כדור הארץ לא תמיד היה כחול - ולא יישאר כזה

מה צבע האוקיינוסים? אנחנו רגילים לענות לשאלה הזו אוטומטית ב"כחול" – ובתמונות של כדור הארץ מהחלל באמת ניתן לראות שהאוקיינוסים המכסים שלושה רבעים משטח כוכב הלכת נראים כחולים – אך זה לא תמיד היה המצב ולא יישאר כך לאורך זמן. קלוד מגלה לנו מה היה צבע הים בעבר, ומה הוא יהיה בעתיד.

ים ירוק עמוק

לפי מחקר יפני שהופיע בתחילת השנה ב-Nature, בעבר הרחוק היו מי האוקיינוס ירוקים, בשל הכימיה העתיקה של האוקיינוסים והתפתחות הפוטוסינתזה. המחקר התמקד בעידן הארכיאן – תקופה שנמשכה מלפני כ-3.8 מיליארד שנה עד לפני כ-1.8 מיליארד שנה. בתקופה זו, החיים באוקיינוסים היו מוגבלים ליצורים חד-תאיים, בעוד היבשות היו נוף שומם של סלעים ומשקעים בגווני אפור, חום ושחור.

גשם שירד על סלעי היבשת המיס ברזל, שנישא לאוקיינוסים על ידי נהרות. מקורות נוספים של ברזל היו הרי געש בקרקעית האוקיינוס. ברזל זה שיחק תפקיד מכריע בצבע האוקיינוסים.

באותה תקופה, האטמוספרה והאוקיינוסים היו נטולי חמצן גזי. למרות זאת, באותה תקופה החלו להתפתח היצורים הראשונים שייצרו אנרגיה מאור השמש. יצורים אלו השתמשו בפוטוסינתזה אנאירובית (ללא חמצן), ובמהלך התהליך שחררו חמצן כתוצר לוואי.

תצורות ברזל מחולקות והשינוי הגדול

עדות מרכזית לשינויים אלה נמצאת ב"תצורות ברזל מחולקות" – משקעים גיאולוגיים עתיקים המציגים פסים של צבעים שונים. פסים אלה מתעדים את המעבר ההדרגתי ממצב נטול חמצן למצב עשיר בחמצן, עם חילופים בין משקעי ברזל שנוצרו בהיעדר חמצן לבין ברזל אדום מחומצן.

החוקרים היפנים התחילו את מחקרם מתצפית מסקרנת: המים סביב האי הגעשי היפני איוו-ג'ימה הם בעלי גוון ירקרק, הקשור לצורה מחומצנת של ברזל – Fe(III). באותם מים ירקרקים משגשגות אצות כחוליות-ירוקות.

למרות שמן, אצות כחוליות-ירוקות הן למעשה חיידקים פרימיטיביים, ולא אצות אמיתיות. בעידן הארכיאן, אבות האצות הכחוליות-ירוקות המודרניות התפתחו לצד חיידקים אחרים, שהשתמשו בברזל במקום במים כמקור אלקטרונים לפוטוסינתזה, מה שמעיד על רמות גבוהות של ברזל באוקיינוס.

פיגמנטים והתאמה לאור

יצורים פוטוסינתטיים משתמשים בפיגמנטים (בעיקר כלורופיל) בתאיהם כדי להפוך פחמן דו-חמצני לסוכרים באמצעות אנרגיית השמש. האצות הכחוליות-ירוקות מיוחדות, כי הן נושאות לא רק את פיגמנט הכלורופיל הנפוץ, אלא גם פיגמנט שני בשם פיקואריתרובילין (PEB).

במחקרם, החוקרים גילו שאצות כחוליות-ירוקות המהונדסות גנטית עם PEB צומחות טוב יותר במים ירוקים. למרות שכלורופיל מצוין לפוטוסינתזה בספקטרום האור הנראה לנו, PEB נראה עדיף בתנאי אור ירוק.

סימולציות מחשב שערכו החוקרים מצאו שהחמצן ששוחרר על ידי הפוטוסינתזה המוקדמת הוביל לריכוז גבוה מספיק של חלקיקי ברזל מחומצן, שהפכו את פני השטח של המים לירוקים. רק לאחר שכל הברזל באוקיינוס חומצן, התחיל חמצן חופשי להצטבר באוקיינוסים ובאטמוספרה.

השלכות אסטרוביולוגיות

אחת המסקנות החשובות של המחקר היא שכוכבי לכת מרוחקים שנראים לנו כ"נקודות ירוקות חיוורות" הם מועמדים טובים להכיל חיים פוטוסינתטיים מוקדמים, שאולי הובילו לפיתוח חיים מתקדמים יותר.

השינויים בכימיה של האוקיינוסים היו הדרגתיים: תקופת הארכיאן נמשכה 1.5 מיליארד שנה – יותר ממחצית ההיסטוריה של כדור הארץ. זה מסביר מדוע האצות הכחוליות-ירוקות פיתחו את שני סוגי הפיגמנטים הפוטוסינתטיים, המאפשרים ניצול יתרון אבולוציוני בסביבות אור משתנות.

האם האוקיינוסים יכולים לשנות צבע שוב?

המחקר היפני מלמד שצבעי האוקיינוסים קשורים לכימיה של המים ולהשפעת החיים. ניתן לדמיין צבעי אוקיינוס שונים מבלי להיכנס לתחום המדע הבדיוני:

• אוקיינוסים סגולים יתכנו אם רמות הגופרית יהיו גבוהות, אולי בשל פעילות געשית אינטנסיבית ותכולת חמצן נמוכה באטמוספרה, מה שיוביל לדומיננטיות של חיידקי גופרית סגולים.
• אוקיינוסים אדומים אפשריים תיאורטית תחת אקלים טרופי אינטנסיבי, כאשר ברזל מחומצן אדום נוצר מבליית סלעים ביבשה ונישא לאוקיינוסים. לחלופין, אם סוג של אצות הקשורות ל"גאות אדומה" ישלטו במי השטח, גם זה יגרום לאוקיינוסים להיראות אדומים.
• עם הזדקנות השמש, היא תהפוך בהתחלה לבהירה יותר, מה שיוביל לאידוי מוגבר ולקרינת אולטרא-סגול אינטנסיבית. זה עשוי לתת עדיפות לחיידקי גופרית סגולים החיים במים עמוקים ללא חמצן, ולהוביל לגוונים סגולים, חומים או ירוקים יותר באזורי החוף.

בסופו של דבר, בטווחי זמן גיאולוגיים, שום דבר אינו קבוע, ושינויים בצבע האוקיינוסים שלנו הם בלתי נמנעים. השאלה היא האם האנושות תחיה כאן עוד מספיק זמן כדי לצפות בשינויים כאלה.