Redox heterogeneity as an engine of biodiversity: A quantitative murburn formalism for micro-oxic ecosystems

إن الحياة على كوكب الأرض هي قصة توازن، لا سيالما عندما يتعلق الأمر بالهواء الذي نتنفسه. فبالنسبة لمعظم الكائنات الحية، يمثل الأكسجين الوقود الذي يحرك النمو والحركة، بينما يشكل نقصه عائقاً أمام البقاء. وفي العالم الطبيعي، نادراً ما تكون البيئات متجانسة؛ فهي مليئة بالبقع التي ترتفع فيها مستويات الأكسجين وتنخفض، مما يخلق فسيفساء من الظروف المتباينة. وقد لاحظ العلماء منذ زمن طويل أن أكبر تنوع للحياة غالباً ما يظهر ليس في الأماكن ذات الأكسجين الوفير أو الظلام الدامس، بل في المنطقة الوسطى الفوضوية والمتقلبة حيث يتواجد الأكسجين ولكن بنسب ضئيلة. هذه هي المناطق التي يقل فيها الهواء، مثل الحواف الطينية لمجاري الأنهار، أو الطبقات اللزجة داخل الأمعاء البشرية، أو أعماق المحيطات حيث يندر الأكسجين. والسؤال الذي حير علماء البيئة لعقود هو لماذا تبدو هذه الظروف الصعبة والمتقلبة بمثابة حضانة للعديد من الأنواع المختلفة، مما يسمح لها بالعيش جنباً إلى جنب رغم أنها قد تتنافس على نفس الموارد.

تقترح دراسة جديدة طريقة جديدة لفهم هذه الظاهرة، مشيرة إلى أن المفتاح لا يكمن فقط في كيفية استخدام الكائنات للأكسجين، بل في كيفية سلوك الأكسجين نفسه عندما يكون شحيحاً. ويرى الباحثون، استناداً إلى مفهوم يسمى "صيغة ميربورن" (murburn formalism)، أن الأكسجين يفعل أكثر من مجرد تغذية الخلايا. فعندما تكون مستويات الأكسجين منخفضة وغير مستقرة، يتفكك الجزيء بطريقة تخلق حقلاً مستمراً ومتغيراً من الجسيمات الصغيرة شديدة التفاعل. هذه الجسيمات، التي يسميها المؤلفون "الأنواع التفاعلية القابلة للانتشار"، تعمل كرسل غير مرئية تغير البيئة الكيميائية لحظة بلحظة. وبدلاً من وجود مشهد ثابت حيث يتقاتل كل كائن حي على مكان محدد، تخلق هذه الجسيمات التفاعلية تضاريس ديناميكية متغيرة باستمرار. وتشير الدراسة إلى أن هذا التحول الكيميائي المستمر يمنع أي نوع واحد من الهيمنة، مما يجبر النظام البيئي على البقاء في حالة من التدفق تسمح للعديد من أنواع الحياة بالتعايش.

ولاختبار هذه الفكرة، بنى الباحثون نموذجاً حاسوبياً يحاكي كيفية تحرك الأكسجين وهذه الجسيمات التفاعلية عبر الزمان والمكان في بيئات مثل التربة، ورواسب المحيطات، وبطانة الأمعاء. ولم يعتمدوا على التخمين أو مراقبة موقع واحد؛ بل أنشأوا عالماً افتراضياً تحكمه قوانين انتشار المواد الكيميائية وتفاعلها. وفي هذه المحاكاة، راقبوا ما يحدث عندما يتم ضبط مستويات الأكسجين بكميات مختلفة. وأظهرت النتائج أنه عندما كان الأكسجين مرتفعاً جداً أو منخفضاً جداً، تصبح البيئة الكيميائية مستقرة للغاية أو قاسية للغاية بحيث لا يمكن للتنوع أن يزدهر. ومع ذلك، عند المستويات المتوسطة، حيث يتواجد الأكسجين ولكن بشكل متقلب، أنتج النموذج نسيجاً غنياً من أشكال الحياة المختلفة. وقد أظهرت عمليات المحاكاة أن الخلق المستمر لهذه الجسيمات التفاعلية وحركتها يولد طبيعياً مشهداً لا يستطيع فيه أي كائن حي واحد السيطرة. وقد حدث هذا دون أن يضطر الباحثون إلى برمجة أي قواعد خاصة للكائنات لتقسيم الموارد أو إيجاد منافذ منفصلة؛ فقد انبثق التنوع تلقائياً من الكيمياء نفسها.

كما بحثت الدراسة في كيفية تأثير الحيوانات الأكبر حجماً على هذه العملية. ففي عمليات المحاكاة، وُجد أن حركة الكائنات المائية الأكبر حجماً تعمل على تحريك المياه والتربة، مما يعيد تشكيل تدفق الأكسجين والجسيمات التفاعلية. هذا الخلط الفيزيائي خلق بنية معقدة واسعة النطاق من التدرجات الكيميائية التي دعمت بدورها مجموعة أوسع من الحياة. ويرى المؤلفون أن هذه الحيوانات الأكبر تعمل كمهندسين غير مباشرين للتنوع البيولوجي، ليس فقط من خلال الأكل أو الحركة، بل من خلال إعادة ترتيب الظروف الكيميائية التي تعتمد عليها الكائنات الأصغر باستمرار. وتوحي النتائج بأن الحدود بين الحالات الكيميائية المختلفة ليست مجرد حواجز، بل هي مناطق نشطة حيث تتكيف الحياة وتتجدد باستمرار.

يتحدى هذا العمل الرؤية التقليدية التي تقول إن التنوع البيولوجي مدفوع أساساً بقدرة الكائنات على إيجاد طرق منفصلة لاستخدام الموارد لتجنب الصراع فيما بينها. بدلاً من ذلك، يشير العمل إلى أن البيئة نفسها هي محرك التنوع. وتجادل الورقة البحثية بأن عدم الاستقرار ذاته في مناطق نقص الأكسجين، والناتج عن السلوك غير المتوقع للجسيمات المشتقة من الأكسجين، يخلق هدفاً متحركاً يبقي الأنظمة البيئية ديناميكية. وبينما تعتمد الدراسة على عمليات المحاكاة الحاسوبية بدلاً من القياسات الميدلية المباشرة لكل متغير، إلا أن النموذج يتوافق مع الملاحظات الواقعية لأماكن وفرة الحياة. ويقترح الباحثون أن واجهات الأكسدة والاختزال المتقلبة هذه، حيث تكون الظروف الكيميائية في حركة مستمرة، تعمل كنقاط ساخنة للتغير التطوري والحفاظ على المجتمعات المعقدة. ومن خلال النظر إلى الأكسجين ليس كغذاء فحسب، بل كمولد للفوضى الكيميائية، يقدم هذا المنظور الجديد تفسيراً كمياً لسبب كون أكثر الأنظمة البيئية حيوية وتنوعاً هي غالباً تلك الموجودة في الزوايا الهادئة والفقيرة بالأكسجين في عالمنا.