باحثون يكشفون كيف ساهم تباطؤ دوران الأرض في زيادة كمية الأكسجين في الغلاف الجوي

طقس العرب - أصبح تنفس الإنسان والكائنات الحية ممكنًا على هذا الكوكب لأنه منذ بلايين السنين، بدأت الحصائر الكثيفة من البكتيريا الزرقاء في بداية الحياة على الأرض، في إنتاج الأكسجين كناتج ثانوي من عملية التمثيل الضوئي، هكذا قدر الله سبحانه وتعالى للحياة على الأرض أن تتطور، ولكن العلماء ما زالوا لا يعرفون على وجه اليقين ما الذي أدى إلى تحويل الأرض إلى عالم غني بالأكسجين، حيث يمكن للكائنات المعقدة أن تتطور وتتنوع!

إليكم فكرة جديدة حول كيفية تحول الأرض إلى كوكب غني بالأكسجين:

حدد الباحثون عاملًا جديداً مهمًا كان له دور في تحفيز إطلاق الأكسجين الناتج عن هذه الميكروبات، وهو التباطؤ في دوران الأرض الذي بدأ منذ حوالي 2.4 مليار سنة.

كانت الأرض تدور بسرعة أكبر عندما كانت كوكبًا حديث الولادة، لكنها تباطأت تدريجيًا على مدى مئات الملايين من السنين. بمجرد وصول طول اليوم إلى عتبة معينة، هذا وفّر فترات أطول من ضوء الشمس الذي مكن المزيد من جزيئات الأكسجين من الخروج من مناطق التركيز العالي (داخل حصائر البكتيريا) إلى مناطق التركيز المنخفض (الغلاف الجوي)، حسب فيزياء الانتشار الجزيئي.

وجد العلماء مؤخرًا أدلة على هذا الرابط في حفرة في قاع بحيرة هورون، في الولايات المتحدة وكندا، وبحيرة هورون هي واحدة من أكبر بحيرات المياه العذبة في العالم. يبلغ قطر حفرة الجزيرة الوسطى بالبحيرة (91 مترًا) وتقع حوالي (24 مترًا) تحت السطح. هناك، تغذي المياه الغنية بالكبريت الميكروبات الملونة التي تزدهر في بيئة منخفضة الأكسجين، مثلما فعلت أشكال البكتيريا المبكرة على الأرض.

(صخور مغطاة بحصائر ميكروبية أرجوانية وبيضاء ، داخل مجوعة الجزيرة الوسطى في بحيرة هورون)

البكتيريا المنتجة للأكسجين

تعيش في أعماق المياه الباردة نوعان من الميكروبات:

• البكتيريا الزرقاء التي تبحث عن ضوء الشمس، والتي تنتج الأكسجين من خلال عملية التمثيل الضوئي. 
• البكتيريا البيضاء، التي تستهلك الكبريت وتطلق الكبريتات بدلاً من ذلك.

تتنافس الميكروبات على مدار اليوم ، حيث تغطي البكتيريا الآكلة للكبريت جيرانها الأرجواني في ساعات الصباح والمساء، مما يمنع وصول الميكروبات الأرجوانية إلى الشمس. ومع ذلك ، عندما يكون ضوء النهار أقوى ، فإن الميكروبات البيضاء تتجنب الضوء وتهاجر إلى عمق المجرى ، تاركة البكتيريا الزرقاء الأرجوانية مكشوفة وبالتالي قادرة على التمثيل الضوئي وإطلاق الأكسجين.

كتب الباحثون في الدراسة أنه ربما كانت هناك منافسات مماثلة بين مجتمعات الميكروبات منذ مليارات السنين ، حيث أعاق تعرض البكتيريا المنتجة للأكسجين لأشعة الشمس من قبل الميكروبات المجاورة لها. بعد ذلك ، عندما أصبحت الأيام على الأرض أطول ، اكتسب صانعو الأكسجين وقتاً أطول من ضوء الشمس - وأطلقوا المزيد من الأكسجين في الغلاف الجوي.

المؤلف الرئيسي للدراسة، جوديث كلات، وهي عالمة أبحاث في معهد ماكس بلانك للأحياء الدقيقة البحرية في بريمن بألمانيا، قالت: "لقد أدركنا أن هناك صلة أساسية بين ديناميات الضوء وإطلاق الأكسجين ، وأن هذا الارتباط يرتكز على فيزياء الانتشار الجزيئي ،" عندما تتسبب التغيرات الحرارية في هجرة الجزيئات من مناطق التركيز الأعلى إلى المناطق الأقل. 

(صورة الحصائر الميكروبية الأرجوانية في بحيرة هورون، وهذه "الأصابع" الصغيرة ناتجة عن غازات مثل الميثان وكبريتيد الهيدروجين تتصاعد تحتها)

كيف تغير دوران الأرض

الآن ، تكمل الأرض دورانًا كاملاً حول محورها مرة واحدة كل 24 ساعة ، ولكن منذ أكثر من 4 مليارات سنة ، استمر اليوم حوالي ست ساعات فقط ، حسبما أفاد الباحثون.

على مدى مليارات السنين ، أدى تفاعل الأرض والقمر إلى إبطاء دوران الكوكب من خلال عملية تُعرف باسم احتكاك المد والجزر. عندما تدور الأرض، فإن جاذبية القمر (والشمس ، بدرجة أقل) تسحب محيطات الأرض، هذا يمد البحار بحيث تنتفخ بعيدًا عن مركز الأرض، مما يؤدي إلى سحب طاقة الدوران وإبطائها.

هروب الأكسجين من الحصائر الميكروبية

وضع الباحثون نموذجًا لسيناريوهات تختلف طول اليوم لهروب الأكسجين من الحصائر الميكروبية. عندما قارنوا نماذجهم بتحليل للحصائر الميكروبية المتنافسة المأخوذة من حفرة بالجزيرة الوسطى ، وجدوا تأكيدًا لتوقعاتهم: أطلقت بكتيريا التمثيل الضوئي المزيد من الأكسجين عندما كانت الأيام أطول.

لم يكن هذا بسبب أن الميكروبات أصبحت أكثر قدرة على التمثيل الضوئي، بل السبب هو أن الفترات الطويلة من ضوء الشمس تعني أن المزيد من الأكسجين يهرب من الحصائر في اليوم الواحد.

الغلاف الجوي للأرض وارتفاع تركيز الأكسجين

تشكل الغلاف الجوي للأرض بعد تشكل الكوكب وتبريده، منذ حوالي 4.6 مليار سنة ، وكان يتكون في الغالب من كبريتيد الهيدروجين والميثان وثاني أكسيد الكربون (CO2)، ما يعادل 200 ضعف كمية ثاني أكسيد الكربون الموجودة في الغلاف الجوي اليوم.

تغير كل هذا بعد حدث الأكسدة العظيم (GOE) منذ حوالي 2.4 مليار سنة (وهو ظهور البكتيريا الزرقاء بكميات كبيرة ارتفعت معها كمية الأكسجين في الغلاف الجوي ارتفاعاً هاماً) ، تلاه حدث الأكسجة في الأحياء الحديثة بعد حوالي 2 مليار سنة، مما رفع الأكسجين في الغلاف الجوي إلى المستوى الحالي البالغ حوالي 21٪.

تم ربط هذين الحدثين بالأكسجين سابقًا بنشاط البكتيريا الزرقاء التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي ، ويشير هذا الدليل الجديد إلى أن هناك عاملًا آخر لم يُنظر فيه إلى حد كبير سابقًا، وهو أن النهارأصبح طويلاً بما يكفي لتحفيز إطلاق المزيد من الأكسجين من الحصائر الميكروبية، حتى أصبح الغلاف الجوي للأرض غني بالأكسجين كما هو اليوم.

المصدر: Science