التصقت أولى أشكال الحياة المعقدة بقصور البحار الغنية بالأكسجين لمئات الملايين من السنين.

كشفت دراسة نُشرت في مجلة Nature أن أقدم حقيقيات النوى المعروفة للعلم عاشت بشكل أساسي على قاع البحر أو فيه، في بيئات تحتوي على الأكسجين، وليس في عمود الماء كما كان يُعتقد سابقًا.

ربما كانت الحياة المعقدة الأولى على الأرض محدودة أكثر بكثير مما كان يُعتقد سابقًا. فقد توصلت دراسة جديدة، بقيادة باحثين من جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا وجامعة ماكجيل، إلى أن أقدم حقيقيات النوى المعروفة للعلم عاشت لمئات الملايين من السنين، معظمها على قاع البحر أو فيه، وفي المناطق التي يتوفر فيها الأكسجين فقط. وتُغير هذه الدراسة، المنشورة في مجلة Nature، الصورة التقليدية لبدايات الحياة حقيقية النوى، وهي المجموعة التي تشمل الحيوانات والنباتات والفطريات ومعظم الكائنات متعددة الخلايا المرئية.

حقيقيات النوى هي كائنات حية تحتوي خلاياها على نواة، وعضيات محاطة بغشاء، وعادةً ما تحتوي على الميتوكوندريا - مراكز الطاقة في الخلية. يُعد فهم نشأتها وانتشارها أحد المفاتيح لفهم كيف أصبحت الأرض غنيةً بالحياة. لسنوات، اعتقد الباحثون أن حقيقيات النوى القديمة تُشبه العوالق الحديثة وتعيش بشكل رئيسي في عمود الماء. ومع ذلك، تشير النتائج الجديدة إلى سيناريو مختلف: فقد كانت مرتبطة بقاع البحر لفترة طويلة جدًا.

أحافير دقيقة من أستراليا القديمة

ركز الباحثون على الرواسب من حوضي ماك آرثر وبيريندودو في الإقليم الشمالي الأسترالي. تتميز المنطقة اليوم بتضاريس صحراوية وسافانا وغابات وأراضٍ رطبة، لكنها كانت قبل 1.75 إلى 1.4 مليار سنة بحرًا داخليًا ضحلًا، مع بحيرات شاطئية ومسطحات مد وجزر ومسطحات طينية ساحلية ومياه هادئة قرب الساحل. في ذلك الوقت، كان الأكسجين يتراكم بالفعل في المحيطات، لكن توزيعه كان غير منتظم. كان تركيز الأكسجين في الغلاف الجوي آنذاك واحدًا بالمئة أو أقل مما هو عليه اليوم، وهو مستوى لم يكن بإمكان البشر البقاء فيه.

قامت الدكتورة لي آن ريدمان من جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا باستخراج وتحضير أحافير دقيقة من عينات الحفر، وحددت الكائنات حقيقية النوى. في الوقت نفسه، قام باحثون من جامعة ماكجيل بتحليل أنواع الرواسب والبيئات التي تشكلت فيها الطبقات الصخرية. وقد مكّن هذا الباحثين من ربط الأحافير بأربع بيئات قديمة: البحيرات الشاطئية، والمناطق المدية، والمناطق الساحلية، والمياه المفتوحة.

لفهم مستويات الأكسجين في كل بيئة، فحص الفريق التركيب المعدني للصخور. فوجود البيريت الحديدي، على سبيل المثال، يشير إلى بيئة فقيرة بالأكسجين. كما قدمت تركيزات معادن مثل الفاناديوم والموليبدينوم واليورانيوم أدلة إضافية حول ظروف الأكسجة القديمة. وقد مكّن الجمع بين المعلومات الأحفورية والرسوبية والجيوكيميائية الباحثين من إعادة بناء أماكن عيش حقيقيات النوى المبكرة والظروف التي عاشت فيها.

الأكسجين في قاع البحر، وليس فقط على سطحه

كانت النتيجة مفاجئة: فقد ظهرت أحافير حقيقيات النوى بشكل شبه حصري في الصخور المتكونة في بيئات قاع البحر المؤكسجة. ولم تُعثر عليها في المياه الضحلة فحسب، بل أيضاً في مناطق أبعد عن الساحل، طالما احتوى قاع البحر على الأكسجين. ووفقاً للباحثين، يشير هذا الارتباط القوي إلى أن حقيقيات النوى القديمة كانت تحتاج إلى الأكسجين لجزء على الأقل من دورة حياتها.

يُعدّ هذا الاكتشاف مهمًا أيضًا لأنه يُرجّح أنه يُشير إلى نمط حياتهم. فإذا كانت حقيقيات النوى تعيش في المقام الأول في المياه السطحية الغنية بالأكسجين، فمن المفترض أن تكون بقاياها قد غرقت أيضًا إلى قيعان البحار الفقيرة بالأكسجين وحُفظت فيها. وحقيقة أنها نادرًا ما تُعثر عليها في مثل هذه البيئات تُعزز احتمالية عيشها على قاع البحر أو فيه.

يشير الباحثون إلى أن هذه النتيجة تتوافق مع فكرة أن حقيقيات النوى اكتسبت الميتوكوندريا في وقت مبكر جدًا. ووفقًا للنظرية المقبولة، تطورت الميتوكوندريا من بكتيريا حرة المعيشة ابتلعتها خلية قديمة وأصبحت جزءًا منها. إن عيش حقيقيات النوى المبكرة في قاع البحر كان سيضعها على مقربة من كائنات أخرى، وهو وضع كان من الممكن أن يسهل هذه العملية. كما أن التعقيد البنيوي الملحوظ في الأحافير التي يبلغ عمرها 1.75 مليار سنة يدعم فرضية أن هذه المجموعة قد مرت بتاريخ تطوري أعمق قبل ظهور الأحافير المعروفة.

لماذا ظلوا محتجزين لفترة طويلة؟

يُعدّ أحد أهمّ الأسئلة في علم الأحياء التطوري هو لماذا ظلت حقيقيات النوى نادرة ومتنوعة نسبيًا لفترة طويلة. ووفقًا للدراسة الجديدة، قد يكمن الجواب في محدودية بيئتها. فلو كانت حقيقيات النوى المبكرة لا تستطيع العيش إلا في قيعان البحار الغنية بالأكسجين، لكانت محصورة في جزر بيئية صغيرة ضمن محيطات كانت لا تزال فقيرة بالأكسجين إلى حد كبير.

قد يفسر هذا النمط سبب تشابه مجموعات الكائنات الحية في السجل الأحفوري على مدى مليار عام تقريبًا، دون حدوث طفرة كبيرة في التنوع. ويشير الباحثون إلى أن الأحافير التي يبلغ عمرها 800 مليون عام والأحافير التي يبلغ عمرها 1.7 مليار عام تُظهر، في معظمها، "المجموعة نفسها من الكائنات الحية". وقد حدث التغيير الكبير لاحقًا، بعد العصر الكريوجيني الذي بدأ قبل حوالي 720 مليون عام، عندما مرت الأرض بأحداث تجمد شديدة تُعرف باسم "الأرض المتجمدة".

عندما انحسر الجليد قبل حوالي 635 مليون سنة، ظهرت بيئات إيكولوجية جديدة. وشهد العصر الإدياكاري الذي تلا ذلك الظهور الأول للحياة المعقدة متعددة الخلايا على نطاق واسع، وجميعها من حقيقيات النوى. وبهذا المعنى، لا تصف الدراسة الجديدة فقط أماكن عيش حقيقيات النوى الأولى، بل تقدم أيضًا تفسيرًا محتملاً للفارق الزمني الطويل بين ظهورها ونشوء الحياة المعقدة.

يواصل الباحثون الآن دراسة طبقات صخرية أقدم في حوض ماك آرثر بأستراليا وحوض أنيميكي بولاية مينيسوتا. هدفهم هو تحديد متى ظهرت حقيقيات النوى لأول مرة، وكيف وصلت إلى مستوى التعقيد الذي رأيناه في الأحافير القديمة، ومتى انتقلت من قاع البحر إلى عمود الماء. وكما خلص ريدمان، فإن هذه الدراسات تُمكّننا من رؤية هذه الكائنات الدقيقة ليس فقط كأسماء في سجل الأحافير، بل ككائنات حية عاشت في بيئة معينة، وقامت بوظائف محددة، وكانت جزءًا من المسار الذي أدى في النهاية إلى التنوع البيولوجي الهائل للأرض، وإلى وجودنا نحن البشر.

الحياة معقدة في البيئات الغنية بالأكسجين وبسيطة في البيئات الأخرى.

تحديث إضافي بعد نشر الدراسة، لم تُغير هذه النتائج فهمنا لموئل حقيقيات النوى المبكرة فحسب، بل عززت أيضًا فرضية أن الأكسجين كان عاملًا رئيسيًا في تطور الخلايا المعقدة. وبما أن معظم أحافير حقيقيات النوى وُجدت في صخور تشكلت في بيئات غنية بالأكسجين، بينما احتوت البيئات الفقيرة بالأكسجين في الغالب على أشكال أبسط، يُقدّر الباحثون أن حتى أقدم حقيقيات النوى كانت تعتمد على الأكسجين لجزء على الأقل من دورة حياتها.

أسئلة وأجوبة مختصرة:

ما هي حقيقيات النوى؟?
حقيقيات النوى هي كائنات حية تحتوي خلاياها على نواة وعضيات محاطة بغشاء. تشمل هذه المجموعة الحيوانات والنباتات والفطريات والعديد من الكائنات وحيدة الخلية.

ماذا كشفت الدراسة الجديدة؟?
وخلصت الدراسة إلى أن أقدم حقيقيات النوى المعروفة للعلم عاشت في المقام الأول على قاع بحر مؤكسج، بدلاً من عمود الماء كما كان يُعتقد سابقاً.

لماذا كان الأكسجين مهماً للكائنات حقيقية النواة القديمة؟?
تشير النتائج إلى أنهم كانوا بحاجة إلى الأكسجين لجزء على الأقل من دورة حياتهم، ربما لأنهم كانوا يستخدمون بالفعل آليات إنتاج الطاقة المرتبطة بالميتوكوندريا.