لا تحظى بحيرة Little Deming بملاحظة كبيرة من زوار متنزه Itasca State Park في ولاية مينيسوتا. هناك أفضل من ركوب القوارب في بحيرة إتاسكا القريبة، وهي منابع نهر المسيسيبي. أحتاج أنا وزملائي إلى مناورة مئات الأرطال من المعدات في طريق مخفي ضيق بسبب اللبلاب السام في أواخر الصيف لإطلاق زوارق التجديف الخاصة بنا.
لكن بحيرة ديمنج المتواضعة تقدم أكثر مما تراه العين بالنسبة لي، كعالم جيوكيميائي مهتم بكيفية تراكم الأكسجين في الغلاف الجوي قبل 2.4 مليار سنة. إن غياب الأكسجين في الطبقات العميقة لبحيرة ديمنج هو شيء مشترك بين هذا المسطح المائي الصغير والمحيطات المبكرة على الأرض.
في كل واحدة من بعثاتنا العديدة هنا كل عام، نقوم بالتجديف بقواربنا إلى أعمق جزء من البحيرة – أكثر من 60 قدمًا (18 مترًا)، على الرغم من أن مساحة سطح البحيرة تبلغ 13 فدانًا فقط. نقوم بإسقاط المرساة وربط قواربنا في أسطول صغير، ونجهز أنفسنا للعمل الذي ينتظرنا.
بحيرة ديمنج هي كلمة ميروميكية، وهو مصطلح يوناني يعني الاختلاط الجزئي فقط. في معظم البحيرات، مرة واحدة على الأقل في السنة، تنخفض المياه في الأعلى بينما ترتفع المياه في القاع بسبب الرياح وتغيرات درجات الحرارة الموسمية التي تؤثر على كثافة المياه. لكن المياه العميقة في بحيرة ديمينج لا تصل أبدًا إلى السطح. وهذا يمنع الأكسجين الموجود في الطبقة العليا من الماء من الاختلاط بالطبقة العميقة.
أقل من 1% من البحيرات هي بحيرات ميروميتيكية، ومعظمها بها مياه قاع كثيفة ومالحة. المياه العميقة في بحيرة ديمنج ليست مالحة جدًا، ولكن من بين الأملاح الموجودة في قاعها، يعد الحديد واحدًا من أكثر الأملاح وفرة. وهذا يجعل بحيرة ديمنج واحدة من أندر أنواع البحيرات المرومية.
سطح البحيرة هادئ، والهواء الساكن رائع في هذا الصباح البارد والصافي من شهر أغسطس. نقوم بإنزال مضخة مياه بطول قدمين مربوطة بكابل متصل بأربعة أجهزة استشعار. تقوم المستشعرات بقياس درجة الحرارة وكمية الأكسجين ودرجة الحموضة وكمية الكلوروفيل في الماء في كل طبقة نواجهها. نقوم بضخ المياه من الطبقات الأكثر إثارة للاهتمام إلى القارب وملء عدد لا يحصى من الزجاجات والأنابيب، كل منها مخصص لتحليل كيميائي أو بيولوجي مختلف.
لقد قمت أنا وزملائي بزيارة بحيرة ديمينج لاستكشاف أسئلة حول كيفية تكيف الحياة الميكروبية مع الظروف البيئية على الأرض المبكرة وتغييرها. كان كوكبنا مأهولًا بالميكروبات فقط طوال معظم تاريخه. لم يكن الغلاف الجوي وأعماق المحيطات تحتوي على الكثير من الأكسجين، لكنها تحتوي على الكثير من الحديد، تمامًا كما هو الحال في بحيرة ديمينج. من خلال التحقيق في ما تفعله ميكروبات بحيرة ديمينج، يمكننا أن نفهم بشكل أفضل كيف ساعدت منذ مليارات السنين في تحويل الغلاف الجوي للأرض والمحيطات إلى ما هي عليه الآن.
طبقة بعد طبقة، إلى البحيرة
قبل مليارين ونصف المليار سنة، كانت مياه المحيطات تحتوي على ما يكفي من الحديد لتكوين رواسب الحديد الصدئ الموزعة عالميًا والتي تسمى تشكيلات الحديد المخططة التي توفر الحديد لصناعة الصلب العالمية الحديثة. في الوقت الحاضر، لا تحتوي المحيطات إلا على كميات ضئيلة من الحديد ولكن لديها وفرة من الأكسجين. في معظم المياه، الحديد والأكسجين متضادان. التفاعلات الكيميائية والبيولوجية السريعة بين الحديد والأكسجين تعني أنه لا يمكنك الحصول على الكثير من أحدهما أثناء وجود الآخر.
كان ارتفاع الأكسجين في الغلاف الجوي المبكر والمحيطات بسبب البكتيريا الزرقاء. ظهرت هذه الكائنات وحيدة الخلية منذ 2.5 مليار سنة على الأقل. لكن الأمر استغرق ما يقرب من ملياري عام حتى يصل الأكسجين الذي تنتجه عن طريق عملية التمثيل الضوئي إلى المستويات التي سمحت بظهور الحيوانات الأولى على الأرض.
في بحيرة ديمنج، أولي أنا وزملائي اهتمامًا خاصًا بطبقة الماء التي تقفز فيها قراءات الكلوروفيل. الكلوروفيل هو الصباغ الذي يجعل النباتات خضراء. إنه يسخر طاقة ضوء الشمس لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين وسكريات. على عمق 20 قدمًا (6 أمتار) تقريبًا تحت سطح ديمنج، يوجد الكلوروفيل في البكتيريا الزرقاء والطحالب الضوئية، وليس في النباتات.
لكن الغريب في هذه الطبقة هو أننا لا نكتشف الأكسجين، على الرغم من وفرة هذه الكائنات المنتجة للأكسجين. هذا هو العمق الذي تبدأ فيه تركيزات الحديد في الارتفاع إلى المستويات العالية الموجودة في قاع البحيرة.
هذه الطبقة ذات نسبة الكلوروفيل العالية والحديد العالي والمنخفضة الأكسجين تحظى باهتمام خاص بالنسبة لنا لأنها قد تساعدنا على فهم أين عاشت البكتيريا الزرقاء في المحيط القديم، ومدى نموها وكم الأوكسجين الذي أنتجته.
نعتقد أن سبب تجمع البكتيريا الزرقاء على هذا العمق في بحيرة ديمينج هو وجود كمية من الحديد هناك أكثر من تلك الموجودة في الجزء العلوي من البحيرة. مثلما يحتاج البشر إلى الحديد لخلايا الدم الحمراء، تحتاج البكتيريا الزرقاء إلى الكثير من الحديد للمساعدة في تحفيز تفاعلات التمثيل الضوئي.
السبب المحتمل لعدم قدرتنا على قياس أي أكسجين في هذه الطبقة هو أنه بالإضافة إلى البكتيريا الزرقاء، هناك الكثير من البكتيريا الأخرى هنا. بعد حياة طويلة جيدة لبضعة أيام، تموت البكتيريا الزرقاء، وتتغذى البكتيريا الأخرى على بقاياها. تستخدم هذه البكتيريا بسرعة أي أكسجين ينتج عن البكتيريا الزرقاء التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي كما تفعل النار عندما تحترق في الخشب.
نحن نعلم أن هناك الكثير من البكتيريا هنا بناءً على مدى غيوم الماء، ونراها عندما نفحص قطرة من هذا الماء تحت المجهر. لكننا بحاجة إلى طريقة أخرى لقياس عملية التمثيل الضوئي إلى جانب قياس مستويات الأكسجين.
مختبر طويل الأمد على ضفاف البحيرة
والوظيفة المهمة الأخرى لعملية التمثيل الضوئي هي تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى سكريات، والتي تستخدم في النهاية لصنع المزيد من الخلايا. نحن بحاجة إلى طريقة لتتبع ما إذا كان يتم إنتاج سكريات جديدة، وإذا كان الأمر كذلك، سواء كان ذلك عن طريق البكتيريا الزرقاء التي تقوم بالتمثيل الضوئي. لذلك نقوم بملء الزجاجات بعينات من الماء من طبقة البحيرة هذه ونغلقها بإحكام بسدادات مطاطية.
سنقود مسافة 3 أميال عائدين إلى محطة ومختبرات إتاسكا البيولوجية حيث سنقوم بإجراء تجاربنا. تم افتتاح المحطة في عام 1909 وهي بمثابة المقر الرئيسي لنا هذا الأسبوع، حيث توفر كبائن مريحة ووجبات دافئة ومساحة للمختبر.
في المختبر، نقوم بحقن الزجاجة بثاني أكسيد الكربون الذي يحمل مادة تتبع النظائر. إذا نمت البكتيريا الزرقاء، فسوف تشتمل خلاياها على هذه العلامة النظائرية.
لقد حصلنا على القليل من المساعدة في صياغة أسئلتنا وتجاربنا. قام طلاب جامعة مينيسوتا الذين يحضرون الدورات الميدانية الصيفية بجمع بيانات بقيمة عقود من الزمن في متنزه إتاسكا الحكومي. قام أمين مكتبة الجامعة المجتهد برقمنة الآلاف من الأوراق النهائية لهؤلاء الطلاب.
لقد قمت أنا وطلابي بدراسة الأبحاث المتعلقة ببحيرة ديمينج، والتي حاول العديد منها تحديد ما إذا كانت البكتيريا الزرقاء الموجودة في الطبقة الغنية بالكلوروفيل تقوم بعملية التمثيل الضوئي. وبينما أشار معظمهم بنعم، كان هؤلاء الطلاب يقيسون الأكسجين فقط وحصلوا على نتائج غامضة. يعد استخدامنا للتتبع النظائري أكثر صعوبة في التنفيذ ولكنه سيعطي نتائج أكثر وضوحًا.
بعد ظهر ذلك اليوم، عدنا إلى البحيرة. نرمي مرساة. تم ربط كيس بلاستيكي شفاف بحبله يحمل زجاجات مياه البحيرة المختومة التي تم تعديلها الآن باستخدام جهاز التتبع النظائري. سيقضون الليل في طبقة غنية بالكلوروفيل، وسنستعيدهم بعد 24 ساعة. وأي فترة أطول من ذلك، قد ينتهي الأمر بالعلامة النظائرية في البكتيريا التي تأكل البكتيريا الزرقاء المحتضرة بدلاً من البكتيريا الزرقاء نفسها. نربط الحبل بعوامة عائمة ونعود إلى قاعة الطعام بالمحطة لتناول وجبتنا المسائية.
الحديد، الكلوروفيل، الأكسجين
في صباح اليوم التالي، بينما ننتظر انتهاء الزجاجات من حضانةها، نقوم بجمع الماء من طبقات البحيرة المختلفة وإضافة بعض المواد الكيميائية التي تقتل الخلايا ولكنها تحافظ على أجسامها. سننظر إلى هذه العينات تحت المجهر لمعرفة عدد البكتيريا الزرقاء الموجودة في الماء، وسنقيس كمية الحديد الموجودة داخل البكتيريا الزرقاء.
إن قول ذلك أسهل من فعله، لأنه يتعين علينا أولاً فصل جميع “الإبر” (البكتيريا الزرقاء) عن “القش” (الخلايا الأخرى) ثم تنظيف أي حديد من الجزء الخارجي من البكتيريا الزرقاء. بالعودة إلى جامعة ولاية أيوا، سنطلق النار على الخلايا الفردية واحدة تلو الأخرى في لهب يحرقها، مما يحرر كل الحديد الذي تحتويه حتى نتمكن من قياسه.
حدسنا العلمي، أو فرضيتنا، هو أن البكتيريا الزرقاء التي تعيش في الطبقة الغنية بالكلوروفيل والحديد ستحتوي على حديد أكثر من البكتيريا الزرقاء التي تعيش في الطبقة العليا من البحيرة. وإذا فعلوا ذلك، فسوف يساعدنا ذلك في إثبات أن الوصول بشكل أكبر إلى الحديد هو دافع للعيش في تلك الطبقة الأعمق والأكثر قتامة.
لن تحكي هذه التجارب القصة الكاملة عن سبب استغراق الأرض وقتًا طويلاً لبناء الأكسجين، لكنها ستساعدنا على فهم جزء منها – أين يمكن أن يتم إنتاج الأكسجين ولماذا، وماذا حدث للأكسجين في ذلك بيئة.
سرعان ما أصبحت بحيرة ديمينج مصدر جذب خاص لأولئك الذين لديهم فضول حول ما يجري تحت سطحها الهادئ – وما يمكن أن يخبرنا به ذلك عن كيفية ترسخ أشكال الحياة الجديدة منذ فترة طويلة على الأرض.
تم إعادة نشر هذه المقالة من The Conversation، وهو موقع إخباري مستقل غير ربحي مخصص لمشاركة أفكار الخبراء الأكاديميين. تحتوي المحادثة على مجموعة متنوعة من النشرات الإخبارية المجانية الرائعة.
كتب بواسطة: إليزابيث سوانر، جامعة ولاية لوا.
اقرأ أكثر:
تتلقى إليزابيث سوانر تمويلًا من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية والإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء.