كانت الأرض في يوم من الأيام “كرة خضراء” قبل أن تتحول محيطاتها إلى اللون الأزرق

عندما ينظر رواد الفضاء إلى كوكبنا من الفضاء، يُطلقون عليه اسم “الكرة الزرقاء”، لكن هذا اللون المميز، الذي يعكس المحيطات الشاسعة والسماء المشمسة، قد يكون مظهرًا جديدًا نسبيًا. تعمق أكثر في ماضي الأرض – قبل حوالي 2.5 إلى 4 مليارات سنة – وقد ترى لونًا مختلفًا تمامًا.

يزعم العلماء الآن أن محيطات الأرض كانت في يوم من الأيام تتلألأ باللون الأخضر، وليس الأزرق.

لم تكن هذه المياه الزمردية مجرد غرابة جيولوجية، بل كانت مهدًا للتطور، وخاصة لواحد من أكثر المهندسين المعماريين تأثيرًا في الحياة: البكتيريا الزرقاء.

تدرس دراسة حديثة أجراها تارو ماتسو وفريقه في جامعة ناغويا ، والتي نُشرت في مجلة Nature Ecology & Evolution ، تصورًا جديدًا للمحيط الحيوي المبكر للأرض.

ومن خلال استكشاف كيفية تسرب الضوء تحت الماء عبر البحار الغنية بالحديد، يقدم الباحثون فرضية جريئة: وهي أن تطور الأنظمة الضوئية للبكتيريا الزرقاء كان له تأثير عميق على وجود الضوء الأخضر.

قد يغير عالم المحيط الأخضر هذا كيفية إدراكنا للحياة على الكواكب الأخرى – وكيفية رؤيتنا لبداياتنا.

كانت المحيطات المبكرة غنية بالحديد وخضراء

قبل أربعة مليارات ونصف المليار سنة، تشكلت الأرض من حطام كوني. ولم تظهر الحياة إلا بعد حوالي 3.7 مليار سنة.

قبل ظهور الخلايا الأولى، غطت المحيطات سطح الكوكب، لكن مظهرها اختلف اختلافًا كبيرًا عما نراه اليوم.

ضخت الفتحات الحرارية المائية ، التي انفجرت عبر قيعان المحيطات، الحديد المختزل (Fe(II)) إلى الماء، فملأت البحار بالحديد الحديدي.

حدّدت هذه التركيبة الكيميائية تفاعل المحيطات في بداياتها مع ضوء الشمس. فمع انعدام الأكسجين في الغلاف الجوي ووفرة الحديد الثنائي، افتقرت المحيطات إلى خاصية الانعكاس التي تتميز بها مياهها الزرقاء اليوم.

لم يكن هناك أوزون يحجب الأشعة فوق البنفسجية، ولا نباتات برية تُغيّر الغلاف الجوي. بل كانت لهذه المحيطات المشبعة بالحديد علاقة غريبة مع الضوء – علاقة تميل نحو اللون الأخضر.

مع وصول البكتيريا الزرقاء، بدأ الأكسجين بالظهور في الماء . حوّل هذا الأكسجين الحديد الثلاثي إلى حديد ثلاثي، وهو حديد غير قابل للذوبان، مُشكّلاً جزيئات تشبه الصدأ.

غرقت هذه الجسيمات ببطء، لكنها لم تختفِ سريعًا. بل بقيت عالقةً وأثرت على الضوء المتسرب إلى أعماق المحيط.

الضوء الأخضر يشكل مسارات التطور

كان للحديد الثلاثي، المعلق في الماء على شكل هيدروكسيد حديد ناعم، تأثير بصري قوي. فقد امتصّ الأطوال الموجية الحمراء والزرقاء، وسمح بمرور الضوء الأخضر.

نتيجةً لذلك، اكتسبت المحيطات نفسها لونًا أخضر. لو كان أحدٌ هناك لشهد ذلك، لرأى مياه الأرض تتوهج بلون الزمرد.

كان لهذه البيئة المواتية عواقب وخيمة على الكائنات الحية التي تعيش فيها. بدأت البكتيريا الزرقاء ، وهي من أوائل الكائنات الحية التي أتقنت عملية البناء الضوئي، بالتكيف.

كانوا يستخدمون بالفعل الكلوروفيل أ، وهو صبغة تمتص الضوء الأحمر والأزرق. لكن تحت الضوء الأخضر، يُصبح الكلوروفيل أ أقل فعالية بكثير.

للبقاء على قيد الحياة، طورت البكتيريا الزرقاء فيكوبيليسومات، وهي هياكل كبيرة تشبه قرون الاستشعار، مليئة بأصباغ إضافية. من بين هذه الأصباغ، أثبت فيكوإريثروبيلين (PEB) أهميته البالغة.

امتصّ الضوء الأخضر ونقل تلك الطاقة إلى الكلوروفيل أ لعملية البناء الضوئي. مكّنت هذه التراكيب البكتيريا الزرقاء من الهيمنة على المحيطات في بداياتها.

قال ماتسو في بيان: “كشف التحليل الجيني أن البكتيريا الزرقاء تمتلك بروتين فيكوبيلين متخصصًا يُسمى فيكوإيرثرين، يمتص الضوء الأخضر بكفاءة. نعتقد أن هذا التكيف سمح لها بالازدهار في المحيطات الخضراء الغنية بالحديد”.

محاكاة محيطات الأرض الخضراء المبكرة

لاختبار نظريتهم، أجرى ماتسو وزملاؤه محاكاة رقمية مفصلة، ​​لإعادة بناء بيئة الضوء تحت الماء من العصر الأركي. أخذت هذه المحاكاة في الاعتبار كيمياء المحيطات ، وانتشار الضوء، وامتصاص الصبغة.

اكتشفوا أنه على أعماق تتراوح بين 5 و20 مترًا (16 إلى 66 قدمًا)، تُنشئ جسيمات هيدروكسيد الحديد نافذة ضوء أخضر مستمرة. حتى التغيرات العشرية في تركيز الجسيمات لم تُحدث تغييرًا كبيرًا في الطيف.

في ظل هذه الظروف، سيطر الضوء الأخضر، متطابقًا تمامًا مع نطاق امتصاص PEB. منحت الفيكوبيليسومات المجهزة بـ PEB البكتيريا الزرقاء ميزة تطورية.

بالإضافة إلى النماذج، أجرى الفريق تجارب جينية، حيث عدّل سلالات من البكتيريا الزرقاء لإنتاج PEB.

عند تعرضها للضوء الأخضر، تفوقت السلالات المعدلة على السلالات البرية. كان نقل الطاقة فعالاً للغاية لدرجة أن بروتين PEB لم يعد بحاجة إلى شريكه البروتيني المعتاد، الفيكوإيريثرين، بل كان قادرًا على العمل عن طريق الارتباط مباشرةً بالفيكوسيانين.

المسطحات المائية تتطابق مع المحيطات الخضراء القديمة

مع ذلك، لم تكن عمليات المحاكاة ونتائج المختبرات كافيةً لماتسو. ففي عام ٢٠٢٣، سافر إلى جزيرة إيوو، وهي جزء من أرخبيل ساتسونان الياباني.

هناك، قدّمت الطبيعة نظيرًا نادرًا لمحيطات الأرض القديمة . تُطلق الفتحات الحرارية المائية أسفل الجزيرة Fe(II)، الذي يتأكسد إلى هيدروكسيد الحديد – تمامًا كما حدث في المحيطات المبكرة، قبل مليارات السنين.

“من القارب، تمكنا من رؤية أن المياه المحيطة كانت ذات بريق أخضر مميز بسبب هيدروكسيدات الحديد، تمامًا كما تخيلت أن الأرض كانت تبدو في السابق”، قال ماتسو.

أكدت القياسات على عمق 5.5 متر (18 قدمًا) هيمنة الضوء الأخضر، وأظهر تحليل الفلورسنت أن البكتيريا الزرقاء على هذا العمق تحتوي على كمية أكبر من PEB مقارنةً بتلك الموجودة على السطح. وكان ذلك بمثابة صدى عصري مثالي للعالم القديم.

الفيكوبيليسومات هي أدوات تولد من الضوء

تظل الفيكوبيليسومات سمةً مميزةً للبكتيريا الزرقاء. تتكون هذه البُنى من ثلاثة بروتينات رئيسية – فيكوإريثرين (PE)، وفيكوسيانين (PC)، وألوفيكوسيانين (APC). وقد تطورت هذه البُنى لامتصاص الضوء في نطاق من الأطوال الموجية.

في محيطات الأركيا، كانت قدرة البولي إيثيلين على امتصاص الضوء الأخضر ونقله إلى الكلوروفيل أ لا مثيل لها.

تشير التحليلات التطورية إلى أن حتى أقدم أنواع البكتيريا الزرقاء امتلكت نظام PE-PC-APC كاملًا. مع مرور الوقت، فقدت بعض البكتيريا الزرقاء نظام PE، وخاصةً تلك التي تكيفت مع ظروف إضاءة أكثر سطوعًا أو مختلفة. ولكن بالنسبة للكائنات الأولى التي عاشت في المحيطات الخضراء، كان نظام PE بالغ الأهمية.

أظهر تحليلٌ إضافيٌّ أن نقل الطاقة من PEB كان أكثر كفاءةً من نقلها من الكاروتينات مثل بيتا كاروتين. في الواقع، كانت المسافة التي يمكن لـ PEB نقل الطاقة عبرها إلى الكلوروفيل أكبر بحوالي سبعة أضعاف.

وهذا يعني أنه حتى في ظروف الإضاءة المنخفضة، فإن الفيكوبيليسومات المليئة بـ PEB حافظت على استمرار عملية التمثيل الضوئي.

لماذا المحيطات الخضراء على الأرض مهمة؟

تمتد آثار المحيطات الخضراء إلى ما هو أبعد من تاريخ الأرض، فهي تُعيد صياغة كيفية اكتشافنا للحياة في العوالم الفضائية.

تقليديًا، بحث علماء الفلك عن الكواكب الزرقاء، مفترضين أن الماء يعكس هذا اللون، لكن كما أظهر فريق ماتسو، تبدو المحيطات الغنية بهيدروكسيد الحديد أكثر إشراقًا واخضرارًا من مسافة بعيدة.

أوضح قائلًا: “تُظهر بيانات الاستشعار عن بُعد أن المياه الغنية بهيدروكسيد الحديد، مثل تلك المحيطة بجزيرة إيوو في أرخبيل ساتسونان، تبدو أكثر سطوعًا بشكل ملحوظ من المحيطات الزرقاء النموذجية. وهذا يدفعنا إلى الاعتقاد بأن المحيطات الخضراء قد تكون قابلة للرصد من مسافة أبعد، مما يُسهّل رصدها”.

في بحثهم عن حياة خارج كوكب الأرض، قد يُحسن العلماء صنعًا لو وسعوا نطاق خياراتهم، قد يُشير اللون الأخضر إلى محيطات تزخر بالنشاط الميكروبي، وتتشكل بفعل الكيمياء تمامًا كما كانت محيطات الأرض سابقًا.

ما تعلمناه من هذه الدراسة

لم تكن نافذة الضوء على الأرض ثابتة دائمًا، قبل حدث الأكسدة العظيم (GOE)، كانت بيئة الضوء على الكوكب تميل إلى اللون الأخضر.

بعد العصر الجليدي العظيم، ومع ارتفاع مستويات الأكسجين وانخفاض مستوى الحديد، صفت المحيطات، وتحولت نافذة الضوء نحو اللون الأبيض.

تطورت النباتات البرية تحت هذا الضوء الأبيض، وفقدت البكتيريا الزرقاء على اليابسة حاجتها إلى البولي إيثيلين.

مع ذلك، في البيئات المائية المعتمة، ظلّ البولي إيثيلين ضروريًا، وهكذا، يعكس تطور الفيكوبيليسومات التحولات الجوية والمحيطية للأرض.

فقد دفعت كل مرحلة من مراحل الضوء إلى تكيفات جديدة، ومهدت الطريق لتوسع الحياة وتنوعها.

لم يكن ماتسو مقتنعًا دائمًا. قال: “عندما بدأتُ التفكير في الفكرة عام ٢٠٢١، كان تشككي يغلب عليّ، لكن الآن، وبعد سنوات من البحث، ومع ترابط الرؤى الجيولوجية والبيولوجية تدريجيًا كقطع أحجية، تحول تشككي إلى قناعة راسخة”.

والآن ترسم هذه القناعة صورة مختلفة للأرض في مراحلها المبكرة، حيث كانت عبارة عن كرة خضراء شاحبة حيث نحت الضوء الحياة بطرق غير متوقعة.