كانت الأرض في يوم من الأيام "كرة خضراء" قبل أن تتحول محيطاتها إلى اللون الأزرق.

عندما ينظر رواد الفضاء إلى كوكبنا من الفضاء، فإنهم يطلقون عليه اسم "الرخام الأزرق". ولكن هذا اللون المميز، الذي يعكس المحيطات الشاسعة والسماء المضاءة بنور الشمس، قد يكون مظهرًا جديدًا نسبيًا. تعمق أكثر في ماضي الأرض - منذ حوالي 2.5 إلى 4 مليارات سنة - وقد ترى لونًا مختلفًا تمامًا. يجادل العلماء الآن بأن محيطات الأرض كانت تتلألأ باللون الأخضر، وليس الأزرق. لم تكن هذه المياه الزمردية مجرد غرابة جيولوجية - بل كانت مهدًا للتطور، وخاصة لواحد من أكثر مهندسي الحياة تأثيرًا: البكتيريا الزرقاء. دراسة حديثة أجراها تارو ماتسو وفريقه في جامعة ناغويا، والتي نُشرت في مجلة Nature Ecology & Evolution، تعيد تصور المحيط الحيوي المبكر للأرض.

كانت المحيطات المبكرة غنية بالحديد وخضراء

قبل أربعة مليارات ونصف المليار سنة، تشكّلت الأرض من حطام كوني. استغرقت الحياة وقتًا للظهور، إذ لم تظهر إلا منذ حوالي 3.7 مليار سنة. قبل ظهور الخلايا الأولى، غطّت المحيطات سطح الكوكب، لكن مظهرها اختلف اختلافًا كبيرًا عما نراه اليوم. ضخّت الفتحات الحرارية المائية، التي انفجرت عبر قيعان المحيطات، الحديد المختزل - Fe(II) - في الماء، ملأت البحار بالحديد الحديدي. حدّدت هذه الكيمياء تفاعل المحيطات المبكرة مع ضوء الشمس. مع انعدام الأكسجين في الغلاف الجوي ووفرة Fe(II)، افتقرت المحيطات إلى خاصية الانعكاس التي تتميز بها مياه اليوم الزرقاء. لم يكن هناك أوزون يحجب الأشعة فوق البنفسجية، ولا نباتات برية تُغيّر الغلاف الجوي. ما كان لهذه المحيطات المشبعة بالحديد هو علاقة غريبة مع الضوء - علاقة تميل نحو اللون الأخضر. مع ظهور البكتيريا الزرقاء، بدأ الأكسجين بالظهور في الماء. حوّل الأكسجين الحديد الثلاثي إلى حديد ثلاثي غير قابل للذوبان، مُشكّلاً جزيئات تشبه الصدأ. غاصت هذه الجزيئات ببطء لكنها لم تختفِ بسرعة، بل بقيت وأثرت على الضوء الذي تسرب إلى أعماق المحيط.

الضوء الأخضر يُشكّل مسارات التطور

كان للحديد الثلاثي، المُعلق في الماء على شكل هيدروكسيد حديد ناعم، تأثير بصري قوي. امتصّ أطوال الموجات الحمراء والزرقاء، لكنه سمح بمرور الضوء الأخضر. ونتيجةً لذلك، اكتسبت المحيطات نفسها لونًا أخضر. لو كان أحدٌ هناك لشهد ذلك، لرأى مياه الأرض تتوهج بلون الزمرد. كان لبيئة الضوء الأخضر هذه عواقب وخيمة على الكائنات الحية التي تعيش فيها. بدأت البكتيريا الزرقاء، وهي من أوائل الكائنات الرائدة في عملية التمثيل الضوئي، بالتكيف. استخدمت بالفعل الكلوروفيل أ، وهو صبغة تمتص الضوء الأحمر والأزرق. لكن تحت الضوء الأخضر، يُصبح الكلوروفيل أ أقل فعالية بكثير. وللبقاء على قيد الحياة، طورت البكتيريا الزرقاء phycobilisomes - وهي هياكل كبيرة تشبه هوائيات الاستشعار مليئة بأصباغ إضافية. من بين هذه الصبغات، أثبت فيكوإريثروبيلين (PEB) أهميته البالغة. إذ يمتص الضوء الأخضر وينقل تلك الطاقة إلى الكلوروفيل أ لعملية التمثيل الضوئي. وقد مكّنت هذه التراكيب البكتيريا الزرقاء من الهيمنة على المحيطات في بداياتها.

محاكاة محيطات الأرض الخضراء المبكرة

لاختبار نظريتهم، أجرى ماتسو وزملاؤه عمليات محاكاة رقمية مفصلة، أعادوا من خلالها إنشاء بيئة الضوء تحت الماء من الدهر الأركي. أخذت هذه المحاكاة في الاعتبار كيمياء المحيطات، وانتشار الضوء، وامتصاص الصبغات. واكتشفوا أنه على أعماق تتراوح بين 5 و20 مترًا (16 إلى 66 قدمًا)، خلقت 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 وراثية. قاموا بهندسة سلالات من البكتيريا الزرقاء لإنتاج PEB. عند تعرضها للضوء الأخضر، تفوقت السلالات المعدلة على السلالات البرية. كان نقل الطاقة فعالًا للغاية لدرجة أن PEB لم يحتاج حتى إلى شريكه البروتيني المعتاد، فيكوإريثرين - بل يمكنه العمل عن طريق الارتباط مباشرة بالفيكوسيانين بدلاً من ذلك.

المسطحات المائية تُضاهي المحيطات الخضراء القديمة

مع ذلك، لم تكن عمليات المحاكاة ونتائج المختبرات كافيةً لماتسو. في 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 القديمة، قبل مليارات السنين. قال ماتسو: "من القارب، استطعنا أن نرى أن المياه المحيطة بها كانت ذات بريق أخضر مميز بسبب هيدروكسيدات الحديد، تمامًا كما تخيلتُ شكل الأرض في الماضي". أكدت القياسات على عمق ٥.٥ متر (١٨ قدمًا) هيمنة الضوء الأخضر. أظهر تحليل الفلورسنت أن البكتيريا الزرقاء عند هذا العمق تحتوي على كمية أكبر من PEBمقارنةً بتلك الموجودة على السطح. كان ذلك بمثابة صدى عصري مثالي للعالم القديم.

ما تعلمناه من هذه الدراسة

لم تبق نافذة الضوء على الأرض على حالها دائمًا. قبل حدث الأكسدة العظيم (GOE)، كانت بيئة الكوكب الضوئية تميل إلى اللون الأخضر. بعد حدث الأكسدة العظيم، ومع ارتفاع مستويات الأكسجين وانخفاض 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. ومع ذلك، في البيئات المائية الخافتة، ظل البولي إيثيلين ضروريًا. وهكذا، يعكس تطور الجراثيم الفلورية التحولات الجوية والمحيطية للأرض. أدت كل مرحلة من مراحل الضوء إلى تكيفات جديدة، ومهدت الطريق للحياة للتوسع والتنوع. لم يكن ماتسو مقتنعًا دائمًا. قال: "عندما بدأتُ التفكير في الفكرة عام ٢٠٢١، كنتُ أكثر تشككًا من أي شيء آخر. لكن الآن، وبعد سنوات من البحث، ومع ترابط الأفكار الجيولوجية والبيولوجية تدريجيًا كقطع أحجية، تحول تشككي إلى قناعة". يرسم هذا الاعتقاد الآن صورة مختلفة للأرض في بداياتها، حيث كانت كرة خضراء باهتة شكّل فيها الضوء الحياة بطرق غير متوقعة.