อิทธิพลของสิ่งมีชีวิตต่อบรรยากาศ

สิ่งมีชีวิตและบรรยากาศยุคแรก


        องค์ประกอบหลักของบรรยากาศโลกในยุคก่อนมีสิ่งมีชีวิตเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และไนโตรเจน ซึ่งปล่อยออกมาจากภูเขาไฟ โดยมีไอน้ำและมีเทนเจือปนอยู่เล็กน้อยดังตารางที่ 1 ในยุคนั้นดวงอาทิตย์มีขนาดเล็กกว่าปัจจุบัน และมีพลังงานไม่มากพอที่จะสร้างความอบอุ่นให้แก่พื้นผิวโลก อย่างไรก็ตามบรรยากาศมีคุณสมบัติเป็นแก๊สเรือนกระจกดูดกลืนรังสีอินฟราเรดไว้ ทำให้โลกมีอบอุ่นเพียงพอสำหรับสิ่งมีชีวิต เมื่อโลกเย็นตัวลงไอน้ำควบแน่นกลายเป็นหยดน้ำละลายคาร์บอนไดออกไซด์ทำให้เกิดกรดคาร์บอนิก สิ่งแวดล้อมในยุคนั้นจึงมีความเป็น กรดสูงทั้งบนพื้นดิน มหาสมุทรและในบรรยากาศ


ตารางที่ 1 องค์ประกอบของบรรยากาศโลก

 แก๊สในบรรยากาศ ก่อนมีสิ่งมีชีวิต
 ยุคเริ่มแรก ยุคปัจจุบัน
 ไนโตรเจน (N2) 10 - 80 %
 50 - 80 %
 78 %
 ออกซิเจน (O2) 0 0 21 %
 คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) 30 - 90 %
 10 - 20 %
 0.036 % 
 มีเทน (CH4) 100 ส่วนต่อล้านส่วน
 10,000 ส่วนต่อล้านส่วน
 1.6 ส่วนต่อล้านส่วน
 ความกดอากาศ 1 - 10 บาร์
 1 - 2 บาร์
 1 บาร์


        นักวิทยาศาสตร์พบหินตะกอนที่เก่าแก่ที่สุดในโลกที่เกาะกรีนแลนด์มีอายุ 3.8 ล้านปี เมื่อตรวจวัดด้วยกัมมันตภาพรังสีของคาร์บอน 12 พบว่า หินตะกอนนี้เกิดจากแหล่งทางชีวภาพ นอกจากนั้นยังพบซากสิ่งมีชีวิตที่เก่าแก่ที่สุดที่ทวีปออสเตรเลียเป็นฟอสซิลจุลินทรีย์อายุ 3.5 พันล้านปี ดังภาพที่ 1 จุลินทรีย์โบราณเป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวคือ เซลล์โพรคาริโอตไม่มีนิวเคลียสมีรูปร่างคล้ายแบคทีเรียในปัจจุบัน  สิ่งมีชีวิตยุคแรกยังไม่สามารถดำรงชีวิตอยู่บนบก เนื่องจากบรรยากาศยังไม่มีแก๊สโอโซนสำหรับกรองรังสีอุลตราไวโอเล็ตซึ่งเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต  พวกมันจึงจำเป็นต้องอาศัยอยู่ในมหาสมุทร เพื่อใช้น้ำทะเลเป็นเกราะกำบังรังสีอุลตราไวโอเล็ตที่มากับแสงอาทิตย์ เราจะสังเกตได้ว่า สิ่งแวดล้อมของสิ่งมีชีวิตในยุคแรกนั้นปราศจากออกซิเจนและแสงอาทิตย์ 



ภาพที่ 1 ฟอสซิลจุลินทรีย์โบราณ อายุ 3,500 ล้านปี

        หนึ่งพันปีต่อมาแบคทีเรียโบราณเริ่มอพยพขึ้นสู่เขตน้ำตื้น โดยใช้ประจุคาร์บอเนตซึ่งละลายอยู่ในน้ำทะเลสร้างเกราะกำบังแสงอาทิตย์ และพัฒนาตัวเองให้สร้างอาหารจากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศโดยการสังเคราะห์ด้วยแสงอาทิตย์ (Photosynthesis)  แม้ว่าแบคทีเรียจะเป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว แต่พวกมันมีจำนวนมากและอยู่รวมกันเป็นอาณานิคม​ดังเช่น สโตรมาโทไลต์ (Stromatolite) ซึ่งอาศัยอยู่ในเขตน้ำตื้นดังภาพที่ 2 เป็นสิ่งมีชีวิตที่ปฏิว้ติบรรยากาศของโลกในยุคแรก โดยการปล่อยออกซิเจนเข้าสู่บรรยากาศ ออกซิเจนเป็นธาตุที่ว่องไวในการทำปฏิกริยากับธาตุอื่น เมื่อออกซิเจนสัมผัสเปลือกโลกก็จะทำให้เกิดแร่ธาตุต่างๆ บนพื่้นผิว เช่น เหล็กที่เรานำมาใช้ในอุตสาหกรรมก็ถลุงจากฮีมาไทต์ (Fe2O3) ซึ่งเป็นสินแร่เหล็กและเป็นผลผลิตของสโตรมาโทไลต์ 


ภาพที่ 2 สโตรมาโทไลต์


การทวีปริมาณแก๊สออกซิเจน

        แก๊สออกซิเจนในบรรยากาศทวีปริมาณเพิ่มขึ้นเมื่อประมาณ 2 พันล้านปีก่อน เนื่องจากเซลล์โพรคาริโอตบางสายพันธุ์ได้พัฒนาเป็นเซลล์ยูคาริโอต โดยการสร้างเนื้อเยื่อห่อหุ้มโครโมโซม และสร้างคลอโรพลาสต์เพื่อสังเคราะห์พลังงานจากแสงอาทิตย์ ตรึงแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศมาสร้างอาหารแล้วปล่อยแก๊สออกซิเจนออกมา   เมื่อแก๊สออกซิเจน (O2) ลอยขึ้นสู่บรรยากาศชั้นบนก็จะดูดกลืนรังสีอุลตราไวโอเล็ต แล้วแตกตัวเป็นออกซิเจนอะตอมเดี่ยว (O) จากนั้นจะรวมตัวกับโมเลกุลคู่ของแก๊สออกซิเจนอีกครั้งเกิดเป็นแก๊สโอโซน (O3)  เมื่อบรรยากาศของโลกมีแก๊สโอโซนห่อหุ้มแล้ว รังสีอัลตราไวโอเล็ตไม่สามารถแผ่ลงมาถึงพื้นผิวได้ สิ่งมีชีวิตซึ่งเคยอาศัยอยู่ในท้องทะเลก็เริ่มอพยพขึ้นบก   ต่อมาเมื่อแพลงตอนพืช (Phytoplankton) และสาหร่ายสีเขียวปกคลุมพื้นผิวมหาสมุทร พืชพรรณปกคลุมผืนป่าบนแผ่นดิน  พื้นผิวโลกแทบทุกส่วนกลายเป็นแหล่งผลิตแก๊สออกซิเจน ปริมาณของออกซิเจนในบรรยากาศบรรลุจุดสูงสุดเมื่อประมาณ 500 ล้านปีก่อนนี้ กราฟในภาพที่ 3 แสดงถึงความสัมพันธ์ของวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตกับปริมาณแก๊สออกซิเจนในบรรยากาศ 


ภาพที่ 3 การเพิ่มปริมาณของออกซิเจนในบรรยากาศ


        ขณะที่เซลล์ยูคาริโอตพัฒนาคลอโรพลาสต์เพื่อสังเคราะห์อาหารจากคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยแสง แล้วปล่อยแก๊สออกซิเจนออกมา  มันได้พัฒนาไมโทครอนเดรียนเพื่อนำออกซิเจนมาเผาผลาญอาหารให้เกิดพลังงาน แล้วปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกมาควบคู่ไปด้วย นี่คือรากฐานของสมดุลธรรมชาติ  สิ่งมีชีวิตในยุคต่อมาจึงวิวัฒนาการเป็นพืชและสัตว์ ออโตทรอฟและเฮเทโรทรอฟเป็นสิ่งที่คู่กัน ฝ่ายหนึ่งผลิตอีกฝ่ายหนึ่งบริโภค  ฝ่ายหนึ่งสร้างออกซิเจนอีกฝ่ายหนึ่งสร้างคาร์บอนไดออกไซด์ ดังเช่น ไดอะตอม (แพลงตอนพืช) และฟอรามินิเฟอร์ (แพงตอนสัตว์) ในภาพที่ 4


ภาพที่ 4 แพลงตอนพืช และแพลงตอนสัตว์ (ไม่ใช่สัดส่วนจริง)

        แก๊สออกซิเจนเป็นประโยชน์กับสปีชีส์หนึ่งแต่กลับเป็นพิษกับอีกสปีชีส์หนึ่ง แบคทีเรียสีน้ำเงินแกมเขียวปล่อยแก๊สออกซิเจนออกมาทำให้แบคทีเรียบางชนิดถูกทำลาย ออกซิเจนเป็นธาตุที่ช่วยในการสันดาปแต่ถ้าปริมาณของออกซิเจนในบรรยากาศโลกมีมากถึง 35% จะเกิดไฟจะไหม้โลก  ดังนั้นขณะที่พืชตรึงแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศมาสร้างอาหารแล้วปล่อยแก๊สออกซิเจนออกมา  สัตว์กินพืชเพื่อควบคุมปริมาณแก๊สออกซิเจนในบรรยากาศ แล้วปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์กลับคืนสู่บรรยากาศเพื่อเป็นการปรับสมดุล   แต่ถ้ามนุษย์ขุดเชื้อเพลิงฟอสซิล (ถ่านหินและน้ำมัน) ขึ้นมาเผาไหม้ก็จะทำให้มีปริมาณแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศมากเกินไป อุณหภูมิโลกจะสูงขึ้นจนน้ำแข็งขั้วโลกละลาย ทำให้น้ำทะเลมีระดับสูงขึ้นจนท่วมพื้นที่ชายฝั่ง  เราจะเห็นได้ชัดเจนว่า สิ่งมีชีวิตมีอิทธิพลต่อบรรยากาศ และสมดุลของโลกเป็นอย่างยิ่ง  



วัฏจักรคาร์บอน 

        ตอนที่ระบบสุริยะยังมีอายุน้อย ดวงอาทิตย์ยังมีขนาดเล็กพลังงานที่ส่องถึงโลกยังไม่มาก  โลกยุคแรกถูกปกคลุมด้วยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งปล่อยมาจากภูเขาไฟเพื่อสร้างภาวะเรือนกระจก ทำให้พื้นผิวโลกมีความอบอุ่นเพียงพอที่จะทำให้น้ำมีสถานะเป็นของเหลว  กาลต่อมาดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่ขึ้นทำให้พลังงานของแสงอาทิตย์ที่ส่งถึงโลกก็มากขึ้นด้วย  โลกจึงปรับตัวโดยใช้วัฏจักรคาร์บอนดังนี้ (ดูภาพที่ 5 และข้อมูลในตารางที่ 2 ประกอบ) 

    1. น้ำฝนละลายแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศเกิดเป็นกรดคาร์บอนิค 

    2. น้ำฝนทำปฏิกิริยากับแคลเซียมซิลิเกตบนพื้นผิวทำให้เกิดซิลิกา (ทราย) ประจุแคลเซียม ประจุคาร์บอเนตไหลรวมกันลงสู่แม่น้ำและทะเล 

    3. สิ่งมีชีวิตบนแผ่นดินและสิ่งมีชีวิตใต้ทะเลใช้แคลเซียมไบคาร์บอเนตมาสร้างเปลือก เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลงสะสมเป็นตะกอนหินปูนที่พื้นทะเล 

    4. หินตะกอนใต้เปลือกมหาสมุทร ถูกหลอมละลายโดยแมกม่า และถูกดันขึ้นมาทางปลองภูเขาไฟในรูปของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ 

    5. พืชและแพลงตอนสีเขียวตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ เพื่อสร้างอาหารโดยการสังเคราะห์ด้วยแสงและปล่อยแก๊สออกซิเจนออกมา 

    6. สัตว์หายใจเข้านำแก๊สออกซิเจนเข้าไปเผาผลาญอาหาร แล้วปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์กลับคืนสู่บรรยากาศ สิ่งมีชีวิตสร้างร่างกายจากคาร์บอนในอาหาร เมื่อตายลงก็จะคืนคาร์บอนไว้กับแผ่นดิน หรืออาจฝังตัวเป็นน้ำมันและถ่านหิน 

    7. ในสภาวะที่ขาดออกซิเจนแบคทีเรียจะย่อยสลายอาหาร ทำให้เกิดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และแก๊สมีเทน

    8. เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลงคาร์บอนในร่างกายจะสะสมในดิน การทับถมตัวในสภาวะที่ไร้ออกซิเจนหลายร้อยล้านปีจะทำให้เกิด ถ่านหิน น้ำมันดิบ หรือแก๊สเชื้อเพลิง มนุษย์ขุดวัตถุดิบเหล่านี้มาเป็นเชื้อเพลิง ปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์กลับคืนสู่บรรยากาศ




ภาพที่ 5 วัฏจักรคาร์บอน 

          ตารางที่ 2 วัฏจักรคาร์บอน


วัฏจักรไนโตรเจน 

        ไนโตรเจน (N2) เป็นแก๊สที่มีมากที่สุดในบรรยากาศ และเป็นส่วนประกอบที่สำคัญในโมเลกุลของกรดอะมิโน ซึ่งเชื่อมต่อกันเป็นโปรตีนใช้ในการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิต อย่างไรก็ตามทั้งพืชและสัตว์ไม่สามารถนำแก๊สไนโตรเจนจากอากาศมาสร้างเซลล์ได้โดยตรง แต่จะต้องผ่านกระบวนการสลับซับซ้อนมากมาย ซึ่งอาศัยแบคทีเรียในดินและในน้ำหรือในปมรากของพืชตระกูลถั่วช่วยตรึงแก๊สไนโตรเจนในอากาศมาเปลี่ยนเป็นแก๊สแอมโมเนีย (NH3) เพื่อทำปฏิกิริยากับน้ำในดินให้เกิดประจุแอมโมเนียม (NH4+) แล้วแบคทีเรียอีกชนิดหนึ่งจะเปลี่ยนให้เป็นประจุแอมโมเนียมเป็นไนไตรท์ (NO2-) และไนเตรท (NO3-รากพืชดูดสารละลายไนเตรทในน้ำไปใช้สร้างเนื้อเยื่อเพื่อเจริญเติบโต  สัตว์รับไนไตรท์ไปใช้โดยการกินพืชอีกทีหนึ่ง  เมื่อพืชและสัตว์ตายลง แบคทีเรียและเห็ดราย่อยสลายซากที่เหลือ เปลี่ยนไนเตรทเป็นไนไตรท์ทำให้เกิดแก๊สไนโตรเจน (N2และแก๊สไนตรัสออกไซด์ N2O กลับคืนสู่บรรยากาศ เป็นอันครบวัฏจักรไนโตรเจนดังที่แสดงในภาพที่ 6



ภาพที่ 6 วัฏจักรไนโตรเจน



วัฏจักรกำมะถัน

        กำมะถัน (Sulfur) เป็นธาตุที่สำคัญสำหรับสิ่งมีชีวิต ทำหน้าที่รักษาโครงสร้างของโปรตีนในการเชื่อมต่อโมเลกุลของกรดอะมิโน กำมะถันมีมากในมหาสมุทรในรูปของประจุซัลเฟต สิ่งมีชิวิตขนาดเล็ก เช่น แบคทีเรียใช้แก๊สไฮโดรเจนซัลไฟด์จากน้ำพุร้อนช่วยในการสังเคราะห์อาหาร แพลงตอนพืชและสาหร่ายบางชนิดย่อยสลายธาตุอาหารและปล่อยไดเมทิลซัลไฟด์ (DMS) สู่บรรยากาศ เมื่อไดเมทิลซัลไฟด์ทำปฏิกิริยากับแก๊สออกซิเจนจะเกิดประจุซัลเฟตซึ่งเป็น ละอองอากาศ (Aerosol) หรืออนุภาคขนาดเล็กซึ่งมีบทบาทสำคัญต่อบรรยากาศโลก 2 ประการคือ สะท้อนแสงอาทิตย์ทำให้โลกเย็นลง และเป็นแกนควบแน่นให้ไอน้ำจับตัวกลายเป็นหยดน้ำทำให้เกิดเมฆ หากปราศจากแกนควบแน่นแล้วไอน้ำจะไม่สามารถควบแน่นเป็นหยดน้ำได้เลย เมื่อหยดน้ำมีขนาดใหญ่กลายเป็นฝนตกพาอนุภาคซัลเฟตกลับลงสู่ทะเลอีกครั้งหนึ่งเป็นการครบวงจรดังที่แสดงในภาพที่ 7



ภาพที่ 7 วัฏจักรกำมะถัน


บรรยากาศของโลกในอนาคต 

      บรรยากาศของโลกในปัจจุบันแตกต่างไปจากในอดีตมาก บรรยากาศของโลกในยุคก่อนมีสิ่งมีชีวิตเต็มไปด้วยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เช่นเดียวกับดาวเคราะห์เพื่อนบ้านทั้งสองดวง ได้แก่ ดาวศุกร์ และดาวอังคาร โมเลกุลใหญ่ของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ทำให้เกิดความกดอากาศสูงและภาวะเรือนกระจกซึ่งทำให้โลกมีอุณหภูมิสูง สิ่งมีชีวิตได้เพิ่มออกซิเจนให้แก่บรรยากาศเพื่อลดความกดอากาศและภาวะเรือนกระจก ทำให้โลกมีอุณหภูมิลดลงทำให้เกิดสภาวะแวดล้อมที่เอื้ออำนวยต่อการดำรงชีวิตดังข้อมูลในตารางที่ 3 อย่างไรก็ตามมนุษย์ในฐานะของสิ่งมีชีวิตที่มีวิวัฒนาการสูงสุด เราได้กระทำกิจกรรมที่สวนทางกับสิ่งมีชีวิตในยุคก่อนซึ่งเป็นบรรพบุรุษของเราหรือไม่ 

    • ธรรมชาติตรึงคาร์บอนไว้ใต้พื้นโลกเพื่อให้โลกเย็น / มนุษย์ขุดเชื้อเพลิงขึ้นมาเผาไหม้ทำให้โลกร้อน
    • ธรรมชาติทำให้น้ำกลายเป็นน้ำแข็งเพิ่มผืนแผ่นดินมนุษย์ทำให้โลกร้อนจนน้ำแข็งขั้วโลกละลาย
    • ธรรมชาติสร้างต้นไม้เพื่อสังเคราะห์อาหารมนุษย์ปรุงอาหารด้วยการตัดไม้ทำลายป่า
    • ธรรมชาติสร้างออกซิเจนให้เราหายใจมนุษย์ตัดไม้ป้อนสู่โรงงานอุตสาหกรรม 
    • ธรรมชาติสร้างแพลงตอนทำให้ฝนตกมนุษย์สร้างความแห้งแล้งและปล่อยน้ำให้เน่าเสีย
    • ธรรมชาติสร้างโอโซนเพื่อป้องกันรังสีอัลตราไวโอเล็ตมนุษย์ทำลายโอโซนด้วยสาร CFC 

        หากกิจกรรมของมนุษย์ยังดำเนินไปเช่นทุกวันนี้ ในอนาคตโลกจะเป็นอย่างไร


ตารางที่ 3 องค์ประกอบของบรรยากาศของโลก และดาวเคราะห์เพื่อนบ้าน

 แก๊สในบรรยากาศดาวศุกร์
โลกก่อนมีสิ่งมีชีวิต
โลกเมื่อมีสิ่งมีชีวิต
ดาวอังคาร
 คาร์บอนไดออกไซด์ 96.5 %
98 %
 0.03 %
95 %
 ไนโตรเจน 3.5 %
 1.9 %
 79 %
 2.7 %
 ออกซิเจน
 0 %
 0% 21 %
 0.13 %
 อุณหภูมิ (oC)
 480 290 13 - 53
 ความกดอากาศ (บาร์)
 90 601
 0.0064


Comments