Formation of Silica-Containing Thrombolites: A Case Study of Visean Limestone in Fukushima Prefecture, Japan

في أعماق أمواج الماضي السحيق، غالبًا ما تترك الحياة وراءها أكثر من مجرد عظام أو أصداف. فأحيانًا، تترك صخورًا بنيت بواسطة مجتمعات مجهرية من البكتيريا والطحالب، تُعرف باسم "الميكروبياليت" (microbialites). يمكن لهذه الهياكل الحية أن تنمو لتصبح تلالاً ضخمة ذات طبقات، أو تشكل كتلًا إسفنجية متكتلة تسمى "ثرومبوليت" (thrombolites). وعلى مدار أكثر من قرن، درس العلماء هذه الصخور لفهم البيئات التي تشكلت فيها والكائنات الدقيقة التي بنتها. وكان أحد الأسئلة الرئيسية في هذا المجال هو كيفية امتلاء أجزاء معينة من هذه الصخور بالسيليكا، وهي مادة صلبة تشبه الزجاج. وبينما افترض بعض الباحثين أن الطبقات الغنية بالسيليكا في الصخور القديمة بُنيت مباشرة بواسطة أنواع محددة من الكائنات المنتجة للسيليكا، تساءل آخرون عما إذا كانت هذه الطبقات قد تشكلت لاحقًا، بعد دفن الصخر، من خلال تغيرات كيميائية في التربة. إن فهم هذا الفرق أمر بالغ الأهمية لأنه يغير كيفية قراءتنا لتاريخ الحياة على الأرض؛ فإذا كانت السيليكا إضافة لاحقة، فإنها تحكي قصة التفاعلات الكيميائية بدلاً من النشاط المباشر لكائن قديم محدد.

في دراسة حديثة، فحص باحثون قطعة محددة من الحجر الجيري القديم في محافظة فوكوشيما باليابان، لحل هذا اللغز. تعود الصخرة التي درسوها إلى العصر الفيسيني (Visean)، وهو زمن يعود إلى حوالي 340 مليون سنة مضت، عندما كانت الأرض تتعافى من انقراض جماعي وكانت أنواع جديدة من الشعاب المرجانية تبدأ في الازدهار. ركز الفريق على تكوين يُعرف باسم "تاتييشي" (Tateishi)، وهو مشهور بالحجر الجيري الرمادي الداكن الذي يحتوي على أحافير المرجان وكائنات بحرية أخرى. ومع ذلك، لم يكن الباحثون مهتمين بالأحافورات الكبيرة بقدر اهتمامهم بالنسيج المجهري للصخر نفسه. وقد وجدوا أن جزءًا كبيرًا من هذا الحجر الجيري هو "ثرومبوليت"، وهو نوع من الصخور الميكروبية يتميز بنسيج متكتل وكتلي بدلاً من الطبقات الناعمة. وداخل هذه الكتل، اكتشفوا شيئًا غير عادي: كانت حواف الكتل غنية بالسيليكا، كما احتوت بعض أجزاء الصخر أيضًا على بلورات صغيرة من البيريت (pyrite)، وهو معدن يُطلق عليه غالبًا اسم "ذهب الحمقى".

لفهم كيفية تشكل هذه السمات، جمع الفريق عشرات العينات الصخرية وقطعها إلى مقاطع رقيقة جدًا بحيث يمكن للضوء المرور من خلالها. ثم استخدموا مجاهر قوية ومحللات كيميائية لرسم خريطة لتوزيع العناصر داخل الصخر. وما وجدوه كان نمطًا واضحًا: كان مركز الهياكل المتكتلة غنيًا بالكالسيوم، وهو المكون الرئيسي للحجر الجيري، بينما كانت الحواف الخارجية غنية بالسيليكون. شكل هذا السيليكون طبقة متميزة، يصل سمكها أحيانًا إلى ثلاثة مليمترات، تحيط باللب الغني بالكالسيوم. لاحظ الباحثون أيضًا أن بلورات البيريت الصغيرة كانت توجد غالبًا عند الحد الفاصل حيث تلتقي طبقة السيليكون ببقية الصخر. هذا الترتيب المحدد يشير إلى أن السيليكا لم تبدأ كقشرة صلبة بناها كائن حي. بدلاً من ذلك، أشارت الأدلة إلى عملية حدثت بعد دفن الصخر.

يقترح الباحثون تسلسلًا للأحداث يفسر هذه النتائج دون الحاجة إلى ابتكار أنواع جديدة من الكائنات القديمة. فهم يقترحون أن الهياكل المتكتلة بدأت كمجموعات كثيفة من الكائنات المجهرية، مثل الطحالب الدقيقة المكلّسة والبكتيريا. ومع موت هذه الكائنات ودفن بقاياها تحت طبقات من الرواسب، بدأت المادة العضوية داخل الكتل في التحلل. هذه العملية من التحلل استهلكت الأكسجين وأطلقت أحماضًا، مما أدى إلى خفض حموضة المياه المحتجزة في المسام الصغيرة للصخر. أدى هذا الانخفاض في الحموضة إلى ذوبان الحجر الجيري المحيط قليلًا، مما خلق مساحة أكبر. وفي الوقت نفسه، تسببت التغيرات الكيميائية في جعل السيليكا الذائبة، التي كانت تطفو في مياه المسام، تتصلب وتترسب من المحلول. ترسبت هذه السيليكا على الحواف الخارجية للكتل المتحللة، مكونة الحافة الصلبة الشبيهة بالزجاج التي لاحظها الباحثون. ويدعم وجود البيريت هذه القصة، حيث يتشكل البيريت عندما تقوم البكتيريا بتفكيك المادة العضوية في بيئات منخفضة الأكسجين، مما يؤدي إلى إطلاق الكبريت الذي يتفاعل مع الحديد.

كما بحثت الدراسة في هياكل أخرى في الصخر، بما في ذلك الطبقات الرقيقة الشبيهة بالصفائح وأسطح أحافير المرجان. وفي كلتا الحالتين، وجد الباحثون طبقات مماثلة غنية بالسيليكا. فعلى سبيل المثال، كانت أحافير المرجان غالبًا مغطاة بقشرة رقيقة من السيليكا بدت وكأنها تآكلت في سطح المرجان الأصلي، مما يشير إلى أن الحجر الجيري قد ذاب قبل أن تحل السيليكا محله. واستبعد الفريق فكرة أن هذه الطبقات السيليكية قد بُنيت بواسطة كائنات منتجة للسيليكا مثل الدياتومات (diatoms)، التي لم تكن موجودة في ذلك الوقت من تاريخ الأرض، أو بواسطة الأغلفة الخارجية اللزجة للبكتيريا، والتي كانت ستخلق طبقات أرق بكثير. بدلاً من ذلك، تشير الأدلة بقوة إلى أن طبقات السيليكا هي سمة ثانوية، أي قشرة كيميائية تشكلت بفعل تحلل المجتمع الميكروبي الأصلي.

يقدم هذا الاكتشاف طريقة جديدة للنظر إلى الصخور القديمة. فهو يشير إلى أنه عندما يرى العلماء حوافًا غنية بالسيليكا على الهياكل الميكروبية، فلا ينبغي لهم افتراض وجود نوع محدد من الكائنات البانية للسيليكا تلقائيًا. بدلاً من ذلك، يمكن أن تكون هذه السمات نتيجة لعملية كيميائية شائعة: تحلل المادة العضوية الذي يحفز ترسب السيليكا. هذه الآلية لا تتطلب بيئة فريدة أو مجموعة خاصة من الكائنات؛ إذ يمكن أن تحدث أينما تتحلل المادة العضوية في مياه غنية بالسيليكا. ومن خلال إدراك أن بعض الأجزاء الصلبة والزجاجية لهذه الصخور القديمة هي في الواقع نتيجة لتغيرات كيميائية مبكرة وليس نتيجة للمخطط البيولوجي الأصلي، يمكن للعلماء إعادة بناء التاريخ الحقيقي للمجتمعات الميكروبية التي عاشت قبل ملايين السنين بشكل أفضل. وتخلص الدراسة إلى أن الأنسجة المعقدة لهذه الصخور القديمة هي مزيج من أشكال الحياة الأصلية والتفاعلات الكيميائية التي تلت دفنها، مما يعد تذكيرًا بأن قصة الصخر غالبًا ما تُكتب في طبقات من كل من البيولوجيا والكيمياء.