เมื่อโลกถูกแช่แข็งจนกลายเป็น “ลูกบอลหิมะ” นานหลายสิบล้านปี

ลูกบอลปั้นจากหิมะสีขาวล้วนที่ผู้คนในซีกโลกเหนือใช้ปาเล่นใส่กันในฤดูหนาว อาจแลดูขาวโพลนและเย็นยะเยือกจับใจจนเราไม่อาจจินตนาการได้ว่า เมื่อหลายร้อยล้านปีก่อนโลกของเราทั้งใบเคยถูกแช่แข็ง จนมีสภาพเหมือนลูกบอลหิมะ (Snowball Earth) มาแล้วถึงสองครั้ง

แต่การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศของโลกดึกดำบรรพ์ จากที่เคยอบอุ่นไปจนถึงร้อนมาเป็นหนาวเย็นสุดขั้วเช่นนี้ เกิดขึ้นจากอะไรกันแน่ และสิ่งมีชีวิตในยุคแรกเริ่มสามารถอยู่รอดจนผ่านพ้นการถูกแช่แข็งตายมาได้อย่างไร

นักวิทยาศาสตร์ประมาณการจากหลักฐานใหม่ล่าสุดว่า เหตุการณ์ที่โลกทั้งใบกลายเป็นน้ำแข็งเกิดขึ้นครั้งแรกเมื่อราว 716 ล้านปีก่อน และเกิดขึ้นซ้ำสองเมื่อราว 635 ล้านปีที่แล้ว โดยในแต่ละครั้งอุณหภูมิบริเวณขั้วโลกลดต่ำลงถึง -130 องศาเซลเซียส ส่วนในแถบเส้นศูนย์สูตรที่จัดว่าอบอุ่นอุณหภูมิก็ยังลดต่ำกว่าจุดเยือกแข็งได้บ่อยครั้ง

เหตุการณ์ที่โลกกลายเป็นลูกบอลหิมะอยู่ในช่วงยุคน้ำแข็งที่เรียกว่า “ไครโอจีเนียน” (Cryogenian period) โดยนักธรณีวิทยาค้นพบหลักฐานเป็นก้อนกรวดที่เรียกว่า “หินนิรสถาน” (drop stone) ซึ่งเป็นหินตะกอนที่เกิดจากการพัดพาของธารน้ำแข็งกระจัดกระจายอยู่ในชั้นหินของมหาสมุทรทั่วโลก แสดงถึงเหตุการณ์ในอดีตที่มีการแผ่ขยายตัวของธารน้ำแข็งครั้งใหญ่ จากบริเวณขั้วโลกจนครอบคลุมมาถึงแถบเส้นศูนย์สูตร

นอกจากนี้นักธรณีวิทยายังพบหลักฐานในชั้นหินของยุคไครโอจีเนียน ซึ่งปรากฏว่าไม่มีหินคาร์บอเนต (carbonate rock) ปะปนอยู่เลย แสดงว่าโลกในยุคนั้นไม่มีฝนและแม่น้ำลำธารคอยชะล้างพัดพาตะกอนจากผืนทวีปลงสู่มหาสมุทร อันเป็นสาเหตุที่ทำให้หินคาร์บอเนตอย่างเช่นหินปูนก่อตัวขึ้นในช่วงเวลาปกติ

สำหรับคำถามที่ว่าเหตุการณ์โลกกลายเป็นลูกบอลหิมะเกิดขึ้นได้อย่างไรนั้น หลักฐานทางธรณีวิทยาที่พบชี้ว่าการปะทุของภูเขาไฟครั้งใหญ่ที่กินเวลายาวนานนับล้านปี ทำให้ระบบควบคุมอุณหภูมิของโลกพังพินาศ เนื่องจากมีการปลดปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ปริมาณมหาศาลสู่ชั้นบรรยากาศ ซึ่งแม้ในช่วงแรกจะทำให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจกและภาวะโลกร้อน แต่ในไม่ช้ากระบวนการดูดซับคาร์บอนกลับสู่พื้นโลกที่ทรงพลังเหนือระดับปกติธรรมดา กลับทำให้โลกทั้งใบเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว

ในยุคนั้นแผ่นดินโลกมีลักษณะเชื่อมติดกันเป็นมหาทวีปชื่อว่า “โรดีเนีย” (Rodinia) แต่ในยุคน้ำแข็งไครโอจีเนียน ผืนดินของมหาทวีปแห่งนี้กำลังแยกตัวออกจากกันเป็นเสี่ยง ๆ และปลดปล่อยหินภูเขาไฟบางชนิดที่ดูดซับคาร์บอนได้ดีอย่างหินบะซอลต์ (Basalt) ออกมาในปริมาณมหาศาล เหตุภูเขาไฟระเบิดในแถบอาร์กติกของประเทศแคนาดาที่เกิดขึ้นก่อนหน้านั้น ยังปลดปล่อยก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ที่เร่งให้โลกเย็นตัวลงออกมาอีกด้วย

ยิ่งไปกว่านั้น ดวงอาทิตย์ในยุคโบราณยังส่องสว่างร้อนแรงน้อยกว่าปัจจุบันถึง 7% อีกด้วย ทำให้เมื่อคาร์บอนปริมาณมากในบรรยากาศถูกดูดซับกลับสู่พื้นดิน โลกจึงหนาวเย็นลงอย่างรวดเร็ว และยิ่งผืนน้ำแข็งสีขาวโพลนแผ่ขยายกว้างขึ้นเท่าไหร่ แสงอาทิตย์ก็ยิ่งถูกสะท้อนกลับสู่ห้วงอวกาศมากขึ้นและโลกก็หนาวเหน็บยิ่งขึ้นเท่านั้น กระบวนการเย็นตัวที่วนเวียนไปมาเป็นวงจรไม่รู้จบเช่นนี้เรียกว่า “ปรากฏการณ์บ้านน้ำแข็งที่ไม่อาจหยุดยั้งได้” (Runaway Icehouse Effect)

นักวิทยาศาสตร์ประมาณการว่า สภาพภูมิอากาศโลกแบบลูกบอลหิมะในแต่ละครั้งกินเวลายาวนานราว 30-60 ล้านปี แต่สิ่งมีชีวิตยุคแรกเริ่มที่มีอยู่บนโลกมาก่อนหน้านั้น อย่างเช่นสาหร่ายเซลล์เดียว ไซยาโนแบคทีเรีย และฟองน้ำในมหาสมุทร กลับสามารถอยู่รอดในสภาพอากาศหฤโหดที่ทั้งมืดมิดและหนาวเหน็บอย่างยาวนานมาได้ น่าจะเป็นเพราะโลกไม่ได้เย็นเยือกเป็นก้อนน้ำแข็งไปเสียทั้งหมด

แนวคิดทฤษฎีใหม่ ๆ มองว่าโลกยุคนั้นอาจถูกปกคลุมด้วยหิมะเปียก (Slushball earth) ทำให้ใต้ท้องทะเลแถบเส้นศูนย์สูตรไม่สู้จะมืดมิดหรือหนาวเย็นมากนัก นักวิทยาศาสตร์บางกลุ่มสันนิษฐานว่า แผ่นน้ำแข็งที่ปกคลุมมหาสมุทรอาจบางใสจนแสงสว่างส่องลงไปถึงส่วนลึกได้

สาหร่ายเซลล์เดียวยังคงสามารถได้รับอาหารและพลังงานผ่านกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ส่วนแบคทีเรียบางชนิดถึงกับเติบโตอย่างหนาแน่นบนผืนน้ำแข็งบาง ๆ ที่ว่านี้กันเลยทีเดียว ความสามารถในการเอาชีวิตรอดนี้เป็นจุดเริ่มต้นที่นำไปสู่การเจริญงอกงามครั้งใหญ่ของสิ่งมีชีวิตใต้ท้องทะเลในยุคอีดีแอคารัน (Ediacaran) ในอีกราวร้อยล้านปีต่อมา

ล่าสุดผลการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์จีนที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications ฉบับเดือนมีนาคม 2023 ชี้ว่าท้องทะเลบริเวณแถบละติจูดกลาง (mid-latitudes) ซึ่งใกล้กับเส้นศูนย์สูตรในโลกยุคลูกบอลหิมะ อาจมีอุณหภูมิอบอุ่นจนไม่มีแผ่นน้ำแข็งปกคลุมเป็นบางส่วน ทำให้สามารถพบซากของสิ่งมีชีวิตจำพวกสาหร่ายเซลล์เดียวจากยุคนั้นเป็นจำนวนมาก ในชั้นหินดินดานหนานตัว (Nantuo Formation) ซึ่งอยู่ทางตอนใต้ของจีน

จากการตรวจสอบองค์ประกอบของธาตุเหล็ก และไอโซโทปของไนโตรเจนที่ปะปนกันหลายชนิดในซากของสาหร่ายดังกล่าว ทีมผู้วิจัยพบว่ามีร่องรอยของการใช้ออกซิเจนบริเวณผิวน้ำเพื่อหายใจและผลิตพลังงาน ซึ่งแสดงว่าไม่มีแผ่นน้ำแข็งปกคลุมเหนือผืนน้ำอันเป็นเสมือน “โอเอซิส” แสนอบอุ่น ที่ช่วยหล่อเลี้ยงสิ่งมีชีวิตขนาดจิ๋วในยุคนั้น

อย่างไรก็ตาม ภาวะวิกฤตใด ๆ ย่อมมีวันสิ้นสุด โลกที่มีสภาพเป็นลูกบอลหิมะทั้งใบได้เริ่มละลาย เมื่อแผ่นน้ำแข็งขยายตัวปกคลุมผืนดินเป็นบริเวณกว้างมากเกินไป จนคาร์บอนไดออกไซด์ที่ภูเขาไฟยังคงปลดปล่อยออกมาไม่อาจถูกดูดซับกลับคืนลงสู่ชั้นหินได้มากเท่าเดิม แต่เหลือตกค้างสะสมในชั้นบรรยากาศนานหลายสิบล้านปี จนมากพอจะจุดชนวนให้ปรากฏการณ์เรือนกระจกอันอบอุ่นเกิดขึ้นอีกครั้ง

นอกจากนี้ หลักฐานจากหลุมอุกกาบาตยาร์ราบับบา (Yarrabubba) ที่ประเทศออสเตรเลีย ซึ่งมีอายุเก่าแก่ที่สุดในโลก ยังชี้ว่าการพุ่งชนที่ทรงพลังมหาศาลอาจทำให้อากาศอุ่นขึ้น และเป็นปัจจัยกระตุ้นให้น้ำแข็งที่ปกคลุมโลกทั้งใบในยุคลูกบอลหิมะครั้งแรกละลายตัวในที่สุด