كيف ظهر الأوكسجين على كوكب الأرض؟

عمليًا كل الأوكسجين على الأرض كان ولا يزال ينتج عن طريق التمثيل الضوئي، الذي تقوم به كائنات دقيقة مثل البكتيريا الزرقاء. وعندما كان كوكبنا لا يزال مكانًا غير صالح للسكن تطورت البكتيريا الزرقاء منذ أكثر من 2.4 مليار سنة، وتحولت الأرض  ببطء إلى الكوكب الغني بالأوكسجين الذي نعرفه اليوم.

تقول عالمة الأحياء الدقيقة "جوديث كلات": "نحن لا نفهم تمامًا لماذا استغرق الأمر وقتًا طويلاً وما هي العوامل التي تتحكم في أكسجة الأرض؟، ولكن عند دراسة البكتيريا الزرقاء في الجزيرة الوسطى ببحيرة هورون في ميتشيغان، والتي تعيش في ظل ظروف تشبه الأرض في وقت مبكر، خطرت لي فكرة". وعملت "كلات" مع فريق من الباحثين حيث المياه في حوض الجزيرة الوسطى، إذ أن المياه الجوفية التي تتسرب من قاع البحيرة، منخفضة الأوكسجين.

ويقول "بوبي بيداندا"، عالِم البيئة الميكروبية المتعاون من جامعة جراند فالي ستيت،: "الحياة في قاع البحيرة عبارة عن ميكروبات بشكل أساسي، وهي بمثابة نظير عملي للظروف التي سادت على كوكبنا لمليارات السنين، فالميكروبات هناك هي البكتيريا الزرقاء المنتجة للأوكسجين الأرجواني والتي تتنافس مع البكتيريا البيضاء المؤكسدة للكبريت، الأولى تولد الطاقة بأشعة الشمس، والأخيرة بمساعدة الكبريت.

من أجل البقاء على قيد الحياة، تؤدي هذه البكتيريا رقصة صغيرة كل يوم، من الغسق حتى الفجر، تكمن البكتيريا التي تتغذى على الكبريت على قمة البكتيريا الزرقاء، مما يمنع وصولها إلى ضوء الشمس. وعندما تشرق الشمس في الصباح، يتحرك أكلة الكبريت إلى أسفل وترتفع البكتيريا الزرقاء إلى السطح. وتوضح "كلات": "يمكنهم الآن البدء في التمثيل الضوئي وإنتاج الأوكسجين، ومع ذلك، يستغرق الأمر بضع ساعات قبل أن يبدأوا فعلاً، هناك تأخير طويل في الصباح. يبدو أن البكتيريا الزرقاء متأخرة في الاستيقاظ. نتيجة لذلك، فإن وقتهم لعملية التمثيل الضوئي يقتصر على بضع ساعات فقط كل يوم".

عندما سمع "بريان آربيك"، عالم المحيطات الفيزيائي في جامعة ميشيغان، عن هذه الرقصة الميكروبية، طرح سؤالًا مثيرًا للاهتمام: "هل يمكن أن يعني هذا أن تغيير طول النهار قد يؤثر على عملية التمثيل الضوئي على تاريخ الأرض؟".

لم يكن طول النهار على الأرض دائمًا 24 ساعة. يقول "آربيك": "عندما تشكل نظام الأرض والقمر، كانت الأيام أقصر بكثير، ربما حتى ست ساعات. ثم تباطأ دوران كوكبنا بسبب جاذبية القمر واحتكاك المد والجزر، وزادت الأيام". فيما يقترح بعض الباحثين أيضًا أن تباطؤ دوران الأرض قد توقف لنحو مليار سنة، بالتزامن مع فترة طويلة من انخفاض مستويات الأوكسجين العالمية. بعد هذا الانقطاع، عندما بدأ دوران الأرض في التباطؤ مرة أخرى منذ حوالي 600 مليون سنة، حدث تحول رئيسي آخر في تركيزات الأوكسجين العالمية.

تعاونت "كلات" مع "أرجون تشينو"، الذي عمل بعد ذلك أيضاً في معهد ماكس بلانك لعلم الأحياء الدقيقة البحرية، ويقود الآن مجموعته الخاصة في مركز لايبنيز للبحوث البحرية الاستوائية (ZMT) في بريمن. واستنادًا إلى برنامج حاسوبي مفتوح المصدر طورته شركة تشينو لهذه الدراسة، قاما بفحص كيفية ربط ديناميكيات أشعة الشمس بإطلاق الأوكسجين من الفخار. "الحدس يشير إلى أن يومين لمدة 12 ساعة ينبغي أن تكون مماثلة ليوم واحد لمدة 24 ساعة. ضوء الشمس يرتفع ويسقط ضعف السرعة، وإنتاج الأوكسجين يتبع في خطوة مقفلة. ولكن إطلاق الأوكسجين من الحويصلات البكتيرية محدود بسبب سرعة الانتشار الجزيئي.

لفهم كيف يمكن للعمليات التي تحدث في يوم واحد أن تؤثر على الأوكسجين على المدى الطويل، قامت "كلات" وزملاؤها بدمج نتائجهم في النماذج العالمية لمستويات الأوكسجين. يشير التحليل إلى أن زيادة إطلاق الأوكسجين بسبب تغيير طول النهار يمكن أن تكون قد يقول "تشينو": "إنه أمر مثير للغاية بهذه الطريقة نربط رقصة الجزيئات في الحصيرة الميكروبية برقصة كوكبنا والقمر ".

بشكل عام، قد يكون الحدثان الرئيسيان للتأكسد (القفزات في تركيز الأوكسجين) في تاريخ الأرض - حدث الأكسجة العظيم منذ أكثر من ملياري عام وحدث الأكسجة الأحدث في وقت لاحق - مرتبطين بزيادة طول النهار. ومن ثم، فإن زيادة طول النهار  يكفي للتأثير على مستويات الأوكسجين في الغلاف الجوي.

المصدر: Eurekalert