ما هو المصدر الأساسي للأكسجين على الأرض؟

يفكر الكثير منا في الأكسجين، وهذا يشمل كيفية تعامل الجسم الطبيعي مع الأكسجين في الصحة، وكيف يصبح هذا الأمر معقداً بسبب الأوبئة. ولكن قليلاً منا يدرك أننا كبشر من سكان الأرض نتمتع بامتياز فريد من نوعه. وهو أننا، ومعظم الحيوانات الأخرى على الأرض، نعتبر الكائنات الحية الوحيدة في الكون المعروف التي تتمتع بإمدادات غير محدودة من الأكسجين. يعرف الكثير منا أيضًا أن النباتات هي مصدر أساسي للأكسيجين الأرضي. ولكن هل هو المصدر الوحيد، أو حتى المصدر الرئيس؟ سنرى ذلك في هذه المقالة.

التمثيل الضوئي:

عملية التمثيل الضوئي هي واحدة من أعظم معجزات الطبيعة، وهي القدرة على إطلاق الأكسجين باستخدام طاقة ضوء الشمس. وكانت إحدى نتائجها أن أول أكسجين أُطلق في الغلاف الجوي جاء من عملية التمثيل الغذائي للكائنات الحية الدقيقة، البكتيريا الزرقاء، التي تستخدمها. ولكن الأكسجين كان منتجاً ثانوياً غير مرغوب فيه عندها. والواقع أنه كان لابد من التخلص من الأكسجين حتى تتمكن الكائنات الحية من النمو والازدهار. عندما حدثت زيادة كبيرة في تركيز الأكسجين في الغلاف الجوي قبل نحو ملياري سنة، وارتفع الضغط الجزئي للأكسجين في الهواء إلى نحو 200 ملم زئبقي، كان حدث الأكسدة العظيم هذا، كما أُطلِق عليه، بمثابة حكم بالإعدام على عدد كبير من الحيوانات اللاهوائية التي كان الأكسجين سامًا لها. واليوم يأتي قدر كبير من الأكسجين في الغلاف الجوي من عملية التمثيل الضوئي في الكائنات الحية الدقيقة، بما في ذلك البكتيريا الزرقاء، والبكتيريا التي اكتشفت مؤخراً، والتي تتخلص من هذا المنتج الثانوي غير المرغوب فيه. والنتيجة هي أن تركيزه في الغلاف الجوي عند مستوى سطح البحر يظل ثابتاً تقريباً عند نحو 150 ملم زئبقي، على الرغم من أن العوامل المسؤولة عن ذلك غير مفهومة.

بدايات الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض:

عندما بدأت مجموعتنا الشمسية بالتشكل منذ حوالي 4-5 مليارات سنة، كانت تتألف من عدد من المكونات الصلبة مع بعض الغازات المصاحبة لها. كانت الجملة متماسكة بفعل الجاذبية، وكان هناك القليل من الأكسجين الحر أو لا يوجد على الإطلاق في الغازات الذي يُعتقد أنها كانت مزيجًا من النيتروجين والهيدروجين والهيليوم والميثان وبعض العناصر الأخرى ذات الأعداد الذرية المنخفضة. استمر هذا الوضع على مدى ملايين السنين مع تطور مجموعتنا الشمسية وكواكبها الثمانية (وبلوتو) تدريجيًا، ولكن دون أي كميات كبيرة من الأكسجين الجوي. ثم حدث تغير استثنائي. كان هذا بسبب معجزة التمثيل الضوئي التي مكنت بعض الكائنات الحية من استخدام طاقة ضوء الشمس للحصول على الهيدروجين وتركيب الغذاء منه ومن الكربون. وكانت إحدى النتائج هي ظهور بعض غاز الأكسجين. وقد أدى هذا إلى تغيير جذري لسكان كوكب الأرض. نتج هذا الأكسجين الأولي عن ظهور عائلة من الكائنات الحية الدقيقة تسمى البكتيريا الزرقاء، وتتميز هذه الخلايا بلون أزرق مخضر. لا يُعرف أصل هذه الكائنات الحية، ولكنها كانت قادرة على التمثيل الضوئي، وللقيام بذلك، كانت تحتوي على أصباغ التمثيل الضوئي المرتبطة باليخضور. في الواقع، يُعتقد أن اليخضور في النباتات الذي نراه اليوم قد تطور من هذه الأصباغ في البكتيريا الزرقاء.

أين نجد أكبر خزان للأكسجين على كوكب الأرض اليوم؟

بما أن الغلاف الجوي يتكون من 21٪ من الأكسجين، ويحيط هذا بالكرة الأرضية بأكملها حتى ارتفاع يزيد عن 80 كم، فمن الطبيعي أن نفترض أن معظم الأكسجين موجود هنا. ولكن هذا ليس صحيحًا. إن أكبر كمية من الأكسجين من حيث الوزن (أكثر من 90٪) توجد في أشكال كيميائية صلبة مثل الأكاسيد والسيليكات. في الواقع، إذا أضفنا كميات الأكسجين في الغلاف الجوي والمحيطات والكائنات الحية، فإن المجموع أقل من 0.05٪ من الكتلة الكلية للأكسجين في كوكب الأرض.

ما هي أكبر مصادر الأكسجين في العالم اليوم؟

كما هو موضح أعلاه، لا تزال البكتيريا الزرقاء وغيرها من العوالق النباتية الضوئية تشكل مصادر رئيسة للأكسجين. ولكن هناك مصادر كبيرة أخرى أيضًا. أولها الرواسب البحرية من المواد العضوية التي تستقر في قاع المحيطات، وثانيها الصفائح التكتونية التي تؤدي إلى إطلاق الأكسجين من البراكين وغيرها من المصادر في وشاح الأرض نتيجة لتحولات قشرة الأرض، كما تطلق النباتات والأشجار كميات كبيرة من الأكسجين.

حدث في الفترة القريبة الماضية اختراق علمي هام، حيث اكتُشف مصدر كبير آخر للأكسجين في المحيط. المصدر هو البروكلوروكوكوس البحري (Prochlorococcus). يُعتقد الآن أن البروكلوروكوكس هو الكائن الحي الأكثر وفرة في المحيطات اليوم؛ فقد عُثر عليه بأعداد كبيرة في المحيط الهادئ والمحيط الأطلسي، وبخاصة في المناطق شبه الاستوائية. الكائن صغير للغاية بقطر يتراوح من 0.4 إلى 0.6 ميكرون. وهذا يعني أنه قريب من حد دقة المجهر الضوئي. عادة ما يكون تركيز مياه البحر من المناطق التي تحتوي على البروكلوروكوكوس أكثر من 105 خلية في كل مل. وبسبب العدد الهائل من الخلايا، فإن المساحة السطحية الإجمالية للخلايا في المحيطات فلكية. ويُعتقد أن اليخضور في بروكلوروكوكس فعال بشكل استثنائي في حصاد الضوء.

الحدث الأعظم للأكسدة:

كما أشرنا أعلاه، فقد أطلقت البكتيريا الزرقاء بعض الأكسجين في وقت مبكر من تاريخ الأرض. ومع ذلك، ظل تركيز الأكسجين في الغلاف الجوي منخفضًا لملايين السنين بقيمة ربما أقل من 10 ملم زئبق. والأسباب وراء هذه القيمة المنخفضة غير مؤكدة، ولكن يُقترح أنها كانت بسبب امتصاص المحيط وبعض الأسطح الأرضية للأكسجين. ولكن منذ حوالي 2 مليار سنة، حدثت زيادة هائلة في تركيز الأكسجين في الغلاف الجوي. وارتفع الضغط الجزئي للأكسجين من القيمة المنخفضة للغاية إلى حوالي 150 ملم، وهي القيمة الحالية. وعلى الرغم من أن كوكبنا شهد نصيبه من الأحداث الدرامية مثل العصور الجليدية، إلا أن هذا التغيير الهائل في تكوين الغلاف الجوي كان غير مسبوق.

من ناحية، ساعد هذا في إحداث التنوع الهائل في الأنواع التي تعتمد على الأكسجين والتي نراها على الأرض اليوم. ولكن كان له أيضًا جانب سلبي كبير؛ فقد كان للزيادة الهائلة في تركيز الأكسجين عواقب وخيمة على العديد من الأنواع الحية اللا هوائية. والواقع أن الانقراض الذي أعقب ذلك كان واحدًا من أكثر الأحداث الحيوية كارثيةً التي عرفها كوكبنا على الإطلاق. فما هي الأسباب وراء هذا الارتفاع الهائل في الأكسجين الجوي؟ على الرغم من الكم الهائل من الأبحاث والطوفان المقابل من المقالات، لا يزال هناك جهل إلى حد كبير في هذا المجال.

الخاتمة:

جزيء الأكسجين شديد التفاعل وهو مكون من العديد من مصادر الغذاء. يمكننا أن نفترض أننا والحيوانات الأخرى التي تطورت على الأرض استفدنا من السمات الخاصة لهذا الجزيء الذي يتفاعل بسهولة مع العديد من الآخرين. سيكون من المثير للاهتمام أن نرى ما إذا كانت أشكال الحياة الأخرى التي سيتم اكتشافها بالتأكيد على بعض تريليونات الكواكب الخارجية في الكون ستكون مختلفة لأنها تفتقر إلى ميزة الأكسجين عندما تطورت.