مصدر الأكسجين الذي نتنفسه

عملية التأكسد الكبرى

لم يحتو الغلاف الجوي للكرة الأرضية عند تكونها إلّا على القليل القليل من الأكسجين الحر، وبقي الوضع على هذا الحال خلال 1.5 - 2 مليار من السنين. لم تُطلق الكائنات الحية الأولى التي ظهرت بعد مرور مئات ملايين السنين من تكوّن الكرة الأرضية الأكسجين كما أنها لم تكن بحاجة لوجوده. كان الأكسجين بمثابة مادة سامة لتلك المخلوقات. 

من الجدير ذكره أنّ ذرات الأكسجين تواجدت في الكرة الأرضية وفي غلافها الجوي وأنّ إجمالي كمية الأكسجين في الكرة الأرضية وغلافها الجوي لم يتغير تقريبًا منذ تكونها. إنّ الذي يتغير بالفعل هو تركيز الأكسجين الجزيئي الحر، O2، في الغلاف الجوي. إذا قلّ تركيز الأكسجين الحر الجزيئي في الغلاف الجوي تزداد كمية الأكسجين الموجود في مواد أخرى تحتوي عليه كالماء (أحادي أكسيد ثنائي الهيدروجين) وثاني أكسيد الكربون وأكاسيد أخرى. 

لقد حدث التغيير مع ظهور البكتيريا الزرقاء والتي تسمى أحيانًا بالخطأ "الطحالب الزرقاء". كانت هذه الكائنات أحادية الخلية أول مخلوقات تقوم بعملية التركيب الضوئي - وهي عملية إنتاج الطاقة المصحوبة بإنتاج الأكسجين. تستغل البكتيريا ضوء الشمس لتحويل ثانى أكسيد الكربون إلى سكريات وهي مركبات كربون عضوية تستخدم لإنتاج الطاقة. الأكسجين هو ناتج مرافق لهذه العملية وينطلق إلى الغلاف الجوي. 

هكذا بدأت عملية "التأكسد الكبرى" قبل حوالي 2.4 مليار سنة: بدأت نسبة الأكسجين بالازدياد في الغلاف الجوي ازديادًا ملحوظًا فوصلت إلى بضع أجزاءٍ من المائة - وهي كمية كبيرة ومحسوسة بالرغم من أنها أقل كثيرًا من نسبته اليوم . كانت هذه عملية بطيئة جدًّا لأن الأكسجين الناتج منها تفاعل مع مواد متنوعة وذاب قسم منه في المحيطات مما أدّى إلى ارتفاع معتدل في تركيزه في الغلاف الجوي.

ما زالت مسببات هذه العملية قيد البحث والدراسة وهناك بعض العوامل التي ساهمت فيها. أحد هذه العوامل، وفقًا لنموذج مثير للاهتمام عُرض في نهاية العام 2019، هو النشاط البركاني والتكتوني. أدّى الازدياد الذي حدث في حركة الألواح التكتونية داخل الكرة الأرضية إلى تكوّن المزيد من الجبال البركانية. أدت الانفجارات البركانية الكثيرة إلى انطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون إلى الجو مُسببًا عامل الدفيئة الذي أدى إلى ارتفاع درجة الحرارة على الكرة الأرضية وذلك على غرار التغيرات المناخية الحاصلة في العصر الحاضر. 

يفترض الباحثون أنّ ازدياد كمية الرواسب نتيجة لارتفاع درجة الحرارة أدّى إلى ازدياد عمليات تآكل وتجوية التربة. ازدادت نتيجة لذلك كمية المعادن التي أضيفت إلى المحيطات. ارتفع تركيز المعادن في المحيطات في عملية بطيئة استمرت ملايين السنين وسهُلت على أثرها حياة البكتيريا الزرقاء بوجود هذه المعادن. ذلك ما يمكن أن يُفسّر ازدهارها (البكتيريا الزرقاء) و حصول عملية التأكسد الكبرى. يربط هذا النموذج الحديث نسبيًّا بين عملية التأكسد الكبرى وبين ظواهر جيولوجية أخرى ولكن هناك حاجة للمزيد من الدراسة من أجل تحديد مدى صلاحيته. 

كانت لعملية التأكسد الكبرى اثارٌ هامّة منها إتاحة المجال لوجود حياة مُركّبة: كانت جميع الكائنات الحية في الكرة الأرضية حتى هذه الفترة وحيدة الخلية وبسيطة نسبيًّا مثل البكتيريا في أيامنا. تحتاج الكائنات الحية كثيرة الخلايا إلى كمية أكبر من الطاقة لتعيش وهي تحصل عليها عن طريق استغلال أكسجين الجو. كان الأثر البالغ الآخر أنَّ وجود الأكسجين أتاح تكوّن طبقة الأوزون: الأوزون هو صورة تاصلية للأكسجين تكون فيها جزيئات الأكسجين مكونة من ثلاث ذرات، O₃، بخلاف الأكسجين العادي الذي تتكون جزيئاته من ذرتين، O₂. تحمينا طبقة الأوزون من أشعة الشمس فوق البنفسجية. لم يكن لطبقة الأوزون أن تتكوّن بدون وجود الأكسجين في الغلاف الجوي لأنه، أي الأوزون، ينتج عندما تصادم الأشعة فوق البنفسجية جزيئات الأكسجين التي في الغلاف الجوي. 

إنّ انتاج الطاقة عن طريق عملية تبادل المواد والمسماة "الفسفرة التأكسدية" التي تطورت في هذه الفترة أنجع كثيرًا من إنتاج الطاقة بدون وجود الأكسجين. بدأت تظهر بفضل هذه العملية مخلوقات أحادية الخلية لها نواة (حقيقيات النوى) وتبعتها مخلوقات كثيرة الخلية. 

لقد حدثت عملية واسعة النطاق اندثرت فيها معظم الكائنات الحية الأولى التي لم تستطع البقاء على قيد الحياة في البيئة المحيطة الغنية بالأكسجين جنبًا إلى جنب مع تطور الحياة المعقدة التي اعتمدت على الأكسجين. نحن نسْلُ اولئك الذين نجحوا في التأقلم بوجود الأكسجين بواسطة إنزيمات تُبطل سُمِّيَتَه ثمّ استخدموه لاحقًا لصالحهم وبقوا على قيد الحياة. لم تندثر سائر المخلوقات التي كان الأكسجين بمثابة سمّ لها اندثارًا تامًّا: توجد في الكرة الأرضية حتى اليوم  كائنات دقيقة لا تستطيع الحياة بوجود الأكسجين في بيئتها المحيطة. يعيش البعض منها في بيئة غريبة كأعماق المحيط ويعيش البعض الآخر في بيئات قريبة جدًّا إلينا مثل قسم من بكتيريا الأمعاء أو بكتيريا كلوستريديوم بوطولينوم (Clostridium botulinum) التي تؤدي إلى التسمم الغذائي. 

ما الذي حدث لاحقًا؟

لم يصل، كما ذكر أعلاه، مستوى الأكسجين إلى نسبة 21 بالمئة، كما هي نسبته في الجو اليوم، فورًا بعد عملية التأكسد الكبرى وتوقفت نسبته عند بضع أجزاء من المئة. يعود ذلك بالأساس إلى وجود كمية كبيرة جدًّا من الحديد في الكرة الأرضية. تأكسَدَ الحديد بالأكسجين فتحول إلى صدأ واستهلكت هذه العملية حصةً كبيرة من الأكسجين الذي تم امتصاصه من الغلاف الجوي. بدأت نسبة الأكسجين في الغلاف الجوي في الارتفاع ارتفاعًا ملحوظًا لتصل إلى ما هي عليه اليوم بعد أن تأكسدَ كل الحديد الموجود على سطح الكرة الأرضية في عملية بطيئة استمرت ملايين السنين. يظهر الحديد في قشرة الكرة الأرضية اليوم على شكل أكاسيد الحديد التي تُشكّل خاماته في التربة والصخور: الهيمتيت والمغنتيت.  

أثرت هذه العملية على المناخ عوضًا عن تأثيرها البيولوجي: انتشر غاز الميثان في الغلاف الجوي للكرة الأرضية قبل حدوث عملية التأكسد الكبرى. تفاعل الأكسجين المنبعث مع الميثان ونتج ثاني أكسيد الكربون وماء. الميثان هو غاز دفيئة أشدُّ تأثيرًا من ثاني أكسيد الكربون وقد أدّى تحلله، من خلال تفاعله مع الأكسجين، إلى حدوث عملية تبريد عالمية وتكوّن عصر جليدي كبير حدث بعد عملية التأكسد الكبرى بوقت قليل بالمقاييس الجيولوجية. لقد كان لتفاعل الميثان مع الأكسجين وامتصاص جزء منه لهذا الغرض دورٌ في إبطاء وتيرة ارتفاع تركيز الأكسجين في الجو. 

بقي مستوى الأكسجين ثابتًا عند بضع أجزاء من المئة خلال مليار سنة بعد نهاية عملية التأكسد الكبرى. نفدت معظم المواد القادرة على التفاعل مع الأكسجين وامتصاصه من الجو قبل حوالي 850 مليون سنة. بدأ مستوى الأكسجين بالارتفاع بشكل ملحوظ نتيجة لذلك وبدأت تتطور أجداد أجداد الحيوانات والنباتات التي نعرفها اليوم. 

تشير بعض النماذج المقبولة في الأوساط العلمية إلى ارتفاع مستوى الأكسجين في الجو إلى قدر  أكبر مما هو عليه اليوم ووصوله إلى حوالي 35 بالمئة وذلك قبل 300 - 350 مليون سنة، خلال العصر الكربوني. بقيت من هذا العصر الكثير من متحجرات الحشرات الضخمة التي كانت أكبر كثيرًا من الحشرات في عصرنا الحاضر، وهناك من يدّعي أنّ نسبة الأكسجين العالية قد ساعدت في ازدياد حجمها. تتيح البيئة المحيطة الغنية بالأكسجين ازدهار الحشرات التي تفتقر للرئات والجهاز الدموي المغلق ويصل الأكسجين الذي تتنفسه إلى خلاياها عن طريق الانتشار فقط، فكلما كانت الحشرة أكبرحجمًا قلت النسبة بين السطح الخارجي لجسمها وبين حجمها وازدادت حاجتها إلى الأكسجين. 

ما زال هذا الادعاء موضوعًا للخلاف على الرغم من المنطق الذي يبدو منه وتشير دراسات أخرى إلى أنّ مستوى الأكسجين ليس هو العامل الوحيد الذي من شأنه أن يعمل على تقييد كبر حجم الحشرات. هناك من يخالف الادعاء بأنّ مستوى الأكسجين في الجو قد وصل مقدارًا عاليًا إلى هذا الحد في العصر الكربوني ولكن من المتفق عليه أنّ مستوى الأكسجين في الهواء وصل خلال هذه الفترة إلى ذروته.

يبقى مستوى الأكسجين ثابتًا في الجو لأنّ العمليتين (التركيب الضوئي والتنفس والاحتراق) توازن إحداهما الأخرى وقد تكون حصلت تغيرات في هذا المستوى قبل عشرات حتى مئات الملايين من السنين. لم تتغير هذه الصورة كثيرًا إذ لم يقل تركيز الأكسجين في الجو حتى مع الازدياد الكبير في حرق الوقود منذ بداية الثورة الصناعية. صحيحٌ أنّ تركيز ثاني أكسيد الكربون ازداد بمقدار مرة ونصف تقريبًا، من 0.028 بالمئة إلى 0.04 بالمئة، خلال القرنين الماضيين الذين استخدم فيهما الإنسان كميات كبيرة من الوقود الأحفوري عن طريق حرقه. على الرغم من كونه ارتفاع كبير فهو قابل للإهمال بالمقارنة مع تركيز الأكسجين البالغ، كما ذُكر انفًا، 21 بالمئة. يظل الفارق مهملًا حتى إذا افترضنا أنَّ تكوّن كل جزيئ من ثاني أكسيد الكربون يؤدي إلى إزالة جزيئ واحد من الأكسجين من الجو.  

أضف إلى ذلك أنّ كميات الأكسجين التي تنطلق في الجو ثم تُستوعب منه سنويًّا هي كميات صغيرة إذا ما أخذنا بعين الاعتبار ضخامة الغلاف الجوي. سوف تمر آلاف السنين قبل أن يحصل انخفاض ملحوظ في نسبة الأكسجين في الهواء حتى لو توقفت عمليات التركيب الضوئي في الكرة الأرضية توقفًا تامًّا مفاجئًا. من المفهوم في هذه الحالة أنّ النقص في الغذاء نتيجة انهيار السلاسل الغذائية المتعلقة بعملية التركيب الضوئي تعلقًا تامًّا سيؤدي بحد ذاته إلى أزمة بالغة بسرعة فائقة. 

حرق كل الوقود الأحفوري على أنواعه - البترول والفحم والغاز الطبيعي كلها - يكادُ لا يؤثر على تركيز الأكسجين في الغلاف الجوي. يمكن تشبيه أكسجين الغلاف الجوي ببرميل هائل في كبره له حنفية صغيرة في أعلاه تصبُّ فيه القطرات وحنفية أخرى مثلها في أسفله. صحيح أنّ الحنفيتين توازنان بعضهما بعضًا لكن، نظرًا لكبر البرميل الهائل، سوف تمر آلاف السنين قبل أن نلاحظ  انخفاضًا ملموسًا في مستوى الماء (الأكسجين) داخل البرميل حتى لو توقفت الحنفية العليا عن الصبّ فيه بشكل مفاجئ. لن ينفد الأكسجين الذي نحتاجه للتنفس في عشرات الاف السنين القادمة مهما كانت كمية الوقود الذي يُحرق ولا كمية الأشجار التي تُقطع. لكن من الواضح أنّ لقطع الأشجار وحرق الوقود آثار بيئية سلبية بالغة أخرى. يمكن الاطمئنان وتنفس الصعداء في الوقت الحالي بما يخص الأكسجين على الأقل.

سينقص الأكسجين، على الرغم من ذلك، في بيئات معينة مثل المحيطات. تؤدي عوامل عديدة مثل ارتفاع درجة الحرارة إلى انخفاض ذائبية الأكسجين في الماء وانخفاض كميته المتوفرة لتنفس الأسماك والكائنات البحرية الأخرى. تبرز هذه الظاهرة على سبيل المثال بجانب محطات توليد الطاقة وغيرها من المصانع التي تضخ إليها كميات كبيرة من ماء البحر للتبريد وتعيد إليه ماءً ساخنًا. كما أنّ هناك تخوفٌ من أن يؤدي الاحترار العالمي إلى تقليل كمية الأكسجين في المحيطات والإضرار بالكثير من الكائنات الحية. يوجد اختلاف في الرأي بما يتعلق في الحجم الحقيقي المتوقع لهذا الانخفاض. 

يمكن القول إذًا إنّ تركيز الأكسجين تغير بشكل ملحوظ على مدار مليارات السنين من عمر الكرة الأرضية. إنّ ما أحدثته البكتيريا الزرقاء بالغة الصغر من تغييرٍ بيئيٍّ واسع النطاق في الكرة الأرضية  والذي ترك أثرًا بالغًا فيها وأتاح تواجد الإنسان عليها لهو أمر مثير حقًّا.