מחקר פורץ דרך בהנהגת חוקרים מאוניברסיטת טוהו ביפן, תוך שימוש במודלים פלנטריים של נאס"א, חזה שינוי דרמטי באטמוספרה של כדור הארץ שיכול להפוך את החיים כפי שאנו מכירים אותם לבלתי אפשריים. על פי המחקר שפורסם בכתב העת המדעי Nature Geoscience, החמצן של כדור הארץ ייעלם בעוד בערך מיליארד שנה, מה שיסמן את סוף החיים המורכבים על הכוכב.
המחקר, שכותרתו "אורך החיים העתידי של האטמוספרה המחומצנת של כדור הארץ", בוצע על ידי קאזומי אוזאקי, פרופסור באוניברסיטת טוהו בטוקיו, בשיתוף עם מדען כדור הארץ כריס ריינהרד מהמכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה. המחקר ביצע 400,000 סימולציות מפורטות כדי לחקור איך האטמוספרה של כדור הארץ עלולה להתפתח כשהשמש ממשיכה להתבגר ולהתעצם.
הגורם המרכזי: הזדקנות השמש
אחד הגורמים המרכזיים המובילים לדלדול החמצן הוא תהליך ההזדקנות הבלתי נמנע של השמש. ככל שהשמש מזדקנת, היא תהפוך בהדרגה חמה וזוהרת יותר. העלייה בקרינה סולרית תשפיע משמעותית על האקלים של כדור הארץ ותוביל לסדרה של שינויים בלתי הפיכים.
הטמפרטורות הגבוהות יגרמו לאידוי מהיר יותר של גופי המים של כדור הארץ, ויגדילו את רמות אדי המים האטמוספריים. טמפרטורות פני השטח יעלו, ויקרבו את הכוכב לכיוון תנאים לא מתאימים לקיום חיים. החימום יחליש את מחזור הפחמן, תהליך קריטי המווסת את הפחמן דו-חמצני (CO₂) האטמוספרי.
"במשך שנים רבות, מדענים דנו כמה זמן החיים על כדור הארץ יוכלו להימשך. הם התבססו על העובדה שהשמש הולכת ונהיית בהירה וחמה יותר, ועל תהליכים טבעיים שמווסתים את רמות הגזים באטמוספירה", הסביר אוזאקי. "מה שהבינו הוא שעם הזמן, רמות הפחמן דו-חמצני באוויר ירדו, אבל במקביל כדור הארץ יתחמם יותר ויותר".
במילים פשוטות: מדענים כבר ידעו שהשמש תהפוך חמה יותר עם הזמן, ושזה יפגע בחיים על כדור הארץ. אבל המחקר החדש הזה גילה בדיוק איך ומתי זה יקרה – והתברר שהבעיה הגדולה ביותר תהיה שהחמצן ייגמר לפני שכל הבעיות האחרות יגיעו.
קריסת מחזור הפחמן והחיים הצמחיים
ככל שהתהליכים הטבעיים שמווסתים את הפחמן יתערערו, החיים הצמחיים יתחילו למות ויפסיקו לייצר חמצן. יש תהליך טבעי שנקרא "מחזור קרבונט-סיליקט" שעוזר לשמור על איזון הפחמן דו-חמצני באטמוספירה – התהליך הזה יואט ויפגע ביציבות האוויר שלנו. ככל שרמות הפחמן דו-חמצני באטמוספירה יירדו, הצמחים פשוט לא יוכלו לבצע פוטוסינתזה בצורה יעילה, מה שיוביל לירידה מהירה בייצור החמצן.
פחות פחמן דו-חמצני פירושו פחות אורגניזמים פוטוסינתטיים כמו צמחים, מה שיגרום לפחות חמצן. הטמפרטורות העולות יקרבו את המערכות האקולוגיות של כדור הארץ מעבר לגבולות החוסן שלהן, ויגרמו להכחדה המונית ופעילות ביולוגית מופחתת.
תוצאות קטסטרופליות
הסימולציות חוזות שהחמצן של כדור הארץ יירד במהירות לאחר הגעה לסף קריטי, אולי תוך מספר אלפי שנים. "הירידה בחמצן היא מאוד, מאוד קיצונית", אמר ריינהרד ל-New Scientist. "אנחנו מדברים על בערך מיליון פעמים פחות חמצן ממה שיש היום".
איבוד החמצן ילווה בעלייה משמעותית ברמות המתאן, וחזרה למצב אטמוספרי קדמוני. השינוי הזה יחזיר את הכוכב למשהו כמו המצב שהיה בו לפני אירוע החמצון הגדול (GOE) לפני בערך 2.4 מיליארד שנה – תקופה שבה האטמוספרה של כדור הארץ הפכה עשירה בחמצן עקב התרבות של אורגניזמים פוטוסינתטיים.
"המודל חוזה שדה-חמצון של האטמוספירה, עם O₂ אטמוספרי הנופל בחדות לרמות הזוכרות את כדור הארץ הארכיאוני, ככל הנראה יופעל לפני תחילת תנאי החממה הלחה במערכת האקלים של כדור הארץ ולפני האובדן הנרחב של מי פנים מהאטמוספירה", הסבירה הקבוצה במאמר שלהם.
ככל שהחמצן יהפוך נדיר, רוב צורות החיים האירוביות המורכבות, כולל בני אדם, יגלו שהישרדות בלתי אפשרית. "האטמוספירה אחרי הדה-חמצון הגדול מאופיינת במתאן מוגבר, רמות נמוכות של CO₂, וללא שכבת אוזון", אמר אוזאקי. "מערכת כדור הארץ תהיה כנראה עולם של צורות חיים אנאירוביות".
השלכות על המחקר הפלנטרי והחיפוש אחר חיים
מחקר זה מצמצם משמעותית את הערכות קודמות שהציעו שהביוספרה של כדור הארץ תמשך עד שני מיליארד שנה. המחקר היה חלק מפרויקט NASA NExSS (Nexus for Exoplanet System Science), שחוקר את יכולת המגורים של כוכבי לכת אחרים. החוקרים אומרים שחמצן אטמוספרי לא סביר להיות תכונה קבועה של עולמות ראויים למגורים באופן כללי, מה שיש לו השלכות על המאמצים שלנו לזהות סימני חיים רחוק יותר ביקום.
על פי החישובים שהריצו אוזאקי וריינהרד, ההיסטוריה הראויה למגורים העשירה בחמצן של כדור הארץ יכולה להימשך רק 20-30 אחוז מאורך החיים של הכוכב בכללותו. חיים מיקרוביים ימשיכו להתקיים הרבה אחרי שהחיים המורכבים ייעלמו.
כשטלסקופים חזקים יותר ויותר עולים לאוויר, מדענים רוצים להיות מסוגלים לדעת מה הם צריכים לחפש בגלילי הנתונים שהמכשירים האלה אוספים. יתכן שצריך לחפש אחר ביו-חתימות אחרות מלבד חמצן כדי שיהיה לנו הסיכוי הטוב ביותר לזהות חיים.
שאלות מחקר עתידיות
חוקרים מכוונים כעת לחקור איך תהליכים דומים עלולים להתרחש בכוכבי לכת חוץ-שמשיים, במיוחד אלה המקיפים כוכבים מבוגרים יותר, כדי להעריך את יכולת המגורים שלהם. השאלות המרכזיות כוללות האם חיים יכולים להסתגל – בעוד אורגניזמים אנאירוביים פשוטים עלולים לשרוד, חיים מורכבים יעמדו בפני הכחדה.
מדענים גם בוחנים שאלות של פלנטולוגיה השוואתית – האם כוכבי לכת במערכות שמש אחרות עלולים לעבור שינויים אטמוספריים דומים ככל שהכוכבים שלהם מזדקנים? ולמרות שזה ספקולטיבי לחלוטין, טכנולוגיה עתידית עלולה לכוון לשמור באופן מלאכותי על רמות החמצן של כדור הארץ או להעביר חיים אנושיים לכוכבי לכת אחרים.
בינתיים, למרות שהטרנספורמציה הדרמטית הזו עלולה להיות רחוקה בעתיד במיליארד שנה, החיים משגשגים על הכוכב העשיר בחמצן שלנו, ובואו נקווה שנבין איך לצאת מהכוכב בשלב כלשהו במהלך המיליארד שנים הבאות לפני שזה יהיה סוף הדרך לבני אדם ולרוב צורות החיים האחרות שמסתמכות על חמצן כדי לעבור את היום.
