ما هو المعدن الأساسي للحياة على الأرض منذ حوالي 4 مليارات سنة؟

يستخدم كل كائن حي كميات ضئيلة من المعادن للقيام بوظائف بيولوجية، بما في ذلك التنفس، ونسخ الحمض النووي، وتحويل الطعام إلى طاقة، أو أي عدد من العمليات الحيوية الأساسية.

لقد استخدمت الحياة المعادن بهذه الطريقة منذ أن كانت الكائنات وحيدة الخلية تطفو في محيطات الأرض الأولى. إن ما يقرب من نصف الإنزيمات ـ البروتينات التي تنفذ التفاعلات الكيميائية في الخلايا ـ داخل الكائنات الحية تتطلب المعادن، وكثير منها معادن انتقالية سميت بهذا الاسم نسبة إلى المساحة التي تشغلها في الجدول الدوري.

والآن يزعم فريق من العلماء من جامعة ميشيغان ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس أن الحديد كان أقدم المعادن الانتقالية التي ظهرت على سطح الأرض، وهو المعدن الوحيد الذي استخدم في المراحل الانتقالية الأولى. وقد نشرت دراستهم التي حملت عنوان “الحديد: المعدن الانتقالي البدائي الذي ظهرت عليه الحياة” في دورية وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.

قالت جينا جونسون، الأستاذة المساعدة في قسم علوم الأرض والبيئة في جامعة ميشيغان: “لقد قدمنا اقتراحًا جذريًا: كان الحديد هو المعدن الانتقالي الأصلي والوحيد للحياة، ونحن نزعم أن الحياة اعتمدت فقط على المعادن التي يمكنها التفاعل معها، وأن المحيط المبكر الغني بالحديد من شأنه أن يجعل المعادن الانتقالية الأخرى غير مرئية بشكل أساسي”.

ولاستكشاف هذه الفكرة، انضم جونسون إلى جوان فالنتين، الأستاذة بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، وتيد بريزينت، الباحث بمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

كانت فالنتين، وهي عالمة كيمياء حيوية غير عضوية، مهتمة بكيفية تطور الحياة المبكرة من كونها مجهرية إلى تكاثر الكائنات الحية المعقدة الموجودة اليوم.

وعلى وجه التحديد، تساءلت عن المعادن التي تم دمجها في الإنزيمات أثناء الحياة المبكرة حتى تتمكن الكائنات الحية من تنفيذ العمليات الحيوية الضرورية.

المحيطات كانت مليئة بالحديد خلال النصف الأول من تاريخ الأرض

سمعت مرارًا وتكرارًا باحثين آخرين يقولون إن المحيطات كانت مليئة بالحديد خلال النصف الأول من تاريخ الأرض.

“يجب أن تدرك أنه في مجالي الكيمياء الحيوية والكيمياء الحيوية غير العضوية، وفي الطب وفي الحياة، يعتبر الحديد عنصرًا نادرًا. هذه العناصر موجودة فقط بكميات صغيرة”، كما قال فالنتين. “عندما أخبرني هؤلاء الرجال أن الحديد ليس عنصرًا نادرًا، أذهلني ذلك”.

كان جونسون، الذي تدرس مجموعته تكوينات الحديد والكيمياء الحيوية للمحيطات في وقت مبكر، وتيد بريزينت على دراية بالأدلة الجيولوجية التي تشير إلى أن المحيطات المبكرة كانت غنية بالحديد – على وجه التحديد، أيون الحديد المسمى Fe (II).

يمكن إذابة Fe (II) بسهولة في الماء وكان من الممكن أن يكون المعدن الأساسي الموجود في المحيطات خلال العصر الأركي، وهي فترة جيولوجية بدأت منذ حوالي 4 مليارات سنة وانتهت منذ حوالي 2.5 مليار سنة.

تميزت نهاية الدهر الأركي بما يسمى بحدث الأكسجين العظيم، في هذا الوقت، طورت الحياة القدرة على أداء التمثيل الضوئي المنتج للأكسجين.

وعلى مدار المليار سنة التالية، تحول محيط الأرض من بحر غني بالحديد وخالٍ من الأكسجين إلى جسم مائي مؤكسج اليوم، وفقًا للباحثين. أدى هذا أيضًا إلى أكسدة Fe (II) إلى Fe (III)، مما جعله غير قابل للذوبان.

وفي حين قال جونسون وبريزنت إن الجيولوجيين كانوا يعرفون عن انتشار الحديد على الأرض خلال هذا الوقت، إلا أنهم لم يدركوا مدى التأثير الكبير الذي ربما كان للحديد على الحياة المبكرة إلا بعد أن بدأوا في التحدث مع فالنتاين.

التوقعات الخاصة بتركيزات بعض المعادن

ولدراسة التأثير المحتمل، صمم بريزنت نموذجًا قام بتحديث التوقعات الخاصة بتركيزات بعض المعادن، بما في ذلك الحديد والمنجنيز والكوبالت والنيكل والنحاس والزنك، والتي ربما كانت متوفرة في محيطات الأرض عندما بدأت الحياة. وقال إن المجموعة تمكنت من تقدير الحد الأقصى لتركيز وتوافر هذه العناصر في أقدم أشكال الحياة.

“إن الشيء الذي تغير بشكل كبير مع وقوع حدث الأكسجين العظيم لم يكن في الحقيقة تركيز هذه العناصر النزرة الأخرى”، كما يقول بريزنت. “إن الشيء الذي تغير بشكل كبير كان انخفاض تركيزات الحديد المذاب، ولم يتم التعامل حقًا مع الآثار المترتبة على ما يعنيه ذلك بالنسبة للحياة وكيفية “رؤيتها” للعناصر في الماء”.

وبمجرد أن تمكنت المجموعة من تحديد المعادن المتوفرة في المحيطات المبكرة، قاموا باستكشاف المعادن التي ترتبط بها الجزيئات الحيوية البسيطة في هذه المحاليل الغنية بالحديد.

الحديد يجب أن يقوم بكل شيء تقريبًا

قال جونسون “لقد أدركنا أن الحديد يجب أن يقوم بكل شيء تقريبًا”، مضيفا “الجزيئات الحيوية قادرة على التقاط المغنيسيوم والحديد، ولكن الزنك لا يستطيع ذلك ـ وربما يستطيع النيكل أن يلتقط بعض الجزيئات الحيوية في ظل الظروف المناسبة، ولكن الزنك لا يتمتع بالقدرة على المناف، والكوبالت غير مرئي، والمنجنيز غير مرئي إلى حد كبي، ولقد كان لهذا الفارق الكبير في تركيز الحديد في المحيطات تأثير ملموس حقاً على ما تستطيع الجزيئات الحيوية أن “تراه” وترتبط به من البيئة”.

لتحديد ما إذا كان الحديد سيعمل في الإنزيمات المعدنية التي تعتمد حاليًا على معادن أخرى، قام فالنتاين وجونسون بالبحث في الأدبيات العلمية لمعرفة كيف تستخدم الحياة بعض المعادن اليوم.

وفي كل حالة، وجدوا أمثلة لكيفية استبدال الحديد أو المغنيسيوم، وفي حين قد يستخدم الإنزيم المعدني نوعًا معينًا من المعادن، مثل الزنك، فقد وجدوا أن هذا لا يعني أنه المعدن الوحيد الذي يمكن للإنزيم استخدامه.

“يعد الزنك والحديد مثالاً دراماتيكيًا حقًا لأن الزنك ضروري للغاية للحياة الآن”، كما قالت فالنتين، “كانت فكرة الحياة بدون الزنك صعبة للغاية بالنسبة لي حتى تعمقنا في هذا الأمر وأدركنا أنه طالما لم يكن هناك أكسجين حولك لأكسدة الحديد من Fe (II) إلى Fe (III)، فإن الحديد غالبًا ما يكون أفضل من الزنك في هذه الإنزيمات”.

وقال الحاضرون إنه بمجرد أكسدة الحديد وعدم توفره بيولوجيًا كما كان قبل حدث الأكسجين العظيم، كان على الحياة أن تجد معادن أخرى لتوصيلها إلى إنزيماتها.

يقول بريزنت: “إن الحياة، في مواجهة كميات هائلة من الحديد تفوق كميات المعادن الأخرى، لم يكن بوسعها أن تتطور إلى مثل هذه الطريقة المعقدة في التعامل مع هذه المعادن، لقد أجبر انخفاض وفرة الحديد الحياة على التعامل مع هذه المعادن الأخرى من أجل البقاء، ولكن هذا مكنها أيضًا من نشوء وظائف جديدة وتنوع الحياة التي نحياها اليوم”.