حدث الأكسجة في العصر النيوبروتيروزوي

ابتداءً من حوالي 850 مليون سنة مضت وحتى حوالي 720 مليون سنة مضت، وهي فترة زمنية تُقارب أواخر العصر التوني، بين نهاية حقبة المليار المملوء وبداية حقبة "الأرض المتجمدة" في العصر الكريوجيني ، سجلت الرواسب البحرية ارتفاعًا ملحوظًا في نظائر الكربون. يُعتقد أن هذه القيم المرتفعة ^لـ δ13C مرتبطة بتطور إشعاعي للعوالق حقيقية النواة وزيادة دفن المواد العضوية، مما يشير بدوره إلى ارتفاع حاد في إنتاج الأكسجين خلال هذه الفترة. ^{[ 6 ]} وقد حدثت ارتفاعات أخرى في نظائر الكربون خلال العصر الكريوجيني. ^{[ 7 ]} على الرغم من وجود العديد من الارتفاعات السلبية في نظائر الكربون، المرتبطة بأحداث الاحترار، من أواخر العصر التوني وحتى حدود حقبة ما قبل الكامبري وحقبة الحياة الظاهرة، إلا أن سجل نظائر الكربون يحافظ على اتجاه إيجابي ملحوظ طوال حقبة ما قبل الكامبري الحديثة. ^{[ 2 ]}

تُظهر بيانات δ15N من رواسب بحرية يتراوح عمرها بين 750 و580 مليون سنة، مأخوذة من أربعة أحواض مختلفة من ^العصر النيوبروتيروزوي، نسب نظائر نيتروجين مماثلة لتلك الموجودة في المحيطات الحديثة، حيث يبلغ النمط +4% ويتراوح النطاق من -4% إلى +11%. لم يُلاحظ أي تغيير يُذكر عبر الحد الفاصل بين العصرين الكريوجيني والإدياكاري، مما يشير إلى أن الأكسجين كان موجودًا في جميع أنحاء المحيط العالمي منذ 750 مليون سنة، خلال العصر التوني. ^{[ 8 ]}

شهدت قيم δ³⁴S لكبريتات مياه البحر ، التي ارتفعت تدريجيًا خلال معظم حقبة ما قبل الكامبري (النيوبروتيروزويك) مع انخفاضات حادة خلال العصور الجليدية، ^{[ 9 ] ارتفاعًا} ملحوظًا خلال العصر الإدياكاري، مصحوبًا بانخفاض مماثل في قيم δ³⁴S للبيريت. ^تشير معدلات التجزئة العالية بين الكبريتات والكبريتيد إلى زيادة توافر الكبريتات في عمود الماء، مما يدل بدوره على زيادة تفاعل البيريت مع الأكسجين. ^{[ 10 ]} بالإضافة إلى ذلك، تشير الأدلة الجينية إلى ظهور تنوع كبير من البكتيريا غير الضوئية المختزلة للكبريتيد خلال حقبة ما قبل الكامبري. ومن خلال تفاعل عدم تناسب الكبريت البكتيري، تعمل هذه البكتيريا على استنزاف نظائر الكبريت الأثقل من الكبريتيد البحري. ^{[ 11 ]} ولأن هذه البكتيريا تحتاج إلى كميات كبيرة من الأكسجين للبقاء على قيد الحياة، يُعتقد أن حدثًا لزيادة الأكسجين خلال العصر النيوبروتيروزوي، والذي رفع تركيزات الأكسجين إلى ما يزيد عن 5-18% من المستويات الحالية، كان شرطًا أساسيًا ضروريًا لتنوع هذه الكائنات الدقيقة. ^{[ 12 ]}

يمكن أن يشير δ13C بشكل موثوق إلى التغيرات في صافي الإنتاجية الأولية والأكسجة إذا ظلت معدلات التجوية في المحيطات وانبعاث ثاني أكسيد الكربون ثابتة أو زادت، حيث أن انخفاض أي منهما قد يتسبب في ارتفاع قيمة δ13C ^نتيجة استمرار الاستهلاك البيولوجي التفضيلي للكربون-12 من قبل المجتمعات الموجودة ^مع انخفاض إمدادات الكربون المتاحة، دون أن يشير ذلك إلى زيادة في الإنتاجية الأولية وإنتاج الأكسجين. ^{[ 6 ]} تُستخدم نسبة السترونتيوم-87 إلى السترونتيوم-86 كمحدد للمساهمة النسبية للتجوية القارية في إمدادات المغذيات للمحيط؛ ^{[ 2 ]} تشير الزيادة في هذه النسبة، كما لوحظ طوال العصر النيوبروتيروزوي وحتى العصر الكامبري حتى بلوغ ذروتها في نهاية العصر الكامبري، إلى ارتفاع في التجوية القارية وتعزز الأدلة المستمدة من نسب نظائر الكربون على ارتفاع نسبة الأكسجين في هذه الفترة الزمنية. ^{[ 13 ]}

يؤدي الأكسدة السطحية للكروم الثلاثي (Cr(III)) إلى الكروم السداسي (Cr(VI)) إلى تجزئة نظائر الكروم ؛ إذ يتميز الكروم السداسي، الموجود عادةً في البيئة على شكل كرومات أو ثنائي كرومات، بقيم مرتفعة لنسبة δ ⁵³ Cr، أو نسبة الكروم-53 إلى الكروم-52، بينما يرتبط الاختزال البكتيري للكروم السداسي إلى الكروم الثلاثي بانحرافات سالبة في نظائر الكروم. بعد انتقال الكروم المؤكسد عبر الأنهار إلى المحيط، يكون التفاعل الذي يُختزل الكروم السداسي إلى الكروم الثلاثي، ثم يُؤكسد الحديدوز إلى الحديديك، فعالاً للغاية في عزل الكروم السداسي، وكذلك ترسيب الكروم الثلاثي مع هيدروكسيد الحديديك. هذا يعني أن نسب نظائر الكروم المترسبة كيميائياً في الرواسب الغنية بالحديديك تعكس بدقة نسب نظائر الكروم في مياه البحر وقت الترسيب. نظرًا لأن الأكسدة الفعالة للكروم الثلاثي (Cr(III)) إلى الكروم السداسي (Cr(VI)) لا تتحقق إلا بوجود ثاني أكسيد المنغنيز كعامل مساعد، وهو عنصر مستقر ومتوفر بكثرة فقط عند مستويات عالية من ضغط الأكسجين، فإن أي زيادة في قيمة δ ⁵³ Cr تشير إلى ارتفاع تركيز الأكسجين في الغلاف الجوي. تُظهر تكوينات الحديد الشريطية (BIFs) التي ترسبت خلال حقبة ما قبل الكامبري الحديثة باستمرار قيمًا موجبة عالية لـ δ ⁵³ Cr، تتراوح من 0.9% إلى 4.9%، مما يدل على أكسجة الغلاف الجوي في تلك الحقبة. ^{[ 14 ] [ 6 ]} بدأت دورة الكروم المؤكسدة منذ حوالي 0.8 مليار سنة، مما يشير إلى أن ارتفاع مستوى الأكسجين بدأ قبل العصور الجليدية الكريوجينية بفترة طويلة. ^{[ 15 ]} كما تُظهر نظائر الكروم أنه خلال الفترة الجليدية الكريوجينية، بين العصرين الجليديين الستورتي والمارينوي، كانت أكسجة المحيط والغلاف الجوي بطيئة وهادئة؛ وقد مثلت هذه الفترة فترة هدوء في ظاهرة أكسجة المحيطات في العصر الجديد. ^{[ 16 ]}

كانت قيم δ ⁹⁸ Mo أعلى قليلاً خلال العصر الإدياكاري المتأخر مقارنةً بالعصر الكريوجيني أو العصر الإدياكاري المبكر والمتوسط. يشير هذا المؤشر النظائري إلى أن مستوى أكسجة محيط العصر الإدياكاري المتأخر كان مماثلاً لمستوى أكسجة محيطات حقبة الحياة الوسطى خلال فترات نقص الأكسجين . ^{[ 17 ]}

تم تفسير القيم المنخفضة جدًا لـ δ ²³⁸ U، والتي تُستخدم عادةً كمقياس نظائري للتغيرات في أكسجة مياه البحر، خلال معظم حقبة النيوبورتيروزويك، على أنها تعكس زيادة تدريجية في الأكسجة تتخللها فترات توسع مؤقتة وعابرة للمياه اللاهوائية والمياه المختزلة. ^{[ 18 ]} خلال العصر الإدياكاري المبكر، حدث التحول في نظائر اليورانيوم بالتزامن مع زيادة في نظائر الكربون الخفيفة. ^{[ 19 ]}

خلال حقبة المليار الممل، كانت إنتاجية المحيطات المفتوحة منخفضة للغاية مقارنةً بحقبتي النيوبورتيروزويك والفانيروزويك، نتيجةً لغياب البكتيريا المثبتة للنيتروجين في العوالق. ويُعتقد أن تطور وانتشار البكتيريا المثبتة للنيتروجين، بالإضافة إلى البكتيريا الزرقاء النانوية غير المثبتة للنيتروجين، القادرة على شغل بيئات العوالق البحرية، وما ترتب على ذلك من تغيرات في دورة النيتروجين خلال العصر الكريوجيني، كان السبب الرئيسي وراء الأكسجة السريعة لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي وإزالته منه، مما يُفسر أيضًا حدوث تجلدات شديدة للغاية ميزت هذه الفترة من حقبة النيوبورتيروزويك. ^{[ 20 ]}

يُعتقد أن تباطؤ دوران الأرض وما يقابله من زيادة في طول النهار قد يكون سببًا محتملاً لظاهرة أوفرهاوزر الشمالية، وذلك استنادًا إلى نتائج تجريبية تُشير إلى أن إنتاجية البكتيريا الزرقاء تكون أعلى خلال فترات أطول من ضوء النهار المتواصل مقارنةً بفترات أقصر تتقطع فيها الظلمة بشكل متكرر. ^{[ 21 ]} وبين 650 و500 مليون سنة مضت، تباطأ دوران الأرض بشكل ملحوظ، وهو ما يتزامن مع زيادة نسبة الأكسجين في الغلاف الجوي. ^{[ 22 ]}

شهد العصر النيوبروتيروزوي دفن الكربون العضوي على نطاق واسع في بحيرات كبيرة ذات مياه قاعية خالية من الأكسجين. ولأن الكربون كان محبوساً في الصخور الرسوبية، لم يكن من الممكن أكسدته، مما سمح بتراكم الأكسجين في الغلاف الجوي. ^{[ 23 ]}

يُعتقد أن ازدياد تنوع حقيقيات النوى يُفسر ارتفاع نسبة الأكسجين في أعماق المحيطات، وذلك عن طريق إزالة الفوسفور منها. وقد أدى تطور الكائنات الحية متعددة الخلايا الكبيرة إلى زيادة كميات المواد العضوية الغارقة في قاع البحر ( الثلج البحري ). ويُعتقد أن هذا، بالإضافة إلى تطور الكائنات القاعية التي تتغذى بالترشيح (مثل السوطيات الطوقية والإسفنجيات البدائية مثل أوتافيا )، قد حوّل الطلب على الأكسجين إلى أعماق أكبر في عمود الماء، مما أدى إلى حلقة تغذية راجعة إيجابية، حيث أُزيل الفوسفور من المحيط، مما قلل الإنتاجية وخفض الطلب على الأكسجين، الأمر الذي أدى بدوره إلى زيادة نسبة الأكسجين في مياه أعماق المحيطات. وقد مكّنت المحيطات الغنية بالأكسجين من انتشار حقيقيات النوى على نطاق أوسع، وهو ما يُرجح أنه عمل كحلقة تغذية راجعة إيجابية ساهمت في تسريع عملية الأكسجة. ^{[ 24 ]}

يُعتقد أن الزيادة السريعة في عزل الكربون العضوي نتيجة لزيادة معدلات التمثيل الضوئي العالمي بواسطة كل من البكتيريا الزرقاء والكائنات الحية ذاتية التغذية الضوئية حقيقية النواة ( الطحالب الخضراء والحمراء )، والتي حدثت بالتزامن مع زيادة تجوية السيليكات في البازلت الفيضي القاري الناتج عن تفكك القارة العظمى رودينيا ، ^{[ 25 ]} كانت بمثابة محفز للعصرين الجليديين ستورتيان ومارينوان خلال العصر الكريوجيني ، وهو الفترة الوسطى من العصر النيوبروتيروزوي. ^{[ 20 ]}

خلال العصر التوني، ربما تطورت وتنوعت الكائنات متعددة الخلايا المبكرة جدًا في "واحات" الأكسجين في أعماق المحيطات، والتي شكلت حاضنات لهذه المراحل المبكرة من تطور حقيقيات النوى. ^{[ 26 ]} ومع ذلك، فإن استمرار نقص الأكسجين ووجود الأكسجين الكافي خلال أواخر العصر التوني، على الرغم من بعض الزيادات في محتوى الأكسجين، يعني أن التنوع الكلي لحقيقيات النوى ظل منخفضًا. ^{[ 27 ]} على مدار العصر الإدياكاري ، أصبحت المحيطات تدريجيًا أكثر أكسجة، ^{[ 28 ]} حيث أظهرت الفترة الزمنية التي أعقبت مباشرةً العصر الجليدي لغاسكيرز أدلة على زيادة كبيرة في محتوى الأكسجين البحري. ^{[ 29 ]} وقد عزا بعض الباحثين التنوع السريع للحياة متعددة الخلايا خلال هذه الفترة الجيولوجية إلى زيادة محتوى الأكسجين، ^{[ 30 ]} مما مكّن حقيقيات النوى متعددة الخلايا المستهلكة للأكسجين، والتي تُعدّ من أبرز سمات الحياة الإدياكارية، من الانتشار الواسع. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} في البداية، اقتصرت الحياة الحيوانية على المياه العميقة والباردة التي تحتوي على أعلى نسبة من الأكسجين المذاب، ثم توسعت تدريجياً إلى المناطق الأكثر دفئاً في المحيط مع ارتفاع مستويات الأكسجين العالمية. ^{[ 34 ]}