8.4: Maisha, Mageuzi ya kemikali, na Mabadiliko ya Tabianchi

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza asili na tofauti za maisha duniani
• Eleza njia ambazo maisha na shughuli za kijiolojia zimeathiri mageuzi ya anga.
• Eleza sababu na madhara ya athari ya chafu ya anga na ongezeko la joto duniani
• Eleza athari za shughuli za binadamu katika anga ya sayari yetu na ikolojia

Kwa kadiri tunavyojua, Dunia inaonekana kuwa sayari pekee katika mfumo wa jua yenye uhai. Asili na maendeleo ya maisha ni sehemu muhimu ya hadithi ya sayari yetu. Maisha yaliondoka mapema katika historia ya Dunia, na viumbe hai vimekuwa vinashirikiana na mazingira yao kwa mabilioni ya miaka. Tunatambua kwamba aina za maisha zimebadilika ili kukabiliana na mazingira duniani, na sasa tunaanza kutambua kwamba Dunia yenyewe imebadilishwa kwa njia muhimu kwa kuwepo kwa suala hai. Utafiti wa ushirikiano wa maisha na sayari yetu ni moja ya masomo ya sayansi ya kisasa ya astrobiolojia.

Mwanzo wa Maisha

Rekodi ya kuzaliwa kwa uzima duniani imepotea katika mwendo usio na utulivu wa ukanda. Kwa mujibu wa ushahidi wa kemikali, kwa wakati miamba ya zamani zaidi iliyoendelea iliundwa miaka bilioni 3.9 iliyopita, maisha tayari yamekuwepo. Katika miaka bilioni 3.5 iliyopita, maisha yamefanikiwa kisasa cha kujenga makoloni makubwa yanayoitwa stromatolites, fomu iliyofanikiwa sana kwamba stromatolites bado inakua duniani leo (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Lakini, miamba michache huishi kutoka nyakati hizi za kale, na fossils nyingi zimehifadhiwa tu wakati wa miaka milioni 600-chini ya asilimia 15 ya historia ya sayari yetu.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Msalaba Sehemu ya Kisukuku Stromatolites. Hii msalaba msalaba msalaba wa fossilized koloni ya stromatolites tarehe ya Precambrian Era. Miundo iliyopambwa, yenye domelike ni mikeka ya sediment iliyowekwa ndani ya maji ya kina na idadi kubwa ya bakteria ya bluu-kijani ambayo inaweza kupiga picha. Makoloni hayo ya microorganisms yanarudi zaidi ya miaka bilioni 3.

Kuna ushahidi mdogo wa moja kwa moja kuhusu asili halisi ya maisha. Tunajua kwamba anga ya Dunia mapema, tofauti na ya leo, ilikuwa na dioksidi kaboni nyingi na methane, lakini hakuna gesi ya oksijeni. Kutokuwepo kwa oksijeni, athari nyingi za kemikali zinawezekana zinazosababisha uzalishaji wa amino asidi, protini, na vitalu vingine vya ujenzi wa kemikali. Kwa hiyo, inaonekana uwezekano kwamba vitalu hivi vya ujenzi vya kemikali vilipatikana mapema sana katika historia ya Dunia na wangeweza kuungana ili kutengeneza viumbe hai.

Kwa makumi ya mamilioni ya miaka baada ya malezi ya Dunia, maisha (labda kidogo zaidi ya molekuli kubwa, kama virusi vya leo) pengine yalikuwepo katika bahari ya joto, yenye virutubisho, wanaoishi mbali na kemikali za kikaboni zilizokusanywa. Wakati chakula hiki kilichopatikana kwa urahisi kilipokuwa kimeharibika, maisha yalianza barabara ndefu ya mageuzi iliyosababisha idadi kubwa ya viumbe mbalimbali duniani leo. Kama ilivyofanya hivyo, maisha yalianza kuathiri kemikali ya anga.

Mbali na utafiti wa historia ya maisha kama inavyofunuliwa na ushahidi wa kemikali na visukuku katika miamba ya kale, wanasayansi hutumia zana kutoka kwenye mashamba yanayoendelea kwa kasi ya jenetiki na genomika-utafiti wa kanuni za maumbile unaoshirikiwa na maisha yote duniani. Wakati kila mtu ana seti ya pekee ya jeni (ndiyo sababu “uchapishaji wa vidole” wa maumbile ni muhimu sana kwa ajili ya utafiti wa uhalifu), pia tuna sifa nyingi za maumbile kwa pamoja. Jenomu yako, ramani kamili ya DNA katika mwili wako, inafanana na kiwango cha 99.9% na ile ya Julius Caesar au Marie Curie. Katika ngazi ya 99%, genomu za binadamu na sokwe ni sawa. Kwa kuangalia utaratibu wa jeni wa viumbe wengi, tunaweza kuamua kwamba maisha yote duniani yanatoka kwa babu wa kawaida, na tunaweza kutumia tofauti za maumbile kati ya spishi kama kipimo cha jinsi spishi tofauti zinavyohusiana kwa karibu.

Vifaa hivi vya uchambuzi wa maumbile vimeruhusu wanasayansi kujenga kile kinachoitwa “mti wa uzima” (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Mchoro huu unaeleza jinsi viumbe vinavyohusiana kwa kuchunguza mlolongo mmoja wa RNA ya asidi ya nucleic ambayo spishi zote zina pamoja. Takwimu hii inaonyesha kwamba maisha duniani yanaongozwa na viumbe microscopic ambayo labda haujawahi kusikia. Kumbuka kwamba falme za mimea na wanyama ni matawi mawili tu katika haki ya mbali. Wengi wa utofauti wa maisha, na mageuzi yetu mengi, yamefanyika katika ngazi ya microbial. Hakika, inaweza kukushangaza kujua kwamba kuna vijidudu vingi katika ndoo ya udongo kuliko kuna nyota katika Galaxy. Unaweza kutaka kukumbuka hili wakati, baadaye katika kitabu hiki, tunageuka kwenye utafutaji wa maisha kwenye ulimwengu mwingine. “Wageni” ambao wana uwezekano mkubwa wa kuwa nje kuna microbes.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) Mti wa Maisha. Chati hii inaonyesha tarafa kuu za maisha duniani na jinsi zinavyohusiana. Kumbuka kwamba falme za wanyama na mimea ni matawi mafupi tu upande wa kulia, pamoja na fungi. Mgawanyiko wa msingi wa vitu vilivyo hai duniani ni kwenye nyanja tatu kubwa zinazoitwa bakteria, archaea, na eukarya. Aina nyingi zilizoorodheshwa ni microscopic.

Masomo hayo ya maumbile husababisha hitimisho nyingine ya kuvutia pia. Kwa mfano, inaonekana kwamba aina za kwanza za maisha ya duniani zilikuwa zimefanyika ili kuishi kwenye joto la juu. Baadhi ya wanabiolojia wanafikiri kwamba maisha yanaweza kweli yameanza katika maeneo ya sayari yetu ambayo yalikuwa moto mno. Hata hivyo uwezekano mwingine wa kusisimua ni kwamba maisha yalianza Mars (ambayo kilichopozwa mapema) badala ya Dunia na “ilipandwa” kwenye sayari yetu na meteorites kusafiri kutoka Mars hadi Dunia. Miamba ya Mars bado inafanya njia yao duniani, lakini hadi sasa hakuna aliyeonyesha ushahidi wa kutumikia kama “spaceship” kubeba microorganisms kutoka Mars hadi Dunia.

Mageuzi ya Anga

Moja ya hatua muhimu katika mageuzi ya maisha duniani ilikuwa maendeleo ya mwani wa bluu-kijani, fomu ya maisha yenye mafanikio sana ambayo inachukua dioksidi kaboni kutoka mazingira na hutoa oksijeni kama bidhaa taka. Hizi microorganisms mafanikio kuenea, na kusababisha maisha yote tunayoita mimea. Kwa kuwa nishati ya kufanya vifaa vipya vya mimea kutoka vitalu vya ujenzi wa kemikali hutoka jua, tunaita mchakato wa photosynthesis.

Uchunguzi wa kemia ya miamba ya kale unaonyesha ya kwamba anga ya dunia ilikosa oksijeni tele huru hadi takriban miaka bilioni 2 iliyopita, licha ya kuwepo kwa mimea ikitoa oksijeni kwa usanisinuru. Inaonekana, athari za kemikali na ukanda wa Dunia ziliondoa gesi ya oksijeni haraka kama ilivyoundwa. Polepole, hata hivyo, kuongezeka kwa mageuzi ya kisasa ya maisha kulisababisha kukua kwa idadi ya mimea na hivyo kuongezeka kwa uzalishaji wa oksijeni. Wakati huo huo, inaonekana kwamba shughuli za kijiolojia zilizoongezeka zimesababisha mmomonyoko mkubwa juu ya uso wa sayari yetu. Tthis kuzikwa sehemu kubwa ya mmea kaboni kabla inaweza recombine na oksijeni kuunda CO ₂.

Free oksijeni ilianza kujilimbikiza katika anga kuhusu miaka bilioni 2 iliyopita, na kuongezeka kwa kiasi cha gesi hii imesababisha malezi ya safu ya ozoni ya dunia (kukumbuka kwamba ozoni ni molekuli mara tatu ya oksijeni, O ₃), ambayo inalinda uso kutoka mwanga wa jua ultraviolet mauti. Kabla ya hayo, ilikuwa haiwezekani kwa maisha ya kujitolea nje ya bahari za kinga, hivyo ardhi ya dunia ilikuwa tasa.

Uwepo wa oksijeni, na hivyo ozoni, hivyo kuruhusiwa ukoloni wa ardhi. Pia ilifanya uwezekano mkubwa wa kuenea kwa wanyama, ambao waliishi kwa kuchukua na kutumia vifaa vya kikaboni vinavyotengenezwa na mimea kama chanzo chao cha nishati.

Kama wanyama walivyobadilika katika mazingira yaliyozidi kuwa matajiri katika oksijeni, waliweza kuendeleza mbinu za kupumua oksijeni moja kwa moja kutoka angahewa. Sisi wanadamu tuchukulia kuwa oksijeni nyingi za bure zinapatikana katika anga ya dunia, na tunaitumia kutoa nishati kutoka kwenye chakula tunachokichukua. Ingawa inaweza kuonekana funny kufikiria kwa njia hii, sisi ni lifeforms kwamba tumebadilika kupumua katika bidhaa taka ya mimea. Ni mimea na microbes zinazohusiana ambazo ni wazalishaji wa msingi, kwa kutumia jua ili kujenga “chakula” cha nishati kwa sisi wengine.

Kwa kiwango cha sayari, moja ya matokeo ya maisha yamekuwa kupungua kwa dioksidi ya kaboni ya anga. Kutokuwepo kwa uhai, Dunia ingekuwa na angahewa inayoongozwa na CO ₂, kama Mars au Venus. Lakini vitu vilivyo hai, pamoja na viwango vya juu vya shughuli za kijiolojia, vimeondoa hali yetu ya gesi nyingi.

Athari ya Greenhouse na ongezeko la joto duniani

Tuna maslahi maalum katika maudhui ya dioksidi kaboni ya anga kwa sababu ya jukumu muhimu gesi hii inacheza katika kubakiza joto kutoka Jua kupitia mchakato unaoitwa athari ya chafu. Ili kuelewa jinsi athari ya chafu inavyofanya kazi, fikiria hatima ya jua inayopiga uso wa Dunia. Nuru huingia ndani ya anga yetu, huingizwa na ardhi, na hupunguza tabaka za uso. Katika joto la uso wa dunia, nishati hiyo hutolewa kama mionzi ya infrared au joto (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Hata hivyo, molekuli ya anga yetu, ambayo inaruhusu mwanga unaoonekana kupitia, ni nzuri katika kunyonya nishati ya infrared. Matokeo yake, CO ₂ (pamoja na methane na mvuke wa maji) hufanya kama blanketi, inakata joto katika angahewa na kuzuia mtiririko wake kurudi angani. Ili kudumisha usawa wa nishati, hali ya joto ya uso na anga ya chini lazima iongezeke mpaka nishati ya jumla inayoangazwa na Dunia hadi nafasi inalingana na nishati iliyopokelewa kutoka Jua. CO ₂ zaidi iko katika anga yetu, juu ya joto ambalo uso wa Dunia unafikia usawa mpya.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\) Jinsi Athari ya Chafu Inafanya kazi. Jua linaloingia kwenye angahewa ya chini na uso wa Dunia hurejeshwa kama mionzi ya infrared au ya joto, ambayo inakabiliwa na gesi chafu kama vile mvuke wa maji, methane, na CO ₂ katika angahewa. Matokeo yake ni joto la juu la uso kwa sayari yetu.

Athari ya chafu katika anga ya sayari ni sawa na joto la chafu la bustani au ndani ya gari lililoachwa jua na madirisha yamevingirwa. Katika mifano hii, kioo cha dirisha kina jukumu la gesi za chafu, kuruhusu jua ndani lakini kupunguza mtiririko wa nje wa mionzi ya joto. Matokeo yake, chafu au mambo ya ndani ya gari hupanda moto zaidi kuliko kutarajiwa kutokana na joto la jua peke yake. Duniani, athari ya chafu ya sasa inainua joto la uso kwa takriban 23 °C Bila athari hii ya chafu, wastani wa joto la uso ungekuwa chini ya kufungia na Dunia ingefungwa katika umri wa barafu duniani.

Hiyo ni habari njema; habari mbaya ni kwamba inapokanzwa kutokana na athari ya chafu inaongezeka. Jamii ya kisasa ya viwanda inategemea nishati iliyotokana na kuchoma mafuta ya mafuta. Kwa kweli, tunatumia vifaa vyenye nishati vilivyotengenezwa na photosynthesis mamilioni ya miaka iliyopita. Kama amana hizi za kale za makaa ya mawe na mafuta zimeoksidishwa (kuchomwa kwa kutumia oksijeni), kiasi kikubwa cha dioksidi kaboni hutolewa angahewa. Tatizo linazidishwa na uharibifu mkubwa wa misitu ya kitropiki, ambayo tunategemea kuondoa CO ₂ kutoka anga na kujaza ugavi wetu wa oksijeni. Katika karne iliyopita ya kuongezeka kwa maendeleo ya viwanda na kilimo, kiasi cha CO ₂ katika anga kiliongezeka kwa karibu 30% na kinaendelea kuongezeka kwa zaidi ya 0.5% kwa mwaka.

Kabla ya mwisho wa karne ya sasa, kiwango cha CO2 cha Dunia kinatabiriwa kufikia mara mbili thamani iliyokuwa nayo kabla ya mapinduzi ya viwanda (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Matokeo ya ongezeko hilo kwa uso wa dunia na angahewa (na viumbe wanaoishi huko) ni uwezekano wa kuwa na mabadiliko magumu katika hali ya hewa, na inaweza kuwa janga kwa spishi nyingi. Makundi mengi ya wanasayansi sasa yanasoma madhara ya ongezeko la joto duniani na mifano ya kompyuta iliyofafanuliwa, na mabadiliko ya hali ya hewa yameibuka kama tishio kubwa zaidi (kuzuia vita vya nyuklia) kwa ustaarabu wa viwanda na mazingira ya sayari yetu.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\) Kuongezeka kwa anga Carbon Dioxide baada ya Muda. Wanasayansi wanatarajia kwamba kiasi cha CO ₂ kitapungua kiwango chake cha kabla ya mwisho wa karne ya ishirini na moja. Vipimo vya saini za isotopiki za CO ₂ hii iliyoongezwa yanaonyesha kuwa inatokana na kuchoma mafuta ya mafuta. (mikopo: mabadiliko ya kazi na NOAA)

Video hii fupi ya PBS inaelezea fizikia ya athari ya chafu.

Tayari mabadiliko ya hali ya hewa ni dhahiri sana. Kote ulimwenguni, rekodi za joto huwekwa na kuvunjika mara kwa mara; wote lakini moja ya miaka ya moto zaidi ya kumbukumbu yamefanyika tangu 2000. Glaciers ni retreating, na Arctic Sea barafu sasa ni nyembamba sana kuliko wakati ilikuwa kwanza kuchunguzwa na submarines nyuklia katika miaka ya 1950. Kupanda kwa viwango vya bahari (kutoka kwa barafu zote mbili zinazoyeyuka na upanuzi wa maji kadiri joto lake linapoongezeka) husababisha moja ya vitisho vya haraka zaidi, na miji mingi ya pwani ina mipango ya kujenga milima au kuta za bahari ili kuzuia mafuriko yanayotarajiwa. Kiwango cha ongezeko la joto ni bila historia ya kihistoria, na tunaingia haraka “eneo lisilojulikana” ambako shughuli za binadamu zinaongoza kwenye joto la juu kabisa duniani katika zaidi ya miaka milioni 50.

Athari za binadamu kwenye Sayari Yetu

Dunia ni kubwa sana na imekuwa hapa kwa muda mrefu kiasi kwamba baadhi ya watu wana shida ya kukubali kwamba binadamu kweli wanabadilisha sayari, angahewa yake, na hali ya hewa yake. Wanastaajabishwa kujifunza, kwa mfano, kwamba dioksidi kaboni iliyotolewa kutokana na kuchoma mafuta ya mafuta ni mara 100 zaidi kuliko ile iliyotolewa na volkano. Lakini, data inaeleza wazi hadithi kwamba hali ya hewa yetu inabadilika haraka, na kwamba karibu mabadiliko yote ni matokeo ya shughuli za binadamu.

Hii si mara ya kwanza kwa binadamu kubadilisha mazingira yetu kwa kasi. Baadhi ya mabadiliko makubwa yalisababishwa na baba zetu, kabla ya maendeleo ya jamii ya kisasa ya viwanda. Kama wageni walikuwa wametembelea Dunia miaka 50,000 iliyopita, wangeona sehemu kubwa ya sayari inayounga mkono wanyama wakubwa wa aina ambayo sasa wanaishi Afrika tu. Tambarare za Australia zilichukuliwa na marsupials kubwa kama vile diprododon na zygomaturus (ukubwa wa tembo wetu leo), na spishi ya kangaroo iliyosimama urefu wa futi 10. Amerika ya Kaskazini na Asia ya Kaskazini zilihudhuria mammoths, paka za jino la saber, mastodons, sloths kubwa, na hata ngamia. Visiwa vya Pasifiki vimejaa ndege kubwa, na misitu mikubwa ilifunikwa kile ambacho sasa ni mashamba ya Ulaya na China. Wawindaji wa awali wa binadamu waliua mamalia wengi wakubwa na marsupials, wakulima wa mapema walikata misitu mingi, na upanuzi wa Polynesian kote Pasifiki ulidharau idadi ya ndege kubwa.

Kupotea kwa wingi mkubwa zaidi kunaendelea kutokana na mabadiliko ya haraka ya hali ya hewa. Katika kutambua athari zetu juu ya mazingira, wanasayansi wamependekeza kutoa jina jipya kwa wakati wa sasa, anthropolocine, wakati shughuli za binadamu zilianza kuwa na athari kubwa ya kimataifa. Ingawa si jina lililoidhinishwa rasmi, dhana ya “anthropolocine” ni muhimu kwa kutambua kwamba sisi binadamu sasa tunawakilisha ushawishi mkubwa juu ya anga na mazingira ya sayari yetu, kwa bora au mbaya zaidi.

Dhana muhimu na Muhtasari

Maisha yalitokea duniani wakati ambapo angahewa ilikosa\(O_2\) na ilijumuisha zaidi\(CO_2\). Baadaye, photosynthesis ilitoa oksijeni huru na ozoni. Uchambuzi wa kisasa wa genomic unatuwezesha kuona jinsi aina mbalimbali za aina katika sayari zinahusiana na kila mmoja. \(CO_2\)na methane katika angahewa inapunguza joto kwa njia ya athari ya chafu; leo, kuongezeka kwa kiasi cha anga\(CO_2\) kinaongoza kwenye ongezeko la joto duniani duniani.

faharasa

gesi ya chafu

gesi katika angahewa ambayo inachukua na hutoa mionzi ndani ya aina ya joto ya infrared; Duniani, gesi hizi za anga hasa ni pamoja na dioksidi kaboni, methane, na mvuke wa maji

athari ya chafu

blanketing (ngozi) ya mionzi infrared karibu na uso wa sayari-kwa mfano, na\(\ce{CO2}\) katika anga yake

usanidimwanga

mlolongo tata wa athari za kemikali kwa njia ambayo baadhi ya vitu vilivyo hai vinaweza kutumia jua kutengeneza bidhaa zinazohifadhi nishati (kama vile wanga), ikitoa oksijeni kama moja kwa bidhaa