژه گیهای خاص پا به عرصه سیاره زمین نهاد و مدت چند میلیون سال(4.5 میلیون) بصورت گروهی زندگی می کرد و برای تامین معاش و پناهگاه ازروش زندگی سایر پستانداران تبعیت مینمود وفقط چیزی در حدود کمتر 5000 سال است که انسان بواسطه بهره گیری از هوشمندی خود، صاحب تمدن(Civilization)  گردیده است و  بعد ها به واسطه راهنمائی پیام آوران الهی راه و رسم درست زندگی را بیاموخت و صاحب اخلاق و کرامت اکتسابی گردید.

اتفاقات زیادی دیگری هم در طول دورانهای تکاملی بر سیاره زمین و همه موجودات آن، رخ داده است که از حوصله این مقاله خارج است.

مخلص کلام اینکه، اکسیژن، اوزن، مواد عالی و غیرآلی، گیاهان ، جانوران و انسان  همه و همه در یک فرآیند بسیار دراز مدت، از ساده به پیچیده ترین  شکل تکامل یافته و در این مسیر متحمل  فراز و فرودهای فراوانی گردیده اند.

پس گفتار:

علی رغم تصورات و عقاید مختلف در خصوص نحوه تکامل اتمسفر و همه پدیده هائی که در آن وجود دارد، اغلب دانشمندان علوم پذیرفته اند که در حال حاضر اوزن(O₃) یک فیلتر کلیدی اتمسفری برای اشعه ماوراء بنفش خورشیدی در طول موج λ = 200 - 300 نانومتر است.

در حقیقت تمرکز روی حفاظت لایه اوزن، به منظور حمایت و حفاظت از حیات روی سیاره زمین است.مهم تر اینکه هشدار هائی در خصوص فعالیت های انسانی که باعث تخریب این لایه می گردند  را نیز در بر میگیرد.

مثلاً پرتاب و انتشار گونه های شیمیائی مخرب لایه اوزن از قبیل CFCsها، که عمدتاً منشاء انسانی دارند، باید مدنظر جدی قرار گرفته و از انتشار آنها و مواد شیمیائی نظیر جلوگیری گردد.

بدین ترتیب اهمیت حفاظت از  صفحه اوزن برای تداوم حیات بسیار ضروری است، نکته مهم دیگری که در خصوص تداوم و حفاظت حیات مدنظر است، مربوط به گاز شیمیائی CO₂ است.

تغییرات در غلظت CO₂ باعث می گردد که سیاره زمین دچار اختلالات وسیع گرمائی گشته و کنترل طبیعی سامانه ها حیات  تحت مخاطره قرار گیرد.

لذا، لازم است  فعالیت انسانی در خصوص انتشار گاز بیش از حد CO₂ متوقف گردد . در صورت تحقق چنین امری، اقتصاد کره زمین، موجودات آن و محیط زیست نیز در پایداری بسر خواهند برد.

در غیر اینصورت گرمای بوجود آمده ناشی از CO₂ اضافی در سیاره زمین انقراض زودرس حیات باعث می گردد.

برای حفظ اتمسفر فعلی زمین، لازم است میزانO₂، اوزنO₃، CO₂، گیاهان، جانوران،انسان و سایر فعالیتهای مربوط به تداوم حیات بنحو مطلوبی متعادل گردد تا بتوان عمر بسیار طولانی تری برای سیاره زمین متصور شد.

بعنوان مثال: اگر سیاره زمین هم آبهای موجود در خود را بدلیل تغییرات اتمسفری از دست دهد، نتیجه چنین وضعیتی تبدیل  شدن به سیاره ونوس خواهد بود، یعنی CO₂ آن زیاد شده و اکسیژن تقلیل و از آب نیز تهی می گردد.

بطور کلی سیاره ائی همانند زمان اولیه تولد می گردد، یعنی عاری از حیات، خشک و لم یزرع و غیر قابل اعتماد برای تداوم حیات.

پس انسان باید حداکثر تلاش خود را در جهت حفظ این سیاره خاکی – آبی مختص حیات نموده و در این مسیر مجموعه فداکاریهای مربوط به این امر(حفاظت) را، در راس فعالیت های خود قرار دهد.