ظهور الأكسجين: الحدث الذي غير وجه الكرة الأرضية

قبل حوالي ملياري عام، لم يكن الهواء على سطح الكرة الأرضية يحتوي على الأكسجين. لقد وقع شيء مذهل غير ذلك الوضع، وهو أكبر شيء يحدث في مسيرة تطور جميع الكائنات الحية، وهو ظهور الأكسجين على كوكب الأرض.

إذا صنعنا آلة للزمن، وتمكنا بها من العودة للوراء للعيش في العهد السابق للكرة الأرضية، فسوف نفاجأ بأننا لا نستطيع أن نتنفس. وإذا لم تكن بحوزتك أجهزة تنفس فسوف تختنق في لحظات.

خلال النصف الأول من تاريخ الكرة الأرضية، لم يكن هناك أكسجين في الغلاف الجوي. فقد ظهر هذا الغاز الذي هو سر الحياة قبل حوالي 2.4 مليار سنة. ويعد ظهور الأكسجين واحداً من أهم ما وقع على كوكب الأرض من أحداث. فلولاه لما كانت هناك أي مخلوقات تتنفس الأكسجين؛ لا حشرات، ولا أسماك، ولا بشر بالتأكيد.

ويدرس بعض العلماء منذ عقود طويلة سبب ظهور الأكسجين في الهواء. وقد افترضوا أن الحياة نفسها هي المسؤولة عن وجود الهواء الذي نتنفسه. وإذا كان لنا أن نؤمن بما تم التوصل إليه من اكتشافات مؤخراً، فالحياة نفسها شهدت تحولات هائلة سبقت ذلك “الحدث الأكبر” الذي تمثل في ظهور الأكسجين.

فقد كان عمر الأرض حوالي ملياري عام عندما ظهر الأكسجين، مما يجعل عمرها حوالي 4.5 مليار سنة الآن. وكانت الأرض مأهولة في ذلك الحين، ولكن بكائنات حية أحادية الخلية.

وليس من الواضح تماما متى بدأت الحياة، لكن أقدم حفرية معروفة لهذه الكائنات المتناهية في الصغر تعود إلى 3.5 مليار سنة، ولذا لا بد أن الحياة بدأت قبل هذا الوقت. ولا يزال العلماء يعكفون على التوصل إلى شكل الحياة قبل تلك الحفرية.

ويعني ذلك أن الحياة كانت قائمة قبل نحو مليار سنة من وجود الأكسجين. هذه المخلوقات الدقيقة هي التي يشتبه في أنها السبب في وجود الأكسجين. من أبرز هذه الكائنات الحية مجموعة يطلق عليها اسم “سيانوباكتيريا”، وهذه الكائنات الحية الميكروسكوبية تشكل أحياناً طبقات زرقاء فاتحة فوق البحيرات والمحيطات.

وقد ابتكر الأسلاف الأوائل لهذه الكائنات حيلة انتشرت منذ ذلك الحين في الحياة البرية، فقد تطورت بطريقة تجعلها تستمد طاقتها من ضوء الشمس وتستعمله في صناعة مواد سكرية من خلال مزج الماء مع ثاني أكسيد الكربون. ويطلق على هذه العملية اسم التمثيل الضوئي، وهي الطريقة التي تصنع بها كل النباتات الخضراء غذاءها هذه الأيام.

فالشجرة التي تمر بها في الشارع تستخدم إلى حد كبير العملية الكيميائية نفسها التي استخدمتها تلك الكائنات قبل مليارات السنين.

وفيما يتعلق بالبكتيريا، يوجد للتمثيل الضوئي جانب سلبي مزعج يتمثل في إنتاج الأكسجين كأحد المنتجات العادمة. فلا يوجد استعمال للأكسجين لديها، لذا فهي تطلقه في الهواء. ولذلك كان هناك تفسير بسيط لحادثة “الأكسدة الكبرى” يتمثل في أن كائنات السيانوبكتيريا تطلق غاز الأكسجين غير المرغوب فيه في الهواء، وهو ما غير من طبيعة الغلاف الجوي لكوكب الأرض.

وبينما يفسر ذلك طريقة حدوث هذا التغيير، إلا أنه لا يفسر السبب وراء حدوثه، ولا يفسر كذلك متى حدث ذلك على وجه الدقة.

المشكله هي أن السيانوبكتيريا وجدت قبل حدوث عملية الأكسدة بوقت طويل. تقول بيتينا شيرمايستر من جامعة بريستول بالمملكة المتحدة: “السيانوبكتيريا من بين أول ما نعرف من كائنات حية على سطح الأرض”.

ويمكن القول بكل ثقة إنه كان لدينا سيانوبكتيريا قبل 2.9 مليار سنة خلت، لأن هناك دليل على وجود واحات معزولة من الأكسجين في ذلك الوقت. وربما يعود عمر هذه الواحات إلى 3.5 مليار سنة، لكن من الصعب القطع بذلك، لأن الحفرية غير واضحة المعالم.

ويعني ذلك أن السيانوبكتيريا كانت مشغولة في ضخ الأكسجين إلى الهواء لمدة 500 مليون سنة قبل أن يبدأ الأكسجين في الظهور في الهواء. وهذا لا يعقل.

أحد التفسيرات يشير إلى أنه كان هناك كثير من المواد الكيماوية ربما على شكل غازات بركانية تفاعلت مع الأكسجين، وعملت على تنقيته. بيد أن هناك احتمالاً آخر كما تقول شيرمايستر، فربما كانت كائنات السيانوبكتيريا قد تحورت.

وتضيف: “هناك تطور ما حدث لكائنات السيانوبكتيريا مكنها من أن تصبح أكثر نجاحاً وأهمية”. فبعض أنواع السيانوبكتيريا قامت بشيء يعد بارزاً بمعايير البكتيريا. فبينما تعتبر الغالبية الساحقة من البكتيريا أحادية الخلية، كانت هناك كائنات من السيانوبكتيريا متعددة الخلايا.

فقد اتحدت خلايا السيانوبكتيريا الأحادية في صفوف متصلة تشبه عربات القطار. هذا في حد ذاته غير معتاد بالنسبة للبكتيريا. بيد أن بعضها ذهب إلى ما هو أبعد من ذلك. “كثير من السيانوبكتيريا بإمكانها أن تنتج خلايا تفقد قدرتها على الانقسام”، كما تقول شيرمايستر.

وتضيف: “هذا هو أول شكل من أشكال التخصص نشاهده. إنها نسخة بسيطة من الخلايا المتخصصة التي توجد لدى الحيوانات، مثل العضلات، والأعصاب، وخلايا الدم.” وتعتقد شيرمايستر أن ظاهرة التعددية الخلوية ربما كانت هي ما غيرت قواعد الحياة للسيانوبكتيريا الموجودة على الأرض، حيث توفر عدداً من المزايا المحتملة.

قديماً على سطح الأرض عاشت كائنات حية أحادية الخلية مع بعضها على شكل طبقات مسطحة من المواد اللزجة تدعى تدعى “حصائر” ميكروبية، وفي داخل كل واحدة منها هناك أنواع عديدة من السيانوبكتيريا، إضافة إلى أشياء أخرى.

وتوجد ميزة واضحة لبكتيريا السيانوبكتيريا متعددة الخلايا على قريناتها من ذوات الخلية الواحدة، إذ من السهل عليها الانتشار لأن سطحها الأوسع يعني أنها أقدر على الالتصاق بالصخور من غيرها. هذا الكائن الحي “ليس من السهل أن يجرفه التيار” كما تقول شيرمايستر.

ويمكن للعديد من أنواع السيانوبكتيريا الحديثة التحرك داخل حصائرها. وليست حركتها بالسريعة جداً ولكنها تستطيع الحركة، كما تقول شيرمايستر. هذا يعني ربما أن البكتيريا القديمة كانت تستطيع التحرك أيضاً. وكان يمكن للحركة أن تساعدها على البقاء في وقت كانت تتعرض فيه الأرض إلى إشعاعات ضارة وعنيفة من الشمس، ولم تكن هناك طبقة أوزون تحمي الأرض من هذه الإشعاعات.

وتقول شيرمايستر: “في الحصائر الميكروبية الحديثة، تستدير السيانوبكتيريا حول نفسها وتظهر بشكل عمودي بدلاً من الشكل الأفقي لحماية نفسها من ضوء الشمس الزائد عن اللزوم. كما يوجد حركة بين الطبقات. وربما نتجت هذه الحركة عن السيانوبكتيريا متعددة الخلية وهي تحاول أن تتحرك عمودياً داخل حصيرتها”.

إنها فكرة ذكية، لكن لكي تكون هذه الفكرة صحيحة، ينبغي أن تكون السيانوبكتيريا قد تحولت إلى بكتيريا متعددة الخلايا قبل عصر الأكسدة، أي قبل ظهور الأكسجين على الأرض.

لقد أمضت شيرمايستر السنوات القليلة الماضية وهي تحاول معرفة الزمن الذي تحولت فيه البكتيريا إلى كائنات متعددة الخلايا. الخيوط التي تقود إلى هذه المعرفة تكمن في الجينات الخاصة بهذه البكتيريا. وقد تمكنت شيرمايستر من رسم شجرة عائلة خاصة بالسيانوباكتيريا بعد أن عرفت من اختبارها للجينات المشتركة الفروق البسيطة بينها.

بوجود تلك الشجرة الجينية، تمكنت شيرمايستر من تقدير الزمن الذي تحولت فيه السيانوبكتيريا من كائنات أحادية الخلية إلى متعددة الخلايا.

أول محاولاتها نشرت عام 2011، وقالت فيها إن معظم السيانوبكتيريا الحديثة انحدرت من بكتيريا متعددة الخلايا. وهذا يعني أن البكتيريا متعددة الخلايا قديمة، لكن من الصعب تحديد تاريخ ظهورها بدقة. وفي بحث نشرته بعد ذلك بعامين، قالت إن التعددية في الخلايا تطورت قبل ظهور الأكسجين بوقت قصير في الوقت الذي كانت فيه السيانوبكتيريا تنوع من نفسها بشكل متسارع.

لكن ذلك لم يغلق النقاش حول الموضوع. فشجرة العائلة التي رسمتها كانت على أساس نوع واحد من الجينات، وإن كان هو الجين المشترك بين جميع أنواع السيانوبكتيريا. ذلك يعني أن تلك الشجرة الجينية مشكوك فيها. لذلك قامت شيرمايستر بمحاولة أفضل، وتقول: “هذه المرة تعاملت مع 756 جيناً. وهذه الجينات التي أخذتها موجودة في كل السيانوبكتيريا”.

لكن تقديرها للزمن الذي بدأ فيه انقسام الخلايا وتعددها ما زال غير دقيق، لكن يبدو أنه كان قبل 2.5 مليار سنة، أي قبل ظهور الأكسجين. هناك عدة طرق مختلفة لحساب هذه السلالات، وكلها تقود إلى نفس الإجابة: مهما تعددت الطرق التي نقيس بها تاريخ الخلايا، من الواضح أن ظهور الكائنات متعددة الخلية سبق ظهور الأكسجين على سطح الأرض.

ربما لا تكون تلك نهاية القصة. حتى لو ثبتت صحة نتائج شيرمايستر، وأصبحت السيانوبكتيريا متعددة الخلية موجودة قبل ظهور الأكسجين، ما زال هناك سؤالان كبيران: الأول: هل تعدد الخلايا نتج عنه بالفعل مزايا استفادت منها السيانوبكتيريا؟ الحقيقة أننا لا نعرف، ولكن بإمكاننا أن نعرف بمحاولة اختبار معينة كيف تتأقلم السيانوبكتيريا أحادية أو متعددة الخلايا مع الأوضاع والظروف المختلفة.

السؤال الثاني وهو الأصعب: لماذا استغرقت السيانوبكتيريا زمناً طويلاً جداً حتى تصبح متعددة الخلية؟ إن كان تعدد الخلايا ينطوي على كل تلك الميزات، فلماذا لم تتطور من أحادية إلى متعددة قبل ذلك الزمن مما كان سيؤدي إلى وقوع حدث الأكسدة الكبير؟

تقول شيرمايستر: “الخطوة التالية هي أن نعرف الجينات المسؤولة عن انقسام الخلايا في السيانوبكتيريا، وقتها أستطيع القول لماذا استغرق الأمر وقتاً طويلاً ولم تتطور في وقت أقرب”.

إذا تطلب الأمر وجود عدد كبير من الجينات الجديدة، سيصبح مفهوماً أن السيانوبكتيريا احتاجت إلى وقت طويل لكي تطور كل هذاه الجينات. ومهما يكن السبب في وقوع حدث الأكسدة الكبير هذا، من الواضح أنه أحد أهم الأشياء التي وقعت على سطح الأرض. وهذه أخبار سيئة للحياة على الأرض على المدى القصير.

تقول شيرمايستر: “كان يمكن أن يعتبر الأكسجين قاتلاً لعدد من أنواع البكتيريا. ليس من السهل إثبات ذلك، لأن الحفرية التي عثر عليها العلماء لا تنبيء بالكثير من المعلومات عن ذلك الزمان. ولكننا يمكن أن نفترض أن كثيرا من البكتيريا ماتت في ذلك الوقت”.

لكن على المدى البعيد، سمح وجود الأكسجين بتطور جميع أنواع الحياة. ويعتبر الأكسجين غازاً حساساً، لهذا السبب فهو يؤدي إلى اشتعال النار، ولذا، عندما عرفت بعض الكائنات الحية كيف تسخر الأكسجين لصالحها، بات لديها مصدر مهم للطاقة.

وتصبح الكائنات الحية أكثر نشاطاً إذا تنفست الأكسجين. فبفضل الأكسجين أصبح كثير من الكائنات الحية أكثر تعقيداً من مجرد التحول من كائنات أحادية الخلية إلى متعددة الخلايا. هذه الكائنات أصبحت نباتات وحيوانات، وتحول بعضها من كائنات اسفنجية ودودية إلى أسماك، وكذلك ظهر البشر.

إذا ثبت أن شيرمايستر على صواب، فإن هذه السيانوبكتيريا متعددة الخلايا هي المسؤولة عن وجود الحياة على الأرض بما في ذلك تطور الحياة المعقدة، بما فيها نحن البشر، وذلك عن طريق انتاج الأكسجين بكميات تكفي للكرة الأرضية. وتختم بالقول: “لقد جعلت (السيانوبكتيريا) الحياة المعقدة ممكنة”. وهذا عمل لا بأس به للبكتيريا ذات اللون الأخضر والأزرق.

يمكنك قراءة الموضوع الأصلي على موقع BBC Earth.