มหาสมุทรบนโลกเคยเป็นสีเขียวมาก่อน และในอนาคตอาจกลายเป็นสีม่วง?

โลกถูกเรียกว่าดาวเคราะห์สีน้ำเงิน เพราะพื้นที่เกือบ 3 ใน 4 ถูกปกคลุมด้วยมหาสมุทร แต่งานวิจัยล่าสุดจากญี่ปุ่นซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature เปิดเผยว่า ในอดีต มหาสมุทรของโลกเคยเป็นสีเขียวมาก่อน

สาเหตุที่สีมหาสมุทรของโลกเปลี่ยนแปลงไปนั้นเกิดจากคุณสมบัติทางเคมีและวิวัฒนาการของการสังเคราะห์แสงของสิ่งมีชีวิตบนโลก

โดยอันดับแรกต้องทำความรู้จักกับแหล่งหินชนิดหนึ่งที่เรียกว่า “แหล่งแร่เหล็กแบบเป็นแถบชั้น” (Banded Iron Formation)

AFP/HO/NASA

แหล่งแร่เหล็กแบบเป็นแถบชั้นถูกทับถมกันในยุคอาร์เคียนและพาลีโอโพรทีโรโซอิก หรือเมื่อประมาณ 3,800 ถึง 1,800 ล้านปีก่อน สิ่งมีชีวิตในยุคสมัยนั้นจำกัดอยู่แค่สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวในมหาสมุทร ขณะที่ทวีปต่าง ๆ ยังเป็นภูมิประเทศที่แห้งแล้งที่มีแต่หินและตะกอนสีเทา น้ำตาล และดำ

ฝนที่ตกลงบนชั้นหินทวีปจะเซาะเหล็กในแหล่งแร่ และจะถูกแม่น้ำพัดพาไปยังมหาสมุทร

ขณะเดียวกัน ยุคโบราณเป็นช่วงเวลาที่ชั้นบรรยากาศและมหาสมุทรของโลกยังไม่มีออกซิเจนในรูปก๊าซ แต่เป็นช่วงเวลาที่สิ่งมีชีวิตกลุ่มแรก ๆ ที่สร้างพลังงานจากแสงอาทิตย์ได้วิวัฒนาการขึ้น สิ่งมีชีวิตเหล่านี้ใช้การสังเคราะห์แสงแบบไม่ใช้ออกซิเจน (Anaerobic Photosynthesis)

จุดสำคัญคือ ผลพลอยได้จากการสังเคราะห์แสงแบบไม่ใช้ออกซิเจน คือ “ก๊าซออกซิเจน” ทำให้ก๊าซออกซิเจนทำปฏิกิริยากับเหล็กที่ถูกพัดไหลมาในน้ำทะเล

ในที่สุด การสังเคราะห์แสงในช่วงแรกนำไปสู่ “การเพิ่มขึ้นของออกซิเจนครั้งใหญ่” (Great Oxidation Event) ซึ่งเป็นจุดเปลี่ยนทางนิเวศวิทยาสำคัญที่ทำให้ชีวิตที่ซับซ้อนบนโลกเกิดขึ้นมาในภายหลัง

เหตุการณ์นี้ถือเป็นการเปลี่ยนผ่านจากโลกที่แทบไม่มีออกซิเจน ไปเป็นโลกที่มีออกซิเจนจำนวนมากในมหาสมุทรและชั้นบรรยากาศ

แหล่งแร่เหล็กแบบเป็นแถบชั้นเอง ก็เผชิญการเปลี่ยนแปลง โดยมีทั้งการสะสมของเหล็กที่สะสมในสภาวะที่ไม่มีออกซิเจนและเหล็กออกไซด์สีแดงที่เกิดจากเหล็กทำปฏิกิริยากับออกซิเจน

งานวิจัยความล่าสุดที่บอกว่ามหาสมุทรโลกเคยเป็นสีเขียวในยุคโบราณนั้น มีจุดเริ่มต้นมาจากการสังเกตว่า น้ำรอบเกาะภูเขาไฟอิโวจิมะของญี่ปุ่นมีโทนสีเขียว ซึ่งเชื่อมโยงกับเหล็กออกซิไดซ์ชนิดหนึ่ง คือ Fe(III) และสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินเจริญเติบโตได้ดีในน้ำสีเขียวรอบเกาะนี้

แม้จะมีคำว่าสาหร่ายอยู่ในชื่อ แต่สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินเป็นแบคทีเรีย ไม่ใช่สาหร่ายที่แท้จริง ในยุคโบราณ บรรพบุรุษของสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินได้วิวัฒนาการควบคู่ไปกับแบคทีเรียชนิดอื่นที่ใช้เหล็กแทนน้ำเป็นแหล่งอิเล็กตรอนในการสังเคราะห์แสง บ่งชี้ว่ามีธาตุเหล็กในมหาสมุทรสูง

สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงจะใช้เม็ดสี (ส่วนใหญ่เป็นคลอโรฟิลล์) ในเซลล์ เพื่อเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นน้ำตาล โดยใช้พลังงานจากดวงอาทิตย์ คลอโรฟิลล์ให้สีเขียวแก่พืช สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินมีลักษณะพิเศษเนื่องจากมีเม็ดสีคลอโรฟิลล์ และยังมีเม็ดสีชนิดที่สองที่เรียกว่า “ไฟโคเอริโทรบิลิน” (PEB) ด้วย

ในงานวิจัยใหม่ นักวิจัยพบว่า สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินที่ผ่านการดัดแปลงพันธุกรรมด้วย PEB สามารถเจริญเติบโตได้ดีกว่าในน้ำสีเขียว แม้ว่าคลอโรฟิลล์จะดีต่อการสังเคราะห์แสงในสเปกตรัมของแสงที่เรามองเห็น แต่ดูเหมือนว่า PEB จะเหนือกว่าในสภาพแสงสีเขียว

ก่อนที่การสังเคราะห์แสงและออกซิเจนจะเกิดขึ้น มหาสมุทรของโลกมีธาตุเหล็กที่ละลายน้ำได้ (เหล็กที่สะสมในสภาวะที่ไม่มีออกซิเจน) ออกซิเจนที่ปล่อยออกมาจากการสังเคราะห์แสงในยุคอาร์เคียนทำให้มีธาตุเหล็กที่ถูกออกซิไดซ์ในน้ำทะเล

การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ของงานวิจัยนี้ยังพบด้วยว่า ออกซิเจนที่ปล่อยออกมาจากการสังเคราะห์แสงในยุคแรกทำให้มีอนุภาคของธาตุเหล็กที่ถูกออกซิไดซ์ในความเข้มข้นที่สูงพอที่จะทำให้ “ผิวน้ำเป็นสีเขียว” ได้

การเปลี่ยนแปลงทางเคมีของมหาสมุทรเกิดขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป โดยยุคอาร์เคียนกินเวลานานถึง 1,500 ล้านปี หรือเกือบ 1 ใน 3 ของอายุโลก

สีของมหาสมุทรค่อย ๆ เปลี่ยนแปลงไปในช่วงเวลาดังกล่าวและอาจมีการแกว่งไปมาได้ ซึ่งอาจอธิบายได้ว่า ทำไมสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินจึงวิวัฒนาการมามีเม็ดสีสังเคราะห์แสงทั้งสองรูปแบบ คลอโรฟิลล์เหมาะที่สุดสำหรับแสงสีขาว ซึ่งเป็นแสงแดดประเภทที่เรามีในปัจจุบัน ส่วน PEB เหมาะสำหรับแสงเขียว

งานวิจัยล่าสุดนี้ยังชี้ให้เห็นว่า สีของมหาสมุทรของเรามีความเกี่ยวข้องกับเคมีของน้ำและอิทธิพลของสิ่งมีชีวิต จึงมีความเป็นไปได้ ที่สีของมหาสมุทรอาจเกิดการเปลี่ยนแปลงได้อีกในอนาคต

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า “มหาสมุทรสีม่วง” อาจเกิดขึ้นได้ หากมีปริมาณกำมะถันสูง ซึ่งอาจเชื่อมโยงกับกิจกรรมของภูเขาไฟที่รุนแรงและปริมาณออกซิเจนต่ำในชั้นบรรยากาศ ซึ่งเป็นภาวะที่เหมาะสมต่อแบคทีเรียสีม่วง (Purple Sulfur Bacteria)

นอกจากนี้ เมื่อดวงอาทิตย์ของเราอายุมากขึ้น ดวงอาทิตย์จะสว่างขึ้นก่อน ส่งผลให้พื้นผิวมหาสมุทรระเหยมากขึ้นและได้รับแสงยูวีเข้มข้น สิ่งนี้อาจส่งผลดีต่อแบคทีเรียกำมะถันสีม่วงที่อาศัยอยู่ในน้ำลึกที่ไม่มีออกซิเจน

สิ่งนี้จะทำให้มหาสมุทรมีสีม่วง น้ำตาล หรือเขียวมากขึ้น ในบริเวณชายฝั่งหรือบริเวณที่มีชั้นหิน โดยที่น้ำจะมีสีน้ำเงินเข้มน้อยลงเนื่องจากแพลงก์ตอนพืชลดลง

 

อ่านงานวิจัยฉบับเต็ม ที่นี่

เรียบเรียงจาก The Conversation