वातावरणातला प्राणवायू

पृथ्वीचा जन्म होऊन सुमारे साडेचार अब्ज वर्षं झाली आहेत. पृथ्वीवरच्या जीवसृष्टीची सुरुवात पृथ्वीच्या जन्मानंतर सुमारे पाऊण अब्ज वर्षांनंतर झाली. या काळात वातावरणातील प्राणवायूचं प्रमाण एक सहस्रांश टक्क्याहूनही कमी होतं. जवळजवळ प्राणवायूविरहित असणारं हे वातावरण, पृथ्वीच्या जन्मानंतर सुमारे दोन अब्ज वर्षांपर्यंत टिकून होतं. तेव्हाच्या वातावरणाचे मुख्य घटक होते मिथेन, हायड्रोजन सल्फाइड, कार्बन डायऑक्साइड, अमोनिआ हे वायू. या काळात प्राणवायूशिवाय जगू शकणारी, प्राथमिक स्वरूपातली जीवसृष्टी पृथ्वीवर निर्माण झाली होती. प्रकाशसंस्लेषणाद्वारे, म्हणजे कार्बन डायऑक्साइड आणि पाण्यापासून, सूर्यप्रकाशाच्या मदतीनं अन्न व प्राणवायूची निर्मिती करणारे, सायनोबॅक्टेरिआ प्रकारचे जीवाणू हे या काळात अस्तित्वात आले होते. तरीही त्यांच्यापासून निर्माण होणाऱ्या प्राणवायूचं प्रमाण अत्यल्प होतं. अडीच अब्ज वर्षांपूर्वी मात्र ‘काही तरी’ घडलं आणि पृथ्वीच्या वातावरणातलं प्राणवायूचं प्रमाण मोठ्या प्रमाणावर वाढू लागलं. वाढत-वाढत ते, प्राणवायूवर आधारलेल्या जीवसृष्टीला उपयुक्त ठरेल, अशा पातळीपर्यंत पोचलं. पृथ्वीवर त्यानंतर प्राणवायूवर आधारलेली जीवसृष्टी निर्माण झाली.

वातावरणातल्या प्राणवायूच्या प्रमाणात, सुमारे अडीच अब्ज वर्षांपूर्वी अशी अचानक वाढ का झाली असावी, याचं मोठं कुतूहल संशोधकांना आहे. या घटनेमागची कारणं शोधण्याचे प्रयत्न अर्थातच संशोधकांकडून चालू आहेत. अलीकडेच जर्मनीतील मॅक्स प्लँक इंस्टिट्यूट ऑफ मरिन बायोलॉजी या संस्थेतल्या जुडिथ क्लॅट आणि त्यांच्या आंतरराष्ट्रीय सहकाऱ्यांनी केलेल्या संशोधनातून, या वाढीला कारणीभूत ठरणारी एक वेगळीच शक्यता व्यक्त झाली आहे. या संशोधनाद्वारे, वातावरणातील प्राणवायूच्या या वाढीचा संबंध चक्क पृथ्वीच्या स्वतःभोवती फिरण्याच्या गतीशी जोडला गेला आहे. आश्चर्य म्हणजे जुडिथ क्लॅट आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी हे निष्कर्ष एका तलावाच्या तळाशी संबंधित असलेल्या संशोधनावरून काढले आहेत.

अमेरीका आणि कॅनडा या देशांच्या सीमेवर अनेक मोठे तलाव वसले आहेत. त्यात ह्युरॉन नावाचा एक तलाव आहे. या तलावाच्या तळाशी, सुमारे नव्वद मीटर व्यासाचा, चोवीस मीटर खोल असणारा एक मोठा खड्डा आहे. छिद्रासारखा दिसणारा हा खड्डा ‘मिडल आयलंड सिंकहोल’ या नावानं ओळखला जातो. या खड्ड्याच्या तळावरची स्थिती ही काहीशी पुरातन काळच्या पृथ्वीवरील प्राणवायूविरहित वातावरणासारखी आहे. खड्ड्याच्या तळाशी असलेल्या पाण्यात प्राणवायूचं प्रमाण तलावातल्या वरच्या पाण्यापेक्षा लक्षणीयरीत्या कमी असून, तिथलं गंधकाचं प्रमाण हे वरच्या पाण्यापेक्षा बरंच अधिक आहे. या खड्ड्याच्या तळाशी दोन प्रकारच्या जीवाणूंचा थर आढळतो. यातला एक प्रकार आहे तो किरमिजी रंगाच्या जीवाणूंचा, तर दुसरा प्रकार आहे पांढऱ्या रंगाच्या जीवाणूंचा. यातले किरमिजी रंगाचे जीवाणू हे सायनोबॅक्टेरिआ प्रकारचे असून ते प्रकाशसंस्लेषण करू शकतात. सूर्यप्रकाशाच्या मदतीनं ते पाणी आणि त्यातल्या कार्बन डायऑक्साइडपासून प्राणवायूची निर्मिती करतात. पांढऱ्या रंगाचे जीवाणू हे खाद्य म्हणून गंधकाचा वापर करतात. पांढऱ्या रंगाचे हे जीवाणू सूर्यप्रकाश मात्र टाळतात. त्यामुळे जेव्हा दिवसा सूर्यप्रकाश तीव्र असतो, तेव्हा जीवाणूंच्या या थरातले पांढऱ्या रंगाचे जीवाणू खाली सरकतात आणि किरमिजी रंगाचे जीवाणू वरची जागा पटकावतात. सूर्यप्रकाश मिळू लागल्यामुळे हे किरमिजी रंगाचे जीवाणू यानंतर प्रकाशसंस्लेषण करू लागतात आणि त्याद्वारे प्राणवायूची निर्मिती होऊ लागते. सकाळी व संध्याकाळी, जेव्हा सूर्यप्रकाश कमी तीव्र असतो, तेव्हा मात्र पांढऱ्या रंगाचे जीवाणू वरची जागा बळकावतात. त्यामुळे किरमिजी रंगाच्या जीवाणूंना सूर्यप्रकाश मिळेनासा होतो व प्राणवायूची निर्मिती थांबते.

जुडिथ क्लॅट आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी मिडल आयलंड सिंकहोलच्या तळाशी वास्तव्याला असलेल्या या जीवाणूंचे नमुने पाणबुड्यांकरवी गोळा करून आपल्या प्रयोगशाळेत आणले. प्रयोगशाळेत त्यांनी त्या खड्ड्याच्या तळाशी असलेल्या पाण्यासारखं पाणी आणि तिथल्यासारखी परिस्थिती कृत्रिमरीत्या निर्माण केली. त्याचबरोबर खड्ड्याच्या तळाशी ज्या लहरलांबीचा प्रकाश पोचतो, त्या लहरलांबीच्या प्रकाशाची दिवे वापरून कृत्रिमरीत्या निर्मिती केली. या प्रकाशाच्या साहाय्यानं दिवस-रात्रीचं चक्र निर्माण करून, या जीवाणूंकडून निर्माण होणाऱ्या प्राणवायूचं प्रमाण त्यांनी मोजलं. जेव्हा या प्रयोगातल्या ‘दिवसा’चा कालावधी (दिवस-रात्रीचा एकत्रित काळ) बारा तासांपेक्षा कमी होता, तेव्हा या जीवाणूंकडून वातावरणात भर घालण्याइतपत प्राणवायूची निर्मिती होत नसल्याचं त्यांना आढळलं. वातावरणात पुरेशी भर घालण्याइतक्या प्रमाणात प्राणवायू निर्माण होण्यासाठी दिवसाचा कालावधी हा किमान सोळा तासांचा असण्याची आवश्यकता दिसून आली. जेव्हा हा कालावधी एकवीस तासांचा केला गेला, तेव्हा प्राणवायूची ही निर्मिती सोळा तासांच्या तुलनेत दुप्पट वेगानं होऊ लागली. हा कालावधी चोवीस तासांचा झाल्यानंतर तर, ही निर्मिती तिपटीवर पोचली. म्हणजे, जर या जीवाणूंना अधिक काळ सलग सूर्यप्रकाश मिळाला तर, त्यांच्याकडून प्राणवायूची निर्मिती अधिक प्रमाणात होत होती. या अभ्यासावरून दिवसाच्या लांबीचा आणि जीवाणूंकडून होणाऱ्या प्राणवायूच्या निर्मितीचा संबंध नक्की झाला.

पृथ्वी स्वतःभोवतीची प्रदक्षिणा आज सुमारे चोवीस तासांत पूर्ण करते. त्यामुळे आजचा दिवस हा चोवीस तासांचा आहे. परंतु पुरातन काळी दिवसाची लांबी यापेक्षा बरीच लहान होती. कारण, पृथ्वी पूर्वी स्वतःभोवती अधिक वेगानं फिरत होती. पृथ्वीचा स्वतःभोवती फिरण्याचा वेग हळूहळू घटत गेला. चंद्राच्या पृथ्वीवरील गुरुत्वाकर्षणामुळे, समुद्राला भरती-ओहोटी येत असते. समुद्राच्या पाण्याच्या सतत होणाऱ्या या हालचालीमुळे, समुद्राचं पाणी आणि पृथ्वीचा पृष्ठभाग यात सतत घर्षण होत असतं. या घर्षणामुळे पृथ्वीचा स्वतःभोवती फिरण्याचा वेग मंदावतो आहे. चार अब्ज वर्षांपूर्वी पृथ्वी स्वतःभोवती फक्त सहा तासांत प्रदक्षिणा पूर्ण करीत होती. साहजिकच त्याकाळी सलग सूर्यप्रकाशाचा कालावधी फारच कमी होता. त्यामुळे सायनोबॅक्टेरिआ या जीवाणूंकडून प्राणवायूची निर्मिती फारच कमी प्रमाणात होत होती. पृथ्वीचा स्वतःभोवती फिरण्याचा वेग जसजसा कमी होऊ लागला, तसतसा तिचा प्रदक्षिणाकाळ वाढून दिवसाचा कालावधी वाढू लागला. सुमारे दोन ते अडीच अब्ज वर्षांपूर्वी हा कालावधी, वाढत-वाढत सोळा तासांच्या आसपास पोचला. जुडिथ क्लॅट आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांच्या प्रयोगांनुसार हा सोळा तासांचा कालावधी, जीवाणूंकडून होणाऱ्या प्राणवायूच्या निर्मितीच्या दृष्टीनं महत्त्वाचा ठरला होता. दिवसाचा कालावधी सोळा तासांपर्यंत पोचल्यानंतर, जीवाणूंकडून होणारी प्राणवायूची निर्मिती वाढून वातावरणातल्या प्राणवायूचं प्रमाण वाढू लागलं. आणि कालांतरानं प्राणवायू हा पृथ्वीच्या वातावरणातला महत्त्वाचा घटक बनला!

एखाद्या तलावाच्या तळाशी आज अस्तित्वात असलेले जीवाणू, अब्जावधी वर्षांपूर्वीचा पृथ्वीच्या स्वतःभोवतीच्या प्रदक्षिणेचा काळ आणि अब्जावधी वर्षांपूर्वीचं पृथ्वीभोवतीचं वातावरण – या सर्वांचा एकमेकांशी असलेला संबंध प्रथमदर्शनी तरी अनपेक्षित वाटतो. परंतु, जुडिथ क्लॅट आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी आपल्या संशोधनातून हा संबंध स्पष्टपणे दाखवून दिला आहे. या संशोधनातून पृथ्वीच्या वातावरणातील प्राणवायूची वाढ ठरावीक काळानंतरच का झाली, याचं उत्तर दिलं गेलं आहे. जुडिथ क्लॅट आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांचं हे लक्षवेधी संशोधन ‘नेचर जिओसायन्स’ या शोधपत्रिकेत नुकतंच प्रसिद्ध झालं आहे.

चित्रवाणीः https://www.youtube.com/embed/93sBj0CMuRA?rel=0

— डॉ. राजीव चिटणीस.

छायाचित्र सौजन्य: Phil Hartmeyer, NOAA