1

وقتی فضانوردان از فضا به زمین نگاه می‌کنند، آن را «گوی آبی» می‌نامند. اما این رنگ آبی نمادین که بازتابی از اقیانوس‌های گسترده و آسمان آفتابی است، شاید ظاهر جدیدی برای زمین باشد. اگر به گذشته زمین – حدود ۲/۵ تا ۴ میلیارد سال پیش – بازگردیم، ممکن است رنگی کاملاً متفاوت ببینیم.

🌍 اقیانوس‌های زمین زمانی به رنگ سبز می‌درخشیدند

دانشمندان اکنون معتقدند که اقیانوس‌های زمین زمانی سبز زمردی بوده‌اند، نه آبی.

این آب‌های زمردی فقط یک پدیده زمین‌شناسی عجیب نبودند، بلکه گهواره‌ای برای تکامل محسوب می‌شدند، به‌ویژه برای یکی از معماران تأثیرگذار حیات: سیانوباکتری‌ها.

در یک مطالعه جدید که توسط «تارو ماتسوئو» و تیمش در دانشگاه ناگویا انجام شده و در مجله Nature Ecology & Evolution منتشر شده است، چشم‌اندازی تازه از زیست‌کره اولیه زمین ارائه می‌شود.

این پژوهش با بررسی نحوه عبور نور دریا از میان آب‌های غنی از آهن، فرضیه‌ای جسورانه مطرح می‌کند: سامانه فتوسنتزی سیانوباکتری‌ها به شدت تحت تأثیر حضور نور سبز تکامل یافته است.

این دنیای سبز می‌تواند دیدگاه ما درباره شناسایی حیات در سیارات دیگر – و همچنین منشأ حیات روی زمین – را تغییر دهد.

🌊 اقیانوس‌های اولیه: سرشار از آهن و به رنگ سبز

تولد زمین و شکل‌گیری اقیانوس‌ها

حدود ۴/۵ میلیارد سال پیش، زمین از بقایای کیهانی شکل گرفت. حیات با تاخیر ظاهر شد، حدود ۳/۷ میلیارد سال پیش.

پیش از پیدایش اولین سلول‌ها، سطح زمین پوشیده از اقیانوس‌ها بود اما ظاهر آن‌ها کاملاً با آنچه امروز می‌بینیم تفاوت داشت. منافذ گرمابی در کف اقیانوس‌ها آهن دو ظرفیتی [Fe(II)] وارد آب می‌کردند و دریاها را از آهن فروکاهیده اشباع می‌ساختند.

تأثیر شیمیایی بر نور

در غیاب اکسیژن در جو و با فراوانی Fe(II)، آب اقیانوس‌ها فاقد شفافیت و بازتاب رنگی اقیانوس‌های آبی امروزی بود.

هیچ لایه ازنی برای فیلتر کردن اشعه UV وجود نداشت و گیاهان خشکی برای تغییر ترکیب جو وجود نداشتند. این آب‌های اشباع از آهن، رابطه‌ای عجیب با نور داشتند – نوری که بیشتر به سوی طیف سبز میل داشت.

با ظهور سیانوباکتری‌ها، اکسیژن در آب پدیدار شد. این اکسیژن، آهن فروکاهیده را به آهن سه ظرفیتی تبدیل کرد که نامحلول است و به‌صورت ذرات زنگ‌مانند رسوب می‌کند.

اما این ذرات به‌سرعت ناپدید نمی‌شدند و تأثیر چشمگیری بر نور واردشده به اعماق اقیانوس داشتند.

🌱 نور سبز و تأثیر آن بر مسیر تکامل

عبور نور سبز از میان آهن سه‌ظرفیتی

آهن سه ظرفیتی در آب به شکل هیدروکسید آهن معلق بود و اثری نوری بسیار قوی داشت. این ترکیب، طول‌موج‌های قرمز و آبی را جذب کرده و اجازه عبور نور سبز را می‌داد.

در نتیجه، خود اقیانوس‌ها به رنگ سبز درمی‌آمدند. اگر کسی در آن زمان حضور داشت، آب‌های زمین را در حال درخشیدن به رنگ زمردی می‌دید.

واکنش سیانوباکتری‌ها

در این محیط سبز، سیانوباکتری‌ها به‌عنوان استادان اولیه فتوسنتز، شروع به تطابق کردند. آن‌ها از پیش دارای رنگدانه کلروفیل a بودند که نور قرمز و آبی را جذب می‌کرد. اما در نور سبز، کلروفیل a کارایی خود را از دست می‌داد.

برای بقا، سیانوباکتری‌ها سازه‌هایی به نام «فیکوبیلی‌سوم» را تکامل دادند – ساختارهایی شبیه آنتن که با رنگدانه‌های کمکی غنی شده‌اند. مهم‌ترین این رنگدانه‌ها، فایکواریتر وبیلین (PEB) بود.

این رنگدانه نور سبز را جذب کرده و آن را به کلروفیل a برای فتوسنتز منتقل می‌کرد. این سازوکار به سیانوباکتری‌ها برتری زیستی داد.

«تحلیل‌های ژنتیکی نشان داد که سیانوباکتری‌ها دارای پروتئین فیکوبیلین تخصصی به نام فایکواریترین هستند که به‌طور مؤثر نور سبز را جذب می‌کند. ما معتقدیم این تطابق به آن‌ها اجازه داد در اقیانوس‌های غنی از آهن و سبز رشد کنند.» – تارو ماتسوئو

🧪 شبیه‌سازی اقیانوس‌های سبز باستانی

برای آزمون این نظریه، تیم تحقیقاتی ماتسوئو شبیه‌سازی‌های عددی دقیقی انجام دادند که شرایط نوری زیرآب در دوران آرکئن را بازسازی می‌کرد.

نتایج شبیه‌سازی

در عمق ۵ تا ۲۰ متری، ذرات هیدروکسید آهن پنجره‌ای پایدار برای عبور نور سبز ایجاد می‌کردند. حتی با تغییرات ده‌برابری در غلظت ذرات، طیف نوری تغییر محسوسی نداشت.

در این شرایط، نور سبز غالب بود و کاملاً با محدوده جذب PEB هماهنگ بود. فیکوبیلی‌سوم‌های مجهز به PEB به سیانوباکتری‌ها برتری تکاملی می‌داد.

آزمایش ژنتیکی

در کنار مدل‌سازی، تیم تحقیقاتی آزمایش‌های ژنتیکی انجام دادند و گونه‌هایی از سیانوباکتری‌ها را مهندسی کردند که PEB تولید کنند.

زمانی‌که این گونه‌ها در معرض نور سبز قرار گرفتند، نسبت به گونه‌های وحشی رشد بهتری داشتند. انتقال انرژی آن‌چنان کارآمد بود که PEB حتی بدون اتصال به فایکواریترین و فقط با چسبیدن به فایکوسیانین نیز عمل می‌کرد.

🌋 تطبیق با اقیانوس‌های مدرن

در سال ۲۰۲۳، ماتسوئو به جزیره ایوو در مجمع‌الجزایر ساتسونان ژاپن سفر کرد. در آنجا، طبیعت نمونه‌ای نادر از اقیانوس‌های اولیه را ارائه می‌داد.

مشاهده نمونه زنده

منافذ گرمابی زیر این جزیره Fe(II) آزاد می‌کردند که به هیدروکسید آهن اکسید می‌شد – دقیقاً همانند آنچه میلیاردها سال پیش رخ می‌داد.

«از قایق، می‌توانستیم درخشش سبز مشخصی در آب‌های اطراف را به‌خوبی ببینیم، درست همان‌طور که تصور می‌کردم زمین در گذشته چنین به‌نظر می‌رسیده است.» – ماتسوئو

اندازه‌گیری در عمق ۵/۵ متری تأیید کرد که نور سبز غالب است. تجزیه فلورسانس نشان داد که سیانوباکتری‌ها در این عمق PEB بیشتری نسبت به سطح آب دارند – بازتابی مدرن از دنیای باستان.

🌈 فیکوبیلی‌سوم‌ها: ابزارهایی زاده نور

فیکوبیلی‌سوم‌ها یکی از ویژگی‌های کلیدی سیانوباکتری‌ها هستند. این ساختارها از سه پروتئین اصلی ساخته شده‌اند: فایکواریترین (PE)، فایکوسیانین (PC) و آلوفایکوسیانین (APC).

در اقیانوس‌های آرکئن، توانایی PE برای جذب نور سبز و انتقال آن به کلروفیل a بی‌رقیب بود.

پیشینه تکاملی

تحلیل‌های فیلوژنتیکی نشان می‌دهند که حتی نخستین سیانوباکتری‌ها نیز سیستم کامل PE–PC–APC را در اختیار داشته‌اند.

برخی سیانوباکتری‌ها بعدها PE را از دست دادند، به‌ویژه آن‌هایی که با شرایط نوری متفاوت سازگار شدند. اما برای ساکنان اولیه اقیانوس‌های سبز، PE نقشی حیاتی ایفا می‌کرد.

انتقال انرژی از PEB بسیار کارآمدتر از کاروتنوئیدهایی مانند β-کاروتن بود. حتی فاصله انتقال انرژی PEB به کلروفیل حدود هفت برابر بیشتر بود.

یعنی حتی در شرایط کم‌نور، فیکوبیلی‌سوم‌های مملو از PEB، فتوسنتز را به جریان می‌انداختند.

🪐 اهمیت اقیانوس‌های سبز زمین برای شناسایی حیات در سیارات دیگر

نتایج این پژوهش فقط به تاریخ زمین مربوط نمی‌شوند، بلکه دیدگاه ما را درباره یافتن حیات در سیارات دیگر نیز تغییر می‌دهند.

بازبینی در رنگ‌های جستجوی حیات

تا کنون، اخترشناسان به دنبال سیارات آبی بودند، چرا که تصور می‌شد آب این رنگ را بازتاب می‌دهد. اما تیم ماتسوئو نشان داد که اقیانوس‌های غنی از هیدروکسید آهن از فاصله دور درخشان‌تر و سبزتر به‌نظر می‌رسند.

«داده‌های سنجش از دور نشان می‌دهد که آب‌های غنی از هیدروکسید آهن، مانند اطراف جزیره ایوو، از اقیانوس‌های آبی معمولی درخشان‌تر دیده می‌شوند. این ما را به این نتیجه می‌رساند که اقیانوس‌های سبز ممکن است از فاصله دور قابل‌تشخیص‌تر باشند.»

بنابراین در جستجوی حیات فرازمینی، شاید بهتر باشد طیف رنگی خود را گسترده‌تر کنیم. رنگ سبز می‌تواند نشانه‌ای از اقیانوس‌هایی پر از فعالیت میکروبی باشد – همچون زمین در آغاز راه.

✨ چه آموختیم؟

پنجره نوری زمین همواره یکسان نبوده است. پیش از رویداد بزرگ اکسایش (GOE)، نور غالب در محیط به سوی سبز میل می‌کرد.

با افزایش اکسیژن و کاهش آهن، اقیانوس‌ها شفاف‌تر شدند و پنجره نوری به‌سمت سفید تغییر یافت. گیاهان خشکی در این نور سفید تکامل یافتند و سیانوباکتری‌های خشکی دیگر به PE نیاز نداشتند.

اما در زیستگاه‌های کم‌نور زیرآب، PE همچنان حیاتی باقی ماند. تکامل فیکوبیلی‌سوم‌ها بازتابی از تحولات جوی و اقیانوسی زمین است. هر مرحله از نور، مسیر جدیدی برای زندگی ترسیم کرد و موجب گسترش و تنوع آن شد.

«وقتی اولین بار در سال ۲۰۲۱ به این ایده فکر کردم، بیشتر شک داشتم تا ایمان. اما حالا پس از سال‌ها تحقیق، با کنار هم قرار گرفتن یافته‌های زمین‌شناسی و زیست‌شناسی مثل قطعات پازل، تردیدم تبدیل به یقین شده است.» – ماتسوئو

یقینی که اکنون تصویری متفاوت از زمین اولیه را ارائه می‌دهد؛ کره‌ای سبز کمرنگ که در آن، نور زندگی را به شیوه‌ای شگفت‌انگیز شکل داد.