पृथ्वीमा कहाँबाट आयो अक्सिजन?

पृथ्वीमा अक्सिजन जनित जीवन कसरी शुरू भयो? र, जीवनका लागि अपरिहार्य अक्सिजनको विकास कसरी सम्भव भयो? यसको कथा अत्यन्तै रोचक छ।

डा. डीबी कट्टेल

अक्सिजन विनाको जीवन हामी कल्पना समेत गर्न सक्दैनौं। सुन्दा अचम्म लाग्न सक्छ, पृथ्वीमा जीवनको जन्म त्यो अवस्थामा भयो, जुन वेला प्राणवायु अर्थात् अक्सिजनको कुनै अस्तित्व थिएन। जीवनको उत्पत्ति भएको अर्बौं वर्षपछि मात्रै यो धर्तीमा अक्सिजनको विकास भएको हो। अर्बौं वर्षअघिको अक्सिजनविहीन वातावरण प्रमुख रूपमा हानिकारक ग्यासहरू मिलेर बनेको थियो, तर, तिनै ग्यासहरू त्यति वेलाका सबै जीवन-रूपहरूका लागि महत्त्वपूर्ण मात्र बनेनन्, वायुमण्डलमा अक्सिजनको विकासका लागि आधार समेत बन्न पुगे।

अक्सिजनभन्दा पानी पहिलो जीवनको आधारशिला थियो भन्ने आम वैज्ञानिक मान्यता छ। यसो हुनुमा पानीसित केही अद्वितीय गुणहरू छन् जसले जीवन धान्न मद्दत गर्दछ। जीवन उत्पतिको सन्दर्भमा सन् २०१५ मा प्रकाशित एडभान्सेस् इन केमिकल फिजिक्स पुस्तकमा वैज्ञानिक सिड्नी लिचले लेखेका छन्, 'पानीलाई जैविक रासायनिक बिलेय (सोलुट्स)सँग अन्तरक्रिया गर्दा संरचनामा पार्ने हेरफेर र सक्रियतालाई अङ्गीकार गर्ने घोलनका रूपमा मात्र हेर्न मिल्दैन। प्रतिक्रियाको दौरानमा हाइड्रोजन बन्धनको संरचनाको निर्धारणकर्ता र गतिशील विलायक लगायत दुवै रूपमा पानीको महत्त्वपूर्ण भूमिका हुन्छ।'

स्थिर प्रोटिन विन्यास (कन्फिगरेसन)तर्फ डोऱ्याउने संरचनाभित्रको बाटो निर्धारण गर्न लगायत प्रोटिन तहको विकासका लागि पनि पानीले ठूलो भूमिका खेल्छ भनेर वैज्ञानिकहरूले भन्ने गरेका छन्। प्रोटिनभित्र जलवियोजन (डिहाइड्रेसन)को अवस्थामा यसलाई सक्रिय राख्न पानीले त्यसभित्र एउटा गतिशील तत्त्वका रूपमा काम गर्दछ भन्ने मान्यता पनि उनीहरूको छ। तर, प्रोटिनका लागि पानी मात्र उपयोगी घोलन हो कि होइन भन्ने प्रश्न बहसकै विषय हो। यद्यपि, कुनै खास जैविक स्थलहरूमा नाभिकीय अम्ल (न्यूक्लिक एसिड)को संरचना निर्धारण गर्न पानीले पक्कै पनि भूमिका खेल्छ भन्नेमा भने वैज्ञानिकहरू एकमत छन्।

वैज्ञानिकहरू भन्छन्- अक्सीकरण प्रक्रिया चरम अवस्थामा पुगेपछि पृथ्वीमा बीआईएफसको उत्पादन बन्द भयो। यसपछि मात्र यो धर्तीमा वायुमण्डलीय अक्सिजन शून्यबाट अस्तित्वमा आयो।

प्रमाणहरूले जीवनको क्रम विकाससँग पानीको नाता अर्बौं वर्ष पुरानो मात्र होइन, अकाट्य नै देखाउँछन्। जीवित प्राणीहरूको आवश्यक जैविक रासायनिक प्रक्रियामा पानीले प्रदर्शन गर्ने बहुमुखी क्षमता, संवेदनशीलता र प्रतिक्रियाशीलता भएको अर्को घोलन फेला पार्न निश्चय नै गाह्रो छ। त्यसैले पनि जीवनको कथा पानीबाटै शुरू भएको भन्ने मान्यता दरिलो भएर आएको हो। आज कुनै पनि जीवन अक्सिजनको अभावमा सम्भव छैन। त्यसो भए पृथ्वीमा अक्सिजन जनित जीवन कसरी शुरू भयो? र, जीवनका लागि अपरिहार्य अक्सिजनको विकास यो धर्तीमा कसरी सम्भव भयो? यसको कथा अत्यन्तै रोचक छ।

आजभन्दा २‍‍.४ अर्ब वर्ष पहिले अर्थात् पहिलो पटक जीवन देखा परेको झण्डै एक अर्ब वर्षपछि पृथ्वीमा वायुमण्डलीय अक्सिजनको स्तर बढेर आधुनिक स्तरको एकदेखि दुई प्रतिशतमा पुगेको वैज्ञानिकहरू बताउँछन्। परिमाणको हिसाबले यो मात्रा अत्यन्त थोरै भए पनि वैज्ञानिकहरू यसलाई पृथ्वीमा भव्य रूपमा भएको महान् अक्सिजन घटना भनेर व्याख्या गर्छन्। संसारमा फेरि कहिल्यै यस्तो घटना हुँदैन वा हुनेछैन भन्ने मान्यता उनीहरूको छ। तर, के कारणले पृथ्वीको वातावरणमा यो नाटकीय परिवर्तन भयो भन्ने रहस्य अझै पनि प्रस्टसँग सुल्झिसकेको छैन।

पृथ्वीमा अक्सिजन अर्थात् प्राणवायुको विकाससँग गाँसिएका विभिन्न तर्क र वैज्ञानिक मान्यताहरू छन्। आदिम समयको कुनै कालखण्डमा पृथ्वीमा अक्सिजनको पहिलो उत्पत्तिबारे व्याख्या गर्न एउटा कारण पर्याप्त भए पनि वायुमण्डलमा प्रचुर मात्रामा अक्सिजनको उत्पादनका लागि अन्य कारण पनि सँगै जोडिएर आएका छन्, यो स्वाभाविक पनि हो। किनकि, एउटा घटना वा कारण नै यो धर्तीमा पर्याप्त अक्सिजनको उत्पादनका लागि काफी नहुने विभिन्न वैज्ञानिक अध्ययनले पनि स्पष्ट पारेको छ।

सन् २०१० मा प्रकाशित प्यालेन्टोलोजीस् अ ब्रिफ हिस्ट्री अफ लाइफ नामक पुस्तकमा वैज्ञानिक इयान ट्याटरसलले लेखेका छन्, 'धर्तीमा अर्बौं वर्षअघि शैवाल-निक्षेपाश्म (स्ट्रोम्याटोलाइट्स) को उपस्थितिको प्रमाणले वातावरणमा अक्सिजनको अभाव थियो भन्ने पहिलो मान्यतालाई पुष्टि गर्छ। उनको थप तर्क छ, "यो प्रमाण ती शैवालहरूले उतिवेला नै प्रकाश संश्लेषण गर्थे भन्ने आधारभूत मान्यताका लागि समेत गतिलो साक्षी हो।" वास्तवमा अक्सिजनको अनुपस्थितिमा भएको जीवनको आगमनले विश्वलाई नै ठूलो परिवर्तन गर्‍यो, वातावरणलाई परिवर्तन गर्‍याे।

एनेरोबिक र एरोबिक गरी दुई महत्त्वपूर्ण प्रणालीका जीवन प्रक्रियाहरू यो धर्तीमा छन्। माइकल जे बेन्टनको तर्क छ, पहिलो जीवहरूमा 'एनेरोबिक' मेटाबोलिज्म थियो, अर्थात् तिनीहरू अक्सिजनको अभावमा आफूलाई सञ्चालन गर्थे। यसलाई हामी प्रोकारियोट्सका रूपमा चिन्‍छौं। जीवाणु, आर्किया र नीलो, हरियो खालका शैवा-ब्ल्यू-ग्रिन-अल्गी, जो एककोषीय हुन्, यो वर्गमा पर्छन्, जसको कुनै नाभिक (न्यूक्लियस) हुँदैन। यिनीहरू अक्सिजनले मर्ने खालका जीवन भएको वैज्ञानिकहरूको कथन छ।

वैज्ञानिकहरूले पुष्टि गरिसकेको एउटा अचम्मलाग्दो तथ्य पनि छ। यो जगत्‌मा केही यस्ता 'एनेरोबिक' जीवन प्रणालीहरू पनि छन्, जसले आफूलाई 'एरोबिक' प्रणालीमा ढाल्न सक्छन्। तर, यिनीहरूको परिवर्तन मुख्य गरी अक्सिजनको स्तरमा निर्भर गर्छ। त्यस्तै, यो धर्तीमा केही यस्ता बाध्यकारी 'एनारब्सुहरू' पनि छन्, जसको जीवन प्रक्रिया एनेरोबिक प्रणालीबाटै सञ्चालन हुन्छ, तर उनीहरू अक्सिजनको थोरै उपस्थितिमा समेत बाँच्न सक्दैनन्।

जीव उत्पत्तिको समयमा वातावरणमा अक्सिजन थिएन भन्नका लागि त्यो वेला रचना भएको ब्यान्डेड फलाम अर्थात् बीआईएफस (BIFs) नै यसको सटीक प्रमाण हो भन्ने वैज्ञानिकहरूको धारणा छ। यो तत्त्व झण्डै ३.५ अर्ब वर्ष पहिलेबाट पृथ्वीमा जम्मा हुन थालेको हो। यसलाई आजका अधिकांश औद्योगिक फलामको स्रोतका रूपमा पनि लिइन्छ। त्यो वेलाका प्रकाश-संश्लेषणकर्ताहरूले निष्कासन गरेको अक्सिजन त्यही समुद्रमा घुलिएको फलामसँग प्रतिक्रिया गर्न पुग्यो। फलत: अघुलनशील फलामको अक्साइडको विशाल तह समुद्रको पिंधमा जम्मा हुन पुग्यो र पट्टित अर्थात् ब्यान्डेड फलामको रचना भयो।

जब यी सबै रासायनिक गतिविधि यो पृथ्वीमा शुरू भयो, महासागरहरूमा ठूलो मात्रामा अक्सिजनको निवेश (सिंक) हुन पुग्यो। वैज्ञानिकहरू भन्छन्- 'प्रारम्भिक प्रकाश-संश्लेषणकर्ताहरूबाट उनीहरूले निष्कासन गर्न सक्ने जति अक्सिजन अवशोषित हुन सक्ने अवस्था भयो, महासागरहरू अक्सिजनका भोका जस्ता नै भए। ती कर्ताहरूबाट प्रारम्भिक फलाम र सल्फर पूर्णत: अक्सीकरण हुन झण्डै १.५ अर्ब वर्षभन्दा बढी समय लाग्यो। पृथ्वीमा यो सफलता आजभन्दा झण्डै दुई अर्ब वर्ष पहिले हासिल भएको थियो।

वैज्ञानिकहरू भन्छन्- अक्सीकरण प्रक्रिया चरम अवस्थामा पुगेपछि पृथ्वीमा बीआईएफसको उत्पादन बन्द भयो। यसपछि मात्र यो धर्तीमा वायुमण्डलीय अक्सिजन शून्यबाट अस्तित्वमा आयो। पृथ्वीमा जब यो घटना भइरहेको थियो, त्यो वेला अस्तित्वमा रहेको पुरानो साइनोब्याक्टेरिया, जसलाई हामी नीलो-हरियो खालको शैवाल भन्‍छौं, यो एक प्रकारको प्रकाश संश्लेषक जीवाणु पनि हो, जो स्वयं नै उद्विकासको क्रममा उदय भएको आफ्नै जीवनको नयाँ रूपसँग प्रतिस्पर्धा गर्न थाल्यो। वास्तवमा शैवालहरू प्रकाश संश्लेषण गर्ने आदिम समयका अत्यन्त सूक्ष्म प्रकारका समुद्री जीवन थिए।

रोचक प्रसङ्ग यहाँ उल्लेखनीय छ। ती साइनोब्याक्टेरियाहरू स्वयं नै आफ्नो उत्परिवर्तित जीवनसँगको प्रतिस्पर्धा सामना गर्नुपर्दा आफ्नै सफलताको शिकार भए। तर, उद्विकासको प्रक्रियामा तिनीहरूले समयक्रमसँगै वायुमण्डलमा निरन्तर अक्सिजन निष्कासन गरिरहे। परिणामत: वातावरणमा अक्सिजनको मात्रामा मात्र वृद्धि भएन। अन्य यौगिकहरू जस्तै नाइट्रेट्स अर्थात् नाइट्रोजनको अक्साइड समेत बन्न पुग्यो। र, पछि तिनै नाइट्रेटहरू उनीहरूको नयाँ रूप अर्थात् युकारियोटिक प्रतिस्पर्धीहरूका लागि आदर्श पोषक तत्त्व बन्न पुगे। युकारियोट्स त्यस्तो जीवन कोष हो जसमा नाभिक (न्यूक्लियस) रहेको हुन्छ।

एनेरोबिक र एरोबिक गरी दुई महत्त्वपूर्ण प्रणालीका जीवन प्रक्रियाहरू यो धर्तीमा छन्। माइकल जे बेन्टनको तर्क छ, पहिलो जीवहरूमा 'एनेरोबिक' मेटाबोलिज्म थियो अर्थात् तिनीहरू अक्सिजनको अभावमा आफूलाई सञ्चालन गर्थे।

जीवहरूले नै वायुमण्डलीय अक्सिजन उत्पादन गरे भन्ने तथ्य एउटा सरल दृष्टिकोण हो। तर, यो आंशिक रूपमा मात्र सत्य हुनसक्छ भन्ने मान्यता वैज्ञानिक बेन्टनको छ। अक्सिजनको ग्यासरूप प्रकाश संश्लेषणको प्रमुख उत्पादन हो, यसमा कुनै दुईमत छैन। र, सबैभन्दा चाँडो प्रकाश संश्लेषण पनि साइनोब्याक्टेरियाहरूले नै गर्न सक्‍छन्। तर, यस सन्दर्भमा उनी के तर्क गर्छन् भने, पृथ्वीको सबै प्रारम्भिक वायुमण्डलीय अक्सिजन प्रकाश संश्लेषणबाट मात्र आएको होइन। किनकि, 'साइनोब्याक्टेरिया' ३.५ अर्ब वर्ष पहिले मात्र पृथ्वीमा थियो, पछिका अर्बौं वर्षहरूसम्म पनि उनीहरूले वातावरणलाई अक्सिजन दिएका थिएनन्।

सम्भवतः पृथ्वीको वायुमण्डलमा पर्याप्त अक्सिजन उत्पादन हुनुमा प्रकाश संश्लेषण लगायत ज्वालामुखीहरूले उत्पादन गर्ने ग्यासहरू समेत जिम्मेवार छन् भन्ने मान्यता पनि वैज्ञानिकहरूको छ। त्यस्तै, उष्ण जलस्रोत वा तातो पानीका मूलहरूमा विद्यमान घुलनशील धातुहरू र समुद्री गहिराइमा रहेका उष्ण जलस्रोतका निकासहरू (हाइड्रो थर्मल भेन्ट्स), जहाँ अक्साइडहरू बन्छन्, ती क्षेत्रहरू पनि अक्सिजन उत्पादनका लागि महत्त्वपूर्ण माध्यम हुन सक्छ। अर्थात्, यिनै क्षेत्रहरूबाट अक्सिजन ग्यासका रूपमा प्रारम्भिक वातावरणमा प्रवेश गरेको हुनुपर्छ भन्ने वैज्ञानिक मान्यता पनि छ। पुनः प्रश्न उठ्छ, त्यसो भए पहिलो वायुमण्डलीय अक्सिजन कहाँबाट आयो त?

ब्रिस्टल विश्वविद्यालयका वैज्ञानिक डेभिड क्याटलिग सन् २००८ मा प्रकाशित अर्थस अर्ली एटमोस्फेयर नामको आफ्नो एक अनुसन्धान पत्रमा अक्सिजनको स्रोत शुरूमा कम्तीमा पनि अकार्बनिक हुनुपर्छ भन्ने तर्क गर्छन्। उनको सुझाव छ- 'यो रहस्यको कुञ्जी मिथेन ग्यासमा छ।' मिथेन ग्यास कार्बन र हाइड्रोजनको एक मिश्रण हो। यो ग्यासलाई शक्तिशाली हरितगृह ग्यास (ग्रीनहाउस)का रूपमा पनि मानिन्छ। र, यो धर्तीमा मिथेन ग्यासको ठूलो मात्रामा उत्पादनका लागि एनारोबिक जीवाणुहरू नै जिम्मेवार छन् भन्ने मान्यता धेरै वैज्ञानिकको छ।

वातावरणमा अक्सिजनको उदयले नै जीवन र हाम्रो धर्तीमा गहिरो प्रभाव पार्‍याे। यही परिवर्तनका कारण नयाँ 'एरोबिक' प्रणालीका जीवहरू देखा परे। र, यिनै 'एरोबिक' जीवहरूले आफ्नो रासायनिक गतिविधिका क्रममा वायुमण्डलीय अक्सिजन अणुहरूको अवशोषण गर्न थाले।

पृथ्वीमा जीवन प्रचुर मात्रामा हुनुभन्दा पहिले धर्तीमा मिथेनको परिमाण धेरै थिएन। वैज्ञानिकहरू भन्छन्- 'क्रमश: यसको मात्रा बढ्दै गयो। किनकि, प्रारम्भिक जीवाणुहरूले धेरैभन्दा धेरै मिथेन ग्यास यो धर्तीमा उत्पादन गरे। हिजोआज भने अक्सिजनले नै वायुमण्डलमा भएको मिथेनलाई खपत गर्दछ।' यसैले अक्सिजनको अभावमा प्रारम्भिक प्रि-क्याम्ब्रियन समयमा मिथेन ग्यासको स्तर आजको भन्दा १०० देखि १५०० गुणा बढी भएको वैज्ञानिकहरू बताउँछन्। यही कारण नै त्यो वेलाको वातावरणमा अत्यन्तै तातो हरितगृह विश्वव्यापी रूपमा सिर्जना भएको हुनुपर्छ भन्ने तर्क वैज्ञानिकहरूले अगाडि ल्याएका हुन्।

मिथेन ग्रीनहाउस पृथ्वीबाट करीब २.४ अर्ब वर्ष पहिले नै ध्वस्त भयो भन्ने आम वैज्ञानिकहरूको निष्कर्ष छ। उनीहरूको थप मान्यता के छ भने, मिथेनको स्तर बढ्दै जाँदा हाइड्रोजन परमाणुहरू पृथ्वीको वायुमण्डलबाट अन्तरिक्षमा प्रसारित भए। यसैले पानीका अणुहरू (एचटूओ) बन्नलाई स्वतन्त्र अक्सिजनसँग जोडिन यो धर्तीमा पर्याप्त हाइड्रोजन थिएन, जसको फलस्वरूप पृथ्वीमा ग्यासको रूपमा प्राणवायु अर्थात् अक्सिजनको बाढी नै उर्लियो। र, यही कारण नै वायुमण्डलमा अक्सिजनको मात्रा अत्यधिक रहन पुग्यो भन्ने मान्यता वैज्ञानिक समुदायबीच प्रचलित बनेको हो।

वातावरणमा अक्सिजनको उदयले नै जीवन र हाम्रो धर्तीमा गहिरो प्रभाव पार्‍याे। यही परिवर्तनका कारण नयाँ 'एरोबिक' प्रणालीका जीवहरू देखा परे। र, यिनै 'एरोबिक' जीवहरूले आफ्नो रासायनिक गतिविधिका क्रममा वायुमण्डलीय अक्सिजन अणुहरूको अवशोषण गर्न थाले। यो प्रक्रियाबाट अक्सिजनसँगै वायुमण्डलको उच्च क्षेत्रमा 'ओजोन तह' को पनि निर्माण हुन पुग्यो। यो तह पृथ्वीको सतहबाट झण्डै १५-४० किलोमिटरको बीचमा अवस्थित समतापमण्डल (स्ट्रेटोस्फियर)मा रहेको छ। यसले सूर्यबाट आउने पराबैजनी विकिरणलाई रोकेर पृथ्वीमा अस्तित्वमा रहेका जीवनलाई बचाउँछ।

दोस्रो पटक पृथ्वीको वायुमण्डलीय अक्सिजनमा ०.८-०.६ अर्ब वर्ष पहिले व्यापक रूपमा वृद्धि भएको वैज्ञानिकहरू बताउँछन्। त्यो वेला पृथ्वीमा अक्सिजनको मात्रा आधुनिक स्तरको परिमाणको झण्डै १० प्रतिशत वृद्धि भएको उनीहरूको निष्कर्ष छ। र, यो वृद्धिले विश्वव्यापी रूपमै रासायनिक चक्रमा ठूलो परिवर्तन मात्र गरेन, आजको जस्तै वायुमण्डलको विकास गर्दै पृथ्वीमा जीवनको विविधतामा समेत व्यापक विस्तार गर्न पुग्यो। र, शुरू भयो प्रकृतिको एउटा नयाँ अध्याय।