غواص يراقب الميكروبات الأرجواني والأبيض والأخضر التي تغطي الصخور في مجرى الجزيرة الوسطى في بحيرة هورون. الائتمان: فيل هارتمير ، محمية نوا ثاندر باي البحرية الوطنية
يوم طويل للميكروبات وظهور الأوكسجين على الأرض.
تقريبًا كل الأكسجين الموجود على الأرض كان ولا يزال ينتج عن طريق التمثيل الضوئي ، الذي اخترعته كائنات دقيقة ، البكتيريا الزرقاء ، عندما كان كوكبنا لا يزال مكانًا غير صالح للسكن. تطورت البكتيريا الزرقاء منذ أكثر من 2.4 مليار سنة ، لكن الأرض تحولت ببطء إلى الكوكب الغني بالأكسجين الذي نعرفه اليوم. وقالت عالمة الأحياء الدقيقة جوديث كلات: “لا نفهم تمامًا لماذا استغرق الأمر وقتًا طويلاً وما هي العوامل التي تتحكم في أكسجة الأرض”. “ولكن من خلال دراسة حصائر البكتيريا الزرقاء في مجرى الجزيرة الوسطى في بحيرة هورون بولاية ميشيغان ، والتي تعيش في ظروف شبيهة بالأرض ، خطرت لي فكرة.”
خريطة حوض البحيرات العظمى توضح السياق الجيولوجي. يشير السهم والدائرة الحمراء إلى موقع العديد من المجاري المغمورة في بحيرة هورون ، بما في ذلك مجرى الجزيرة الوسطى. الائتمان: الشكل من Biddanda et al. 2012 ، نُشر في Nature Education Knowledge ، ومُقتبس في الأصل من Granneman et al. 2000
تتأخر البكتيريا الزرقاء في النهوض
عمل كلات مع فريق من الباحثين حول جريج ديك من جامعة ميشيغان. المياه في مجرى الجزيرة الوسطى ، حيث تستنزف المياه الجوفية من قاع البحيرة ، فقيرة جدًا بالأكسجين. يقول بوبي بيداندا ، عالِم البيئة الميكروبية المتعاون في جامعة جراند فالي ستيت: “الحياة في قاع البحيرة عبارة عن ميكروبات في الأساس ، وتعمل كنظير عملي للظروف التي سادت على كوكبنا لمليارات السنين”. الميكروبات هناك هي البكتيريا الزرقاء الأرجوانية المنتجة للأكسجين والتي تتنافس مع البكتيريا البيضاء المؤكسدة للكبريت. الأول ينتج الطاقة مع ضوء الشمس ، والأخير بمساعدة الكبريت.
الحصائر الأرجواني الميكروبية في مجرى الجزيرة الوسطى في بحيرة هورون ، يونيو 2019. التلال الصغيرة و “الأصابع” مثل هذه في الحصائر ناتجة عن غازات فقاعية مثل الميثان وكبريتيد الهيدروجين تحتها. الائتمان: فيل هارتمير ، محمية نوا ثاندر باي البحرية الوطنية
من أجل البقاء على قيد الحياة ، تؤدي هذه البكتيريا رقصة صغيرة كل يوم: من الغسق حتى الفجر ، تعتمد البكتيريا التي تتغذى على الكبريت على البكتيريا الزرقاء ، مما يمنع وصولها إلى ضوء الشمس. عندما تشرق الشمس في الصباح ، يتحرك أكلة الكبريت إلى أسفل وترتفع البكتيريا الزرقاء إلى سطح السجادة. أوضح كلات: “يمكنهم الآن البدء في التمثيل الضوئي وإنتاج الأكسجين”. “ومع ذلك ، يستغرق الأمر بضع ساعات قبل أن تبدأ حقًا ، فهناك تأخير طويل في الصباح. يبدو أن البكتيريا الزرقاء متأخرة أكثر من الصباح. ونتيجة لذلك ، فإن وقتها في التمثيل الضوئي يقتصر على بضع ساعات فقط. اليوم. عندما سمع بريان آربيك ، عالم المحيطات الفيزيائي بجامعة ميتشيغان ، عن رقصة المايكروبات ، طرح سؤالًا مثيرًا للاهتمام: “هل يمكن أن يعني هذا أن تغيير طول اليوم كان سيؤثر على عملية التمثيل الضوئي طوال تاريخ أرض؟ “
سمكة البربوط تستريح على صخور مغطاة بحصائر ميكروبية أرجوانية وبيضاء داخل مجرى الجزيرة الوسطى في بحيرة هورون. الائتمان: فيل هارتمير ، محمية نوا ثاندر باي البحرية الوطنية
لم يكن طول اليوم على الأرض دائمًا 24 ساعة. أوضح آربيك: “عندما تشكل نظام الأرض والقمر ، كانت الأيام أقصر بكثير ، وربما حتى ست ساعات”. ثم تباطأ دوران كوكبنا بسبب قوة جاذبية القمر واحتكاك المد والجزر ، وزادت الأيام. يقترح بعض الباحثين أيضًا أن تباطؤ دوران الأرض قد توقف لنحو مليار سنة ، بالتزامن مع فترة طويلة من انخفاض مستويات الأكسجين على مستوى العالم. بعد هذا الانقطاع ، عندما بدأ دوران الأرض في التباطؤ مرة أخرى منذ حوالي 600 مليون سنة ، حدث تحول رئيسي آخر في تركيزات الأكسجين العالمية.
تقوم عالمة الأحياء الدقيقة جوديث كلات ، وهي باحثة سابقة لما بعد الدكتوراه في مختبر جريج ديك في UM والآن في معهد ماكس بلانك لعلم الأحياء الدقيقة البحرية ، بخدش حصيرة ميكروبية فوق نواة رواسب تم جمعها في حوض الجزيرة الوسطى في بحيرة هورون. الائتمان: جيم إريكسون ، جامعة ميشيغان نيوز
بعد ملاحظة التشابه المذهل بين نمط أكسجة الأرض ومعدل الدوران على المقاييس الزمنية الجيولوجية ، كان كلات مفتونًا بفكرة أنه قد يكون هناك صلة بين الاثنين – وهي علاقة تجاوزت تأخر التمثيل الضوئي “الناهض المتأخر” الذي شوهد في الشرق الأوسط. هوة الجزيرة. “لقد أدركت أن طول اليوم وإطلاق الأكسجين بواسطة الحصائر الميكروبية مرتبطان بمفهوم أساسي وأساسي للغاية: خلال الأيام القصيرة ، يكون هناك وقت أقل لتطور التدرجات وبالتالي يمكن أن يفلت كمية أقل من الأكسجين من السجاد ، “تكهن كلات.
عالم الأحياء الدقيقة وعالم المحيطات في UM جريج ديك ، إلى اليسار ، وخريج الهندسة البيئية في جامعة UM ، كيرك أولسن ، يفحصان أحد نوى الرواسب المأخوذة من مجرى الجزيرة الوسطى في بحيرة هورون. يحتوي الجزر على عينات من الحصائر الميكروبية التي تشبه أنواع الكائنات الحية الدقيقة التي ازدهرت على الأرض منذ مليارات السنين. الائتمان: جيم إريكسون ، جامعة ميشيغان نيوز
من الحصائر البكتيرية إلى الأكسجين العالمي
تعاون كلات مع Arjun Chennu ، الذي عمل بعد ذلك أيضًا في معهد Max Planck لعلم الأحياء الدقيقة البحرية ويرأس الآن مجموعته الخاصة في مركز Leibniz لأبحاث البحار الاستوائية (ZMT) في بريمن. استنادًا إلى برنامج مفتوح المصدر طوره Chennu لهذه الدراسة ، قاموا بالتحقيق في كيفية ارتباط ديناميكيات ضوء الشمس بإطلاق الأكسجين من السجاد. يقترح الحدس أن يكون يومان مدة كل منهما 12 ساعة مماثلين ليوم واحد مدته 24 ساعة. يرتفع ضوء الشمس وينخفض بسرعة مضاعفة ، ويتسارع إنتاج الأكسجين. لكن إطلاق الأكسجين من الحصائر البكتيرية لا يحدث ، لأنه مقيد بمعدل الانتشار الجزيئي. وقال تشينو إن هذا الفصل الدقيق بين إطلاق الأكسجين من أشعة الشمس هو جوهر الآلية.
يستعد الغواصون الذين يرتدون ملابس جافة لدخول المياه المتجمدة لبحيرة هورون لجمع عينات من الحصير الميكروبي من حفرة بالوعة الجزيرة الوسطى في سبتمبر 2017. درجات الحرارة في قاع المجرى ، حيث تتسرب المياه الجوفية الغنية بالكبريت وأكسجين المياه الجوفية إلى قاع البحيرة ، ربما في 40 درجة فهرنهايت. الائتمان: جيم إريكسون ، جامعة ميشيغان نيوز
لفهم كيف يمكن للعمليات التي تحدث على مدار اليوم أن تؤثر على الأوكسجين على المدى الطويل ، قام كلات وزملاؤه بدمج النتائج التي توصلوا إليها في النماذج العالمية لمستويات الأكسجين. يشير التحليل إلى أن زيادة إطلاق الأكسجين بسبب التغيير في طول اليوم يمكن أن تؤدي إلى زيادة مستويات الأكسجين حول العالم. إنه رابط بين نشاط الكائنات الدقيقة والعمليات العالمية. “نحن نربط قوانين الفيزياء التي تعمل على مستويات مختلفة جدًا ، من الانتشار الجزيئي إلى ميكانيكا الكواكب. نحن نظهر أن هناك صلة أساسية بين طول اليوم وكمية الأكسجين التي يمكن أن تطلقها الميكروبات في التربة ، “قال تشينو. “إنه أمر مثير للغاية. بهذه الطريقة ، نربط رقصة جزيئات السجادة الميكروبية برقصة كوكبنا وقمره.
غواص يقفز من مؤخرة R / V Storm قبل أن ينزل إلى قاع مجرى الجزيرة الوسطى على بعد حوالي 80 قدمًا أدناه ، في سبتمبر 2017. Credit: Jim Erickson ، University of Michigan News
مجتمعة ، قد يكون الحدثان الرئيسيان للتأكسد (القفزات في تركيز الأكسجين) في تاريخ الأرض – حدث الأكسدة العظيم منذ أكثر من ملياري سنة وحدث الأوكسجين اللاحق neoproterozoic – مرتبطين بزيادة طول النهار. لذلك ، يمكن أن تؤدي زيادة طول اليوم إلى زيادة إنتاجية الشبكة القاعية بدرجة كافية للتأثير على مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي. ويخلص كلات إلى أن “التوفيق بين هذه المجموعة الواسعة من المقاييس الزمنية والمكانية كان أمرًا محيرًا للعقل – والكثير من المرح”.
المرجع: “صلة محتملة بين معدل دوران الأرض والأكسجين” 2 أغسطس 2021 ، علوم جيولوجيا الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41561-021-00784-3
