อิทธิพลของสิ่งมีชีวิตต่อบรรยากาศ

สิ่งมีชีวิตและบรรยากาศยุคแรก

องค์ประกอบหลักของบรรยากาศโลกในยุคก่อนมีสิ่งมีชีวิต เป็นคาร์บอนไดออกไซด์และไนโตรเจนซึ่งปล่อยออกมาจากภูเขาไฟ โดยมีไอน้ำและมีเทนเจือปนอยู่เล็กน้อยดังตารางที่ 1 ในยุคนั้นดวงอาทิตย์มีขนาดเล็กกว่าปัจจุบัน และมีพลังงานไม่มากพอที่จะสร้างความอบอุ่นให้แก่พื้นผิวโลก อย่างไรก็ตามบรรยากาศมีคุณสมบัติเป็นก๊าซเรือนกระจกดูดกลืนรังสีอินฟราเรดไว้ ทำให้โลกมีอบอุ่นเพียงพอสำหรับสิ่งมีชีวิต เมื่อโลกเย็นตัวลงไอน้ำควบแน่นกลายเป็นหยดน้ำละลายคาร์บอนไดออกไซด์ทำให้เกิดกรดคาร์บอนิก สิ่งแวดล้อมในยุคนั้นจึงมีความเป็นกรดสูงทั้งบนพื้นดิน มหาสมุทรและในบรรยากาศ

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

ภาพที่ 1 ฟอสซิลจุลินทรีย์โบราณ อายุ 3,500 ล้านปี

หนึ่งพันปีต่อมาแบคทีเรียโบราณเริ่มอพยพขึ้นสู่เขตน้ำตื้น โดยใช้ประจุคาร์บอเนตซึ่งละลายอยู่ในน้ำทะเลสร้างเกราะกำบังแสงอาทิตย์ และพัฒนาตัวเองให้สร้างอาหารจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศโดยการสังเคราะห์ด้วยแสงอาทิตย์ (Photosynthesis) แม้ว่าแบคทีเรียจะเป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว แต่พวกมันมีจำนวนมากและอยู่รวมกันเป็นอาณานิคมดังเช่น สโตรมาโทไลต์ (Stromatolite) ซึ่งอาศัยอยู่ในเขตน้ำตื้นดังภาพที่ 2 เป็นสิ่งมีชีวิตที่ปฏิว้ติบรรยากาศของโลกในยุคแรก โดยการปล่อยออกซิเจนเข้าสู่บรรยากาศ ออกซิเจนเป็นธาตุที่ว่องไวในการทำปฏิกริยากับธาตุอื่น เมื่อออกซิเจนสัมผัสเปลือกโลกก็จะทำให้เกิดแร่ธาตุต่างๆ บนพื่้นผิว เช่น เหล็กที่เรานำมาใช้ในอุตสาหกรรมก็ถลุงจากฮีมาไทต์ (Fe2O3) ซึ่งเป็นสินแร่เหล็กและเป็นผลผลิตของสโตรมาโทไลต์

ภาพที่ 2 สโตรมาโทไลต์

การทวีปริมาณก๊าซออกซิเจน

ออกซิเจนในบรรยากาศทวีปริมาณเพิ่มขึ้นเมื่อประมาณ 2 พันล้านปีก่อน เนื่องจากเซลล์โพรคาริโอตบางสายพันธุ์ได้พัฒนาเป็นเซลล์ยูคาริโอต โดยการสร้างเนื้อเยื่อห่อหุ้มโครโมโซม และสร้างคลอโรพลาสต์เพื่อสังเคราะห์พลังงานจากแสงอาทิตย์ ตรึงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศมาสร้างอาหารแล้วปล่อยก๊าซออกซิเจนออกมา เมื่อก๊าซออกซิเจน (O2) ลอยขึ้นสู่บรรยากาศชั้นบนก็จะดูดกลืนรังสีอัลตราไวโอเล็ต แล้วแตกตัวเป็นออกซิเจนอะตอมเดี่ยว (O) จากนั้นจะรวมตัวกับโมเลกุลคู่ของก๊าซออกซิเจนอีกครั้งเกิดเป็นก๊าซโอโซน (O3) เมื่อบรรยากาศของโลกมีโอโซนห่อหุ้มแล้ว รังสีอัลตราไวโอเล็ตไม่สามารถแผ่ลงมาถึงพื้นผิวได้ สิ่งมีชีวิตซึ่งเคยอาศัยอยู่ในท้องทะเลก็เริ่มอพยพขึ้นบก ต่อมาเมื่อแพลงตอนพืช (Phytoplankton) และสาหร่ายสีเขียวปกคลุมพื้นผิวมหาสมุทร พืชพรรณปกคลุมผืนป่าบนแผ่นดิน พื้นผิวโลกแทบทุกส่วนกลายเป็นแหล่งผลิตก๊าซออกซิเจน ปริมาณของออกซิเจนในบรรยากาศบรรลุจุดสูงสุดเมื่อประมาณ 500 ล้านปีก่อนนี้ กราฟในภาพที่ 3 แสดงถึงความสัมพันธ์ของวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตกับปริมาณแก๊สออกซิเจนในบรรยากาศ

ภาพที่ 3 การเพิ่มปริมาณของออกซิเจนในบรรยากาศ

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

ออกซิเจนเป็นประโยชน์กับสปีชีส์หนึ่งแต่กลับเป็นพิษกับอีกสปีชีส์หนึ่ง แบคทีเรียสีน้ำเงินแกมเขียวปล่อยก๊าซออกซิเจนออกมาทำให้แบคทีเรียบางชนิดถูกทำลาย ออกซิเจนเป็นธาตุที่ช่วยในการสันดาปแต่ถ้าปริมาณของออกซิเจนในบรรยากาศโลกมีมากถึง 35% จะเกิดไฟจะไหม้โลก ดังนั้นขณะที่พืชตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศมาสร้างอาหารแล้วปล่อยออกซิเจนออกมา สัตว์กินพืชเพื่อควบคุมปริมาณออกซิเจนในบรรยากาศ แล้วปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์กลับคืนสู่บรรยากาศเพื่อเป็นการปรับสมดุล แต่ถ้ามนุษย์ขุดเชื้อเพลิงฟอสซิล (ถ่านหินและน้ำมัน) ขึ้นมาเผาไหม้ก็จะทำให้มีปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศมากเกินไป อุณหภูมิโลกจะสูงขึ้นจนน้ำแข็งขั้วโลกละลาย ทำให้น้ำทะเลมีระดับสูงขึ้นจนท่วมพื้นที่ชายฝั่ง เราจะเห็นได้ชัดเจนว่า สิ่งมีชีวิตมีอิทธิพลต่อบรรยากาศ และสมดุลของโลกเป็นอย่างยิ่ง

ภาพที่ 4 แพลงตอนพืช และแพลงตอนสัตว์ (ไม่ใช่สัดส่วนจริง)

วัฏจักรคาร์บอน

ตอนที่ระบบสุริยะยังมีอายุน้อย ดวงอาทิตย์ยังมีขนาดเล็กพลังงานที่ส่องถึงโลกยังไม่มาก โลกยุคแรกถูกปกคลุมด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งปล่อยมาจากภูเขาไฟเพื่อสร้างภาวะเรือนกระจก ทำให้พื้นผิวโลกมีความอบอุ่นเพียงพอที่จะทำให้น้ำมีสถานะเป็นของเหลว กาลต่อมาดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่ขึ้นทำให้พลังงานของแสงอาทิตย์ที่ส่งถึงโลกก็มากขึ้นด้วย โลกจึงปรับตัวโดยใช้วัฏจักรคาร์บอนดังนี้ (ดูภาพที่ 5 และข้อมูลในตารางประกอบ)

น้ำฝนละลายก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศเกิดเป็นกรดคาร์บอนิค
น้ำฝนทำปฏิกิริยากับแคลเซียมซิลิเกตบนพื้นผิวทำให้เกิดซิลิกา (ทราย) ประจุแคลเซียม ประจุคาร์บอเนตไหลรวมกันลงสู่แม่น้ำและทะเล
สิ่งมีชีวิตบนแผ่นดินและสิ่งมีชีวิตใต้ทะเลใช้แคลเซียมไบคาร์บอเนตมาสร้างเปลือก เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลงสะสมเป็นตะกอนหินปูนที่พื้นทะเล
หินตะกอนใต้เปลือกมหาสมุทร ถูกหลอมละลายโดยแมกม่า และถูกดันขึ้นมาทางปลองภูเขาไฟในรูปของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
พืชและแพลงตอนสีเขียวตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ เพื่อสร้างอาหารโดยการสังเคราะห์ด้วยแสงและปล่อยก๊าวออกซิเจนออกมา
สัตว์หายใจเข้านำออกซิเจนเข้าไปเผาผลาญอาหาร แล้วปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์กลับคืนสู่บรรยากาศ สิ่งมีชีวิตสร้างร่างกายจากคาร์บอนในอาหาร เมื่อตายลงก็จะคืนคาร์บอนไว้กับแผ่นดิน หรืออาจฝังตัวเป็นน้ำมันและถ่านหิน
ในสภาวะที่ขาดออกซิเจนแบคทีเรียจะย่อยสลายอาหาร ทำให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์และมีเทน
เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลงคาร์บอนในร่างกายจะสะสมในดิน การทับถมตัวในสภาวะที่ไร้ออกซิเจนหลายร้อยล้านปีจะทำให้เกิด ถ่านหิน น้ำมันดิบ หรือแก๊สเชื้อเพลิง มนุษย์ขุดวัตถุดิบเหล่านี้มาเป็นเชื้อเพลิง ปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์กลับคืนสู่บรรยากาศ

ภาพที่ 5 วัฏจักรคาร์บอน

วัฏจักรไนโตรเจน

ไนโตรเจน (N2) เป็นก๊าซที่มีมากที่สุดในบรรยากาศ และเป็นส่วนประกอบที่สำคัญในโมเลกุลของกรดอะมิโน ซึ่งเชื่อมต่อกันเป็นโปรตีนใช้ในการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิต อย่างไรก็ตามทั้งพืชและสัตว์ไม่สามารถนำไนโตรเจนในอากาศมาสร้างเซลล์ได้โดยตรง แต่จะต้องผ่านกระบวนการสลับซับซ้อนมากมาย โดยอาศัยแบคทีเรียในดินและในน้ำหรือในปมรากของพืชตระกูลถั่ว ช่วยตรึงแก๊สไนโตรเจนในอากาศมาเปลี่ยนเป็นก๊าซแอมโมเนีย (NH3) เพื่อทำปฏิกิริยากับน้ำในดินให้เกิดประจุแอมโมเนียม (NH4+) แล้วแบคทีเรียอีกชนิดหนึ่งจะเปลี่ยนให้เป็นประจุแอมโมเนียมเป็นไนไตรท์ (NO2-) และไนเตรท (NO3-) รากพืชดูดสารละลายไนเตรทในน้ำไปใช้สร้างเนื้อเยื่อเพื่อเจริญเติบโต สัตว์รับไนไตรท์ไปใช้โดยการกินพืชอีกทีหนึ่ง เมื่อพืชและสัตว์ตายลง แบคทีเรียและเห็ดราย่อยสลายซากที่เหลือ เปลี่ยนไนเตรทเป็นไนไตรท์ทำให้เกิดแก๊สไนโตรเจน (N2) และแก๊สไนตรัสออกไซด์ N2O กลับคืนสู่บรรยากาศ เป็นอันครบวัฏจักรไนโตรเจนดังที่แสดงในภาพที่ 6

ภาพที่ 6 วัฏจักรไนโตรเจน

วัฏจักรกำมะถัน

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

ภาพที่ 7 วัฏจักรกำมะถัน

บรรยากาศของโลกในอนาคต

บรรยากาศของโลกในปัจจุบันแตกต่างไปจากในอดีตมาก บรรยากาศของโลกในยุคก่อนมีสิ่งมีชีวิตเต็มไปด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ เช่นเดียวกับดาวเคราะห์เพื่อนบ้านทั้งสองดวง ได้แก่ ดาวศุกร์ และดาวอังคาร โมเลกุลใหญ่ของคาร์บอนไดออกไซด์ทำให้เกิดความกดอากาศสูงและภาวะเรือนกระจก ซึ่งทำให้โลกมีอุณหภูมิสูง สิ่งมีชีวิตได้เพิ่มออกซิเจนให้แก่บรรยากาศเพื่อลดความกดอากาศและภาวะเรือนกระจก ทำให้โลกมีอุณหภูมิลดลงทำให้เกิดสภาวะแวดล้อมที่เอื้ออำนวยต่อการดำรงชีวิตดังข้อมูลในตารางที่ 3 อย่างไรก็ตามมนุษย์ในฐานะของสิ่งมีชีวิตที่มีวิวัฒนาการสูงสุด เราได้กระทำกิจกรรมที่สวนทางกับสิ่งมีชีวิตในยุคก่อนซึ่งเป็นบรรพบุรุษของเราหรือไม่

ธรรมชาติตรึงคาร์บอนไว้ใต้พื้นโลกเพื่อให้โลกเย็น / มนุษย์ขุดเชื้อเพลิงขึ้นมาเผาไหม้ทำให้โลกร้อน
ธรรมชาติทำให้น้ำกลายเป็นน้ำแข็งเพิ่มผืนแผ่นดิน / มนุษย์ทำให้โลกร้อนจนน้ำแข็งขั้วโลกละลาย
ธรรมชาติสร้างต้นไม้เพื่อสังเคราะห์อาหาร / มนุษย์ปรุงอาหารด้วยการตัดไม้ทำลายป่า
ธรรมชาติสร้างออกซิเจนให้เราหายใจ / มนุษย์ตัดไม้ป้อนสู่โรงงานอุตสาหกรรม
ธรรมชาติสร้างแพลงตอนทำให้ฝนตก / มนุษย์สร้างความแห้งแล้งและปล่อยน้ำให้เน่าเสีย
ธรรมชาติสร้างโอโซนเพื่อป้องกันรังสีอัลตราไวโอเล็ต / มนุษย์ทำลายโอโซนด้วยสาร CFC

หากกิจกรรมของมนุษย์ยังดำเนินไปเช่นทุกวันนี้ ในอนาคตโลกจะเป็นอย่างไร