في وقت ما منذ حوالي 2.4 مليار سنة ، خضع كوكب الأرض الناشئ لواحد من أكثر التغييرات إثارة في تاريخه. شهدت هذه الفترة ، المعروفة باسم حدث الأكسدة العظيم ، ازدهارًا مفاجئًا في الغلاف الجوي للأرض بأكسجين جزيئي (نادر سابقًا). لم يكن التغيير السريع في تكوين الغلاف الجوي أقل من كارثة لبعض أشكال الحياة المبكرة (في ذلك الوقت ، كانت في الغالب بدائيات النوى الخلوية البسيطة). الأنواع اللاهوائية - تلك التي تعيش في بيئات خالية من الأكسجين - شهدت حدثًا قريبًا من الانقراض. لكن الأكسدة العظيمة كانت أيضًا فرصة لأشكال أخرى من الحياة لتزدهر. خفف الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي من تأثير الاحتباس الحراري الكوكبي ، وحوّل الميثان إلى ثاني أكسيد الكربون الأقل فاعلية ، وأطلق سلسلة من العصور الجليدية المعروفة باسم Huronian Glaciation. لكن الأكسجين جزيء غني بالطاقة ، كما أنه عزز التنوع والنشاط على الكوكب ، كمصدر جديد قوي للوقود للكائنات الحية.
سبب هذا الحدث الدراماتيكي؟ أصغر المخلوقات: البكتيريا الزرقاء الصغيرة التي تعيش في المحيط (المعروفة أحيانًا باسم الطحالب الخضراء المزرقة) التي طورت قوة خارقة جديدة لم يسبق لها مثيل على كوكب الأرض: التمثيل الضوئي. كانت هذه القدرة الفريدة - للحصول على الطاقة من ضوء الشمس وإطلاق الأكسجين كمنتج نفايات - خطوة ثورية بالنسبة لمخلوق صغير جدًا. لقد غير العالم حرفيا.
صورة القمر الصناعي للبكتيريا الزرقاء تزهر في بحيرة إيري ، 2009. Credit: NASA and NOAA Coastwatch-Great Lakes
ولكن هناك لغز في قلب حدث الأكسدة العظيم. وهذا هو التوقيت. طورت البكتيريا الزرقاء عملية التمثيل الضوئي بين 3.4 و 2.9 مليار سنة مضت - ما لا يقل عن 500 مليون سنة قبل الأكسدة العظمى. كانت هناك مجموعة متنوعة من النظريات المقترحة ، ولكن لم يكن أي منها نهائيًا تمامًا. لقد شغل فهم هذه الفجوة بين أصل عملية التمثيل الضوئي وإعادة تشكيل الغلاف الجوي للأرض أذهان عالم معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا جريج فورنييه وزملاؤه ، الذين نشروا ورقة بحثية جديدة تستكشف هذا السؤال.
هناك طريقتان لقياس الماضي البعيد. تمكن علماء الكيمياء الجيولوجية من قياس الأكسدة في الصخور القديمة منذ 3.5 مليار سنة. يعتبر الأكسجين المنتج بيولوجيًا هو المصدر الأكثر احتمالاً لهذه الأكسدة ، وإن لم يكن المصدر الوحيد ، ويوفر تقديرًا معقولاً لبداية عملية التمثيل الضوئي. تتضمن طريقة أخرى ما يسمى بالتأريخ على مدار الساعة الجزيئية ، والتي تنظر في سجل الحفريات لقياس معدل التغيرات الجينية بمرور الوقت. هذه الطريقة مفيدة ، لكنها تعتمد بشكل كبير على نوعية الحفريات القديمة.
استخدم فريق فورنييه تقنية جديدة لتحليل جينات البكتيريا الزرقاء. درسوا نقل الجينات الأفقي. يحدث هذا عندما تقفز الجينات من نوع إلى آخر ، بعد أن تؤكل ، على سبيل المثال (على عكس نقل الجينات العمودي ، الذي يحدث من الأب إلى الطفل). باستخدام هذه الطريقة ، من الممكن تحديد تاريخ بعض الأنواع ، لأن الأنواع التي تلقت الجين دائمًا ما تكون أصغر سناً من الأنواع التي نشأت فيها. من خلال فحص الآلاف من أنواع البكتيريا الحديثة ، تمكنوا من العثور على ما لا يقل عن 34 مثالاً للجين الأفقي نقل في تاريخ البكتيريا الزرقاء. ثم قارن الفريق هذه النتائج بنماذج التأريخ على مدار الساعة الجزيئية ، ومنحهم أفضل تقدير حتى الآن لأصل البكتيريا الزرقاء الحديثة.
تظهر النتائج أن جميع البكتيريا الزرقاء التي تعيش اليوم يمكن إرجاعها إلى سلف مشترك منذ 2.9 مليار سنة ، وأن أسلاف البكتيريا الزرقاء تشعبت من بكتيريا أخرى منذ حوالي 3.4 مليار سنة. يجب أن يكون التمثيل الضوئي قد بدأ في مكان ما بينهما.
البكتيريا الزرقاء بتكبير 2400 مرة. الائتمان: أرشيف جوزيف ريشيج ، ويكيميديا كومنز.
أما بالنسبة للفجوة بين هذا التاريخ والأكسدة العظمى ، فقد يكون الأمر مجرد مسألة مقياس. ربما انتشر التمثيل الضوئي ببطء ، واستغرق بضعة ملايين من السنين قبل أن يصل إلى نقطة التحول ويبدأ الحدث العالمي. أظهر بحث فورنييه أنه قبل الأكسدة العظيمة مباشرة ، كانت هناك فترة دراماتيكية مفاجئة من التنوع في أنواع البكتيريا الزرقاء. خلال هذا الوقت ، شهدت البكتيريا الزرقاء فترة نمو هائل في جميع أنحاء العالم ، وربما كان هذا التوسع هو الذي غطى الغلاف الجوي للأرض بالأكسجين الجزيئي.
هذا البحث مثير لعدة أسباب. فهي لا تقدم فقط أحد أفضل التفسيرات حتى الآن لحدث الأكسدة العظيم ، ولكن التقنية الجديدة التي طوروها تفتح أيضًا نافذة على فترات من ماضي الأرض كان يُعتقد أنها فقدت إلى الأبد بسبب ويلات الزمن. كما يوضح فورنييه ، 'يُظهر هذا العمل أن الساعات الجزيئية التي تتضمن عمليات نقل الجينات الأفقية تعد بتوفير أعمار المجموعات بشكل موثوق عبر شجرة الحياة بأكملها ، حتى بالنسبة للميكروبات القديمة التي لم تترك أي سجل أحفوري ... وهو أمر كان مستحيلًا في السابق.'
أما بالنسبة للبكتيريا الزرقاء ، فهي لا تزال هنا ، تنتج الأكسجين في محيطاتنا وبحيراتنا في جميع أنحاء العالم. من خلال التمثيل الضوئي ، بدأ هؤلاء الباحثون الصغار حقبة جديدة للحياة على الأرض منذ ملايين السنين ، والتي بدونها سيبدو كوكبنا مختلفًا تمامًا اليوم.
يتعلم أكثر:
جينيفر تشو التركيز على أصول 'الابتكار التطوري الوحيد الأكثر أهمية للأرض 'أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
جي بي فورنييه ، كيه آر مور ، إل تي رانجيل ، جي جي باييت ، إل مومبر وتي بوساك ، ' الأصل القديم لعملية التمثيل الضوئي الأكسجين والأنساب البكتيرية الزرقاء الموجودة. وقائع الجمعية الملكية ب.
