متى أصبحت الطحالب وحيدة الخلية مغذية إلى هذا الحد - وكيف مهد هذا التغيير الطريق لتحقيق قفزة تطورية
حتى المخلوق الصغير قد يترك بصمة كبيرة على تطور الحياة على الأرض - خاصة إذا كانت قيمه الغذائية عالية. تنتج الطحالب المجهرية التي تعيش على سطح المحيطات حوالي نصف الأكسجين الموجود على الأرض، وهي أساس النظام البيئي البحري بأكمله، ولكن متى وكيف أصبحت مثل هذه الوجبة المغذية؟ في مجال البحوث نشرت مؤخرايكشف علماء معهد وايزمان للعلوم كيف أن التغيرات في المحتوى الغذائي للطحالب الدقيقة في المحيطات عززت عمليات تطورية مهمة في نصف مليار سنة الماضية.
على غرار النباتات الموجودة على الأرض، تنتج الطحالب المجهرية الموجودة في البحر، والمعروفة أيضًا باسم العوالق النباتية، من خلال عملية التمثيل الضوئي مجموعة متنوعة من المركبات الكيميائية الضرورية لاستدامة الحياة على الأرض. هذه الطحالب الدقيقة هي أيضًا أساس الشبكة الغذائية البحرية: مخلوقات صغيرة تسمى العوالق الحيوانية تتمتع ببوفيه طحالب غني وتعمل بدورها كوجبة مغذية للمخلوقات الأكبر حجمًا، مثل أنواع الأسماك والقشريات المختلفة وما إلى ذلك. ونتيجة لذلك، فإن العناصر الغذائية الموجودة في الطحالب تنتشر في جميع أنحاء الشبكة الغذائية وتغذي جميع أشكال الحياة البحرية. ولكن ما الذي يؤثر على تكوين العناصر الغذائية في الطحالب وكميتها؟ الجواب على هذا السؤال بقي دون إجابة حتى الآن.
البروفيسور إيتاي هاليفي من قسم علوم الأرض والكواكب وطالب الدكتوراه السابق له، الدكتور شلوميت شاروني، ركز في السنوات الأخيرة على الجوانب الجيوفيزيائية والجيوكيميائية التي تؤثر على القيم الغذائية للطحالب الدقيقة. وفي دراسة سابقة، أظهروا أن متوسط المحتوى الغذائي للطحالب يعتمد إلى حد كبير على نوع الطحالب: هناك سلالات من الطحالب أكثر ثراءً بالعناصر الغذائية. ليس من المفاجئ إذن أنه في الأماكن التي تكون فيها الظروف البيئية مناسبة لوجود أنواع الطحالب الغنية بالمغذيات، ستتميز الشبكة الغذائية بأكملها بقيم غذائية أعلى. "إن مياه البحر الباردة الغنية بالمغذيات بالقرب من القارة القطبية الجنوبية تسمح لأنواع العوالق النباتية ذات القيمة الغذائية العالية بالازدهار، بينما تهيمن الأنواع الأقل تغذية في المناطق الأكثر دفئًا. لذلك، في مناطق مختلفة، سيكون النظام البيئي البحري بأكمله غنيًا أو فقيرًا بالعناصر الغذائية اعتمادًا على الظروف البيئية"، يوضح الدكتور شاروني.
سعى الباحثون في الدراسة الحالية إلى تقدير مدى تغير الظروف البيئية التي تؤثر على القيم الغذائية للطحالب، أي المناخ وتركيز العناصر الغذائية في الماء، خلال تاريخ الأرض، وبشكل خاص خلال العصر الحجري. آخر 540 مليون سنة تُعرف باسم دهر الحياة الظاهرة - وهي حقبة جيولوجية فائقة بدأت بظهور حيوانات مرئية ولا تزال مستمرة حتى يومنا هذا. يتميز هذا العصر ببصمة جيولوجية - حفريات لحيوانات تم حفظها في الصخور الرسوبية وتسمح للباحثين ليس فقط بتتبع العمليات التطورية، ولكن أيضًا بفهم هذه العمليات بالتزامن مع القياسات والنماذج الجيوكيميائية، وبالتالي رسم صورة كاملة عن العمليات التي شكلت سطح الأرض.
ولتحقيق هدفهم، قام فريق الباحثين بتطوير نموذج حسابي يربط بين الدورات البيوجيوكيميائية البارزة، وعلى وجه الخصوص دورات العناصر الأربعة: الكربون والأكسجين والنيتروجين والفوسفور. وباستخدام النموذج، تمكن الباحثون، بناءً على تقديرات العمليات الجيولوجية - من النشاط البركاني إلى أنماط هطول الأمطار - من تحديد معدل انتقال هذه العناصر من الأرض والجو إلى المحيط والعودة. أثرت هذه التحولات، والتي تسمى أيضًا التدفقات، على كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، ونتيجة لذلك، على المناخ وتركيز العناصر الغذائية الأساسية، مثل الفوسفات (أكسيد الفوسفور) في مياه البحر. وعندما تم حساب البيانات المناخية وتوافر الفوسفات باستخدام النموذج، تمكن الباحثون من استنتاج كيفية تغير القيم الغذائية للطحالب الدقيقة مع مرور الوقت.
وفي الخطوة التالية، قارن الباحثون تنبؤات النموذج بالنتائج المستخلصة من الحفريات، وتمكنوا من شرح بعض الأنماط التطورية المهمة لعصر البشائر. وفي حين كان من المفترض سابقًا أن القيم الغذائية للطحالب الدقيقة ظلت ثابتة إلى حد ما، فقد كشف النموذج الجديد أن المحتوى الغذائي للطحالب تضاعف تقريبًا في آخر 540 مليون سنة. ويتناسب هذا التوقع بشكل جيد مع التغيرات التي طرأت على تركيبة الطحالب الدقيقة في المحيط ــ أي التحول من الأصناف المبكرة المنخفضة المغذيات إلى الأصناف المعاصرة التي تنتشر بسرعة والغنية بالعناصر الغذائية الأساسية. يقول البروفيسور هاليفي: "من الواضح أن جودة الطحالب البحرية الدقيقة كمصدر رئيسي للغذاء قد زادت على مر العصور، ومن المحتمل أن هذا التحسن في جودة الغذاء ساهم في تطور الكائنات البحرية الكبيرة والمعقدة التي تحتاج إلى كمية أكبر من العناصر الغذائية المتاحة."
بالإضافة إلى ذلك، تمكن الباحثون من الربط بين الأحداث التطورية والتكتونية المهمة ونمو كمية العناصر الغذائية في الطحالب. حتى حوالي 350 مليون سنة مضت، كانت عملية التمثيل الضوئي تحدث في المحيط بشكل حصري تقريبًا. في ذلك الوقت فقط، تطورت النباتات البرية التي قامت بتوسيع مصنع التمثيل الضوئي. تعمل النباتات، كما نعلم، على تسريع عمليات التجوية الكيميائية، التي يتم خلالها استخلاص العناصر من الصخور وشق طريقها إلى البحر. وبالتالي، أدى الاستيلاء على الغطاء النباتي في القارات إلى زيادة كبيرة في تدفق العناصر الغذائية إلى المحيط. بالإضافة إلى ذلك، أدى تفكك قارة بانجيا العملاقة التي تعود إلى عصور ما قبل التاريخ منذ حوالي 200 مليون سنة إلى زيادة هذا التدفق. "لقد أدت هذه الأحداث في النهاية إلى زيادة توافر الفوسفات في المحيط الموجود بشكل طبيعي في الصخور والمعادن. وفي الوقت نفسه، يبدو أن الطحالب البحرية الدقيقة خضعت لعمليات تطورية سمحت لها بالاستفادة من التوافر المتزايد للفوسفات". وهكذا أصبحت الطحالب أكثر مغذية ويمكن أن تدعم التطور المتسارع لأشكال الحياة البحرية الأخرى. ويخلص البروفيسور هاليفي إلى أن "الارتباط بين الأحداث الجيولوجية والعمليات التطورية سمح لنا بإعادة كتابة التاريخ الجيولوجي للعناصر الغذائية في المحيط - والطريقة التي أثرت بها على تطور أشكال الحياة البحرية".
بصرف النظر عن التاريخ الأكثر دقة للحياة على الأرض، فإن النهج الذي طوره الباحثون يجعل من الممكن فهم أفضل لكيفية تأثر الحياة في المحيط حاليًا بتغير المناخ. قد يؤدي الاحتباس الحراري وتلوث مياه البحر بالنفايات الصناعية والزراعية السائلة إلى تغيير توافر العناصر الغذائية في المحيط. ومن المتوقع أن يؤثر التغيير على القيم الغذائية للطحالب، وبالتالي النظام البيئي البحري بأكمله.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
