يشكل الأكسجين 21٪ من الغلاف الجوي للأرض ، ونحن بحاجة إليه للتنفس. طورت البكتيريا القديمة إنزيمات واقية تمنع الأكسجين من إتلاف الحمض النووي ، ولكن ما الحافز التطوري الذي كان عليهم القيام به؟ اكتشف الباحثون أن الأشعة فوق البنفسجية التي تضرب سطح الجليد الجليدي يمكن أن تطلق الأكسجين الجزيئي. كانت مستعمرات البكتيريا التي تعيش بالقرب من هذا الجليد بحاجة إلى تطوير هذا الدفاع الوقائي. ثم كانت مجهزة تجهيزًا جيدًا للتعامل مع نمو الأكسجين الجوي الناتج عن البكتيريا الأخرى التي عادة ما تكون سامة.
قبل مليارين ونصف مليار سنة ، عندما كان أسلافنا التطوريون أكثر من مجرد وميض في غشاء بلازما البكتيريا ، اكتسبت العملية المعروفة باسم التمثيل الضوئي فجأة القدرة على إطلاق الأكسجين الجزيئي في الغلاف الجوي للأرض ، مما تسبب في واحدة من أكبر التغيرات البيئية في تاريخ كوكبنا. كانت الكائنات الحية المفترضة هي البكتيريا الزرقاء ، والتي من المعروف أنها طورت القدرة على تحويل الماء وثاني أكسيد الكربون وضوء الشمس إلى أكسجين وسكر ، ولا تزال موجودة اليوم مثل الطحالب الخضراء المزرقة والبلاستيدات الخضراء في جميع النباتات الخضراء.
لكن الباحثين كانوا في حيرة منذ فترة طويلة حول كيف يمكن للبكتيريا الزرقاء أن تصنع كل ذلك الأكسجين دون تسميم نفسها. لتجنب تحطيم الحمض النووي الخاص بهم بواسطة جذر الهيدروكسيل الذي يحدث بشكل طبيعي في إنتاج الأكسجين ، كان على البكتيريا الزرقاء تطوير إنزيمات واقية. ولكن كيف يمكن أن يؤدي الانتقاء الطبيعي إلى البكتيريا الزرقاء لتطوير هذه الإنزيمات إذا لم تكن الحاجة إليها موجودة حتى الآن؟
الآن ، تقدم مجموعتان من الباحثين في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا شرحًا لكيفية تجنب البكتيريا الزرقاء هذا التناقض اليائس على ما يبدو. التقارير في وقائع 12 ديسمبر من الأكاديمية الوطنية للعلوم (PNAS) ومتاحة على الإنترنت هذا الأسبوع ، تثبت المجموعات أن الضوء فوق البنفسجي الذي يضرب سطح الجليد الجليدي يمكن أن يؤدي إلى تراكم المؤكسدات المجمدة وإطلاق الأكسجين الجزيئي في نهاية المطاف في المحيطات والغلاف الجوي. يمكن أن يؤدي هذا القطر من السم إلى دفع إنزيمات حماية الأكسجين في مجموعة متنوعة من الميكروبات ، بما في ذلك البكتيريا الزرقاء. وفقا ليوك يونغ ، أستاذ علوم الكواكب ، وجو كيرشفينك ، أستاذ فان وينجن للجيولوجيا ، فإن حل الأشعة فوق البنفسجية فوق البنفسجي "بسيط وأنيق إلى حد ما".
يوضح كيرشفينك: "قبل ظهور الأكسجين في الغلاف الجوي ، لم يكن هناك شاشة أوزون لمنع الضوء فوق البنفسجي من الوصول إلى السطح". "عندما يضرب ضوء الأشعة فوق البنفسجية بخار الماء ، فإنه يحول بعض هذا إلى بيروكسيد الهيدروجين ، مثل الأشياء التي تشتريها في السوبر ماركت لتبييض الشعر ، بالإضافة إلى القليل من غاز الهيدروجين.
"عادة لن يستمر هذا البيروكسيد طويلاً بسبب ردود الفعل الخلفية ، ولكن أثناء التجلد ، يتجمد بيروكسيد الهيدروجين عند درجة واحدة تحت نقطة تجمد الماء. إذا كانت الأشعة فوق البنفسجية قد اخترقت سطح الجليد الجليدي ، فإن كميات صغيرة من البيروكسيد قد تكون محاصرة في الجليد الجليدي ". تحدث هذه العملية في الواقع اليوم في القارة القطبية الجنوبية عندما يتشكل ثقب الأوزون ، مما يسمح لضوء الأشعة فوق البنفسجية القوي بضرب الجليد.
قبل أن يكون هناك أي أكسجين في الغلاف الجوي للأرض أو أي شاشة للأشعة فوق البنفسجية ، كان الجليد الجليدي يتدفق إلى أسفل إلى المحيط ، ويذوب ، ويطلق كميات ضئيلة من البيروكسيد مباشرة إلى مياه البحر ، حيث يحول نوع آخر من التفاعل الكيميائي البيروكسيد مرة أخرى إلى ماء والأكسجين. حدث هذا بعيدًا عن ضوء الأشعة فوق البنفسجية الذي من شأنه أن يقتل الكائنات الحية ، لكن الأكسجين كان عند مستويات منخفضة لدرجة أن البكتيريا الزرقاء كانت ستتجنب تسمم الأكسجين.
يقول كيرشفينك: "كان المحيط مكانًا جميلًا لتطور إنزيمات حماية الأكسجين". "وحالما كانت هذه الإنزيمات الواقية في مكانها ، مهدت الطريق لتطور عملية التمثيل الضوئي للأكسجين ، وللتنفس الهوائي بحيث يمكن للخلايا أن تتنفس الأكسجين كما نفعل".
يأتي الدليل على هذه النظرية من حسابات المؤلف الرئيسي داني ليانغ ، وهو خريج حديث في علوم الكواكب في Caltech وهو الآن في مركز أبحاث التغيرات البيئية في Academia Sinica في تايبيه ، تايوان.
وفقًا لـ Liang ، حدث تجميد خطير معروف باسم كوكب كرة الثلج Makganyene قبل 2.3 مليار سنة ، في الوقت الذي طورت فيه البكتيريا الزرقاء قدراتها على إنتاج الأكسجين. خلال حلقة Snowball Earth ، كان يمكن تخزين ما يكفي من البيروكسيد لإنتاج ما يقرب من الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي الآن.
وكدليل إضافي ، فإن مستوى الأكسجين المقدر هذا كاف أيضًا لشرح ترسب حقل كالاهاري المنغنيز في جنوب أفريقيا ، التي تحتوي على 80 في المائة من الاحتياطيات الاقتصادية للمنغنيز في العالم بأسره. يقع هذا الإيداع مباشرة فوق آخر أثر جيولوجي للكرة الثلجية Makganyene.
يقول ليانغ: "اعتدنا أن نعتقد أنه كان ازهرًا بكتريا سيانوية بعد هذا التجلد الذي ألقى المنغنيز من مياه البحر". "ولكن ربما يكون الأكسجين من تحلل البيروكسيد بعد كرة الثلج هو الذي فعل ذلك".
بالإضافة إلى Kirschvink و Yung و Liang ، فإن المؤلفين الآخرين هم Hyman Hartman من مركز الهندسة الطبية الحيوية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وروبرت كوب ، وهو طالب دراسات عليا في علم الجيولوجيا في Caltech. كان هارتمان ، إلى جانب كريس ماكاي من مركز أبحاث أميس التابع لوكالة ناسا ، من أوائل الدعاة للدور الذي لعبه بيروكسيد الهيدروجين في أصل وتطور عملية التمثيل الضوئي للأكسجين ، لكنهم لم يتمكنوا من تحديد مصدر غير عضوي جيد لها في بيئة ما قبل العصر الكمبري.
المصدر الأصلي: نشرة أخبار Caltech
