بث متواصل 24 ساعة يوميا طوال العام

ساعد تباطؤ دوران الأرض المبكر في تراكم الأكسجين

ساعد تباطؤ دوران الأرض المبكر في تراكم الأكسجين

عندما بدأت جوديث كلات في دراسة الحصائر الملونة للميكروبات البدائية التي تعيش في حفرة في قاع بحيرة هورون ، اعتقدت أنها قد تتعلم شيئًا عن النظم البيئية المبكرة للأرض. بدلاً من ذلك ، وجد كلات ، عالم الكيمياء الجيولوجية الحيوية في معهد ماكس بلانك للأحياء الدقيقة البحرية في بريمن بألمانيا ، نفسه في مواجهة أحد أكبر الألغاز الجيولوجية التي لم يتم حلها: كيف ، بالضبط ، الأرض – أصبحت الكوكب الوحيد المعروف بامتلاكه غلافًا جويًا غنيًا. الأكسجين؟

تشير الدلائل الجيولوجية إلى أن الميكروبات ربما تكون قد بدأت في إطلاق الأكسجين من خلال عملية التمثيل الضوئي قبل ثلاثة مليارات سنة أو حتى قبل ذلك. لكن لسبب ما ، استغرق هذا الأكسجين حوالي نصف مليار سنة ليتراكم في الغلاف الجوي ، ثم مليارًا آخر حتى يصل إلى المستويات الحديثة ويمهد الطريق لحياة معقدة. لطالما حيرت هذه التأخيرات العلماء. اقترح البعض أن التفاعلات الكيميائية تستهلك الكثير من الغاز أو أن نقص العناصر الغذائية الأساسية يحد من إنتاجه.

الآن ، مستوحى من عمل المجرى ، حدد كلات وزملاؤه تفسيرًا آخر محتملًا ، يصفونه فيه علوم الأرض الطبيعية: كانت الأيام الأولى لكوكب الأرض قصيرة جدًا.

بعد فترة وجيزة من تكوين النظام الشمسي ، تحطم جسم بحجم المريخ في الأرض وأرسل وابلًا من الحطام ليصبح القمر. أدى السحب من قمرنا الطبيعي الطبيعي إلى إبطاء دوران الكوكب تدريجيًا منذ ذلك الحين ، مما أدى إلى زيادة طول اليوم من حوالي ست ساعات في شباب الأرض إلى 24 ساعة اليوم. لقد عرف العلماء عن هذا التباطؤ لعقود من الزمن وما زالوا يواصلون صقل التفاصيل. لكن القليل منهم ربطها بمستويات الأكسجين ، إلى أن سمع عالم المحيطات بجامعة ميتشيغان بريان آربيك عن عمل كلات مع حفرة بحيرة هورون. تساءل Arbic ، المؤلف المشارك للمقال الجديد ، عما إذا كان التغيير في طول اليوم قد أثر على عملية التمثيل الضوئي على مدار الوقت الجيولوجي.

نظرًا لأنه يتغذى من المياه الجوفية الغنية بالكبريت والتي تفتقر إلى الأكسجين ، فإن المجرى يقترب من ظروف الأرض المبكرة ، ويؤوي مجتمعات من البكتيريا المجهرية التي تغطي قاع البحيرة بالسجاد الأرجواني والأبيض. درس كلات وزملاؤه كيف تختبئ البكتيريا الزرقاء المنتجة للأكسجين والبناء الضوئي في الليل تحت المنافسين الذين يتغذون على الكبريت – وكيف يغير الاثنان مواقعهما حرفيًا عند الفجر والغسق. وجد الباحثون أن الوقت الذي يستغرقه تغيير الأماكن يخلق فجوة بين شروق الشمس وتسريع عملية التمثيل الضوئي ، مما يحد من كمية الأكسجين التي يمكن أن يولدها السجاد في أيام قصيرة. في الواقع ، أظهر كلات في المختبر أن السجاد لا ينتج الأكسجين في “أيام” 12 الاصطناعية وأن إنتاج الأكسجين يزداد مع طول اليوم إلى ما بعد 16 ساعة.

شك كلات في البداية في أن نتائج المجرى يمكن أن تساعد في تفسير لغز الأكسجين. تقول: “إنه نوع خاص جدًا من المجتمعات ربما لم يكن موجودًا في الأرض القديمة”. وبدون مثل هذه المنافسة ، لا يجب أن تكون التغييرات في طول النهار مهمة ، حيث ستتلقى الميكروبات نفس الكمية الإجمالية من ضوء الشمس ، فقط يتم توصيلها بزيادات مختلفة. لكن في النهاية (بعد التفكير في ما تسميه فترة “طويلة بشكل محرج”) ، أدركت كلات أن هناك صلة أكثر جوهرية يمكن أن تنطبق على أي نوع من الحصائر البكتيرية ، بما في ذلك تلك الموجودة في الأرض المبكرة: حتى لو ظل إنتاج الأكسجين دون تغيير ، المزيد من الأيام سيسمح لمزيد من الغاز بالتسرب إلى الماء وفي النهاية في الغلاف الجوي.

ساعد تباطؤ دوران الأرض

ساعد تباطؤ دوران الأرض

وذلك لأن كمية الأكسجين التي تترك السجادة محدودة بالمعدل الذي يمكن أن تنتشر به جزيئات الغاز منه وبالمقدار الذي تستهلكه أنواع البكتيريا الأخرى في السجادة. الأيام الأطول لها ذروة طويلة في ضوء الشمس ، مما يسمح بتراكم المزيد من الأكسجين في الحصيرة ، مما يؤدي إلى زيادة الانتشار. بشكل حاسم ، تمنح الأيام الأطول أيضًا الغاز وقتًا أطول للهروب قبل حلول الظلام ، عندما تستهلك الميكروبات المتعطشة للأكسجين الباقي. تشير نتائج النمذجة إلى أن هذه الآليات قد يكون لها تأثير قوي على مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي على مدار تاريخ الأرض.

يقول تيموثي ليونز ، عالم الكيمياء الجيولوجية الحيوية بجامعة كاليفورنيا ، ريفرسايد ، والذي لم يشارك في الدراسة ، إنها “فكرة بسيطة ولكنها أنيقة”. يقول ليونز إنه لا يزال هناك الكثير من الأشياء المجهولة المهمة ، كما لو كانت بكتيريا التمثيل الضوئي الأولى تعيش في الغالب في قاع البحر أو تطفو بحرية في الماء ، حيث يمكنها إطلاق الأكسجين بسهولة أكبر ودون الاعتماد كثيرًا على الانتشار. إنه يشك في أن العديد من العمليات تآمرت لملء الغلاف الجوي بالأكسجين – ومن المؤكد أن طول هذا اليوم كان من الممكن أن يساعد.

تشمل الآليات المحتملة الأخرى تغيير انبعاثات الغازات البركانية المستهلكة للأكسجين ، مثل الهيدروجين والميثان ، واحتياطيات محدودة من الفوسفور ، وهو عنصر غذائي ضروري لعملية التمثيل الضوئي. تفاجأ بنجامين ميلز ، مصمم نماذج تطور الأرض بجامعة ليدز بإنجلترا ، والذي لم يشارك في الدراسة ، لأن العلماء أهملوا دور طول اليوم في الغالب. يقول إن التحدي الآن هو تقييم “الأهمية النسبية لهذه العملية مقارنة بالأشياء الأخرى التي نعرفها عن دورة الأكسجين العالمية”.

أعجب ميلز وبوردو عالمة الأحياء الفلكية ستيفاني أولسون ، التي لم تشارك أيضًا في الدراسة ، بكيفية تطابق النتائج الجديدة مع تاريخ أكسجة الغلاف الجوي ، بما في ذلك الزيادة الشهيرة المكونة من خطوتين والسنوات “المملة” التي مرت. استقرت مستويات الأكسجين وتوقف طول اليوم أيضًا عند 21 ساعة. يقول أولسون: “إنه أمر رائع أن نمط تراكم الأكسجين ومعدل تباطؤ سرعة دوران الأرض يبدو أنه حدث في نفس الوقت”.

أولسون هو واحد من القلائل الذين اقترحوا وجود صلة بين طول اليوم ومستويات الأكسجين. في مقال نشر عام 2020 ركز على الكواكب الخارجية ، وصفت كيف أن التغيرات في دوران الأرض بمرور الوقت قد تؤثر على دوران المحيطات وبالتالي على نقل العناصر الغذائية مثل الفوسفور الذي يغذي عملية التمثيل الضوئي. يقوم أولسون وطلابه الآن باستكشاف الفكرة باستخدام نماذج الكمبيوتر. يقول أولسون: “كان من الممكن أن تعمل هذه الآلية وآليات كلات معًا على أنها أفكار متكاملة للغاية وغير متنافسة”.

لا تزال فكرة الارتباط بين دوران الأرض والأكسجين في الغلاف الجوي تدهش Arjun Chennu ، عالم البيئة في مركز لايبنيز للبحوث البحرية الاستوائية في بريمن ، والذي شارك في قيادة الدراسة مع Klatt. من حركة الكواكب إلى حركة الجزيئات ، كما يقول ، “نطاق المقاييس التي تؤثر فيها هذه التفاعلات … هو نطاق جامح”.

Comments are closed.