Large sulfur isotope fractionation during microbial sulfate reduction at low sulfate levels: Early life and environmental implications
تُظهر هذه الدراسة أن اختزال الكبريتات الميكروبي يمكن أن ينتج تجزئة نظائر كبريتية كبيرة حتى عند تركيزات كبريتات منخفضة للغاية، مما يقدم دليلاً على حدوث اختزال الكبريتات التباعدي النشط منذ زمن مبكر يعود إلى 2.7 مليار سنة، ويتحدى الفرضية القائلة بأن غياب البيريت المستنفد نظائرياً قبل 2.5 مليار سنة كان يعود حصراً إلى محدودية الكبريتات.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في أعماق تاريخ كوكبنا، دارت دراما كيميائية هادئة شكلت الهواء الذي نتنفسه والحياة التي نعرفها. وفي قلب هذه القصة يكمن الكبريت، وهو عنصر يعمل كمفتاح حاسم في كيمياء سطح الأرض، حيث يتفاعل مع الأكسجين والكربون والحديد لتنظيم البيئة. وقبل وقت طويل من سريان البشر على الأرض، اكتشفت الكائنات الحية الدقيقة وسيلة لحصاد الطاقة عبر أخذ الكبريتات، وهي ملح شائع ذائب، وتجريدها لتصبح كبريتيد. تُعد هذه العملية، المعروفة باسم اختزال الكبريتات التبديلي، واحدة من أقدم الاستراتيجيات الأيضية التي طورتها الحياة على الإطلاق. وعندما تقوم هذه الميكروبات بهذه المهمة، فإنها تترك بصمة كيميائية مميزة: فالكبريتيد الذي تنتجه يكون أخف في تكوينه الكبريتي من الكبريتات التي بدأت بها. وعلى مر مليارات السنين، تفاعل هذا الكبريتيد مع الحديد في الطمي لتكوين البيريت، وهو معدن يحفظ هذه البصمة النظائرية في السجل الصخري. لطالًا ما استخدم العلماء أحجار البيريت القديمة هذه كآلة زمن، بحثًا عن دليل على متى ظهرت هذه الميكروبات لأول مرة. ومع ذلك، ظل لغز كبير قائمًا: فالصخور التي يعود تاريخها إلى ما قبل 2.5 مليار سنة تفتقر إلى الإشارة الكيميائية القوية التي تشير إلى نشاط هذه الميكروبات، مما دفع الكثيرين للاعتقاد بأن اختزال الكبريتات ربما لم يكن موجودًا بعد، أو أن المحيطات القديمة كانت فقيرة جدًا في الكبريتات بحيث لا تستطيع الميكروبات العمل بفعالية.
شرع باحث في حل هذا الغموض من خلال النظر إلى المشكلة من زاوية مختلفة، بالتركيز على الظروف المحددة للمحيطات القديمة. فقد كان يعلم أنه في البيئات الحديثة حيث يندر الكبريتات، يمكن للبصمة الكيميائية التي تتركها الميكروبات أن تصبح باهتة أو مربكة، مما قد يخفي أدلة نشاطها. ولفهم كيفية حدوث ذلك، سافر العالم إلى ثمانية بيئات طبيعية مختلفة، تتراوح من المياه المالحة الغنية بالكبريتات في المحيط الحديث إلى البحيرات العذبة للغاية حيث يوجد الكبريتات بكميات ضئيلة جدًا وأثرية. قام بجمع عينات من الرواسب من هذه المواقع، واستخرج بعناية حبيبات البيريت الصغيرة المحاصرة داخل الطمي. وبدلاً من مجرد قياس المتوسط لتركيبة العينة الصخرية بأكملها، استخدم تقنية متطورة لتحليل نظائر الكبريت في حبيبات البيريت الفردية، باحثًا عن أوسع الاختلافات الممكنة بين الحبيبات الأثقل والأخف. سمح لهم هذا النهج على المستوى المجهري برؤية النطاق الكامل للتغيرات الكيميائية التي تحدث مباشرة حيث تعمل الميكروبات، بدلاً من الحصول على متوسط قد يطمس التفاصيل.
كانت النتائج مذهلة. فحتى في البحيرات حيث كان الكبريتات نادراً للغاية -بتركيزات منخفضة تصل إلى ثلاثة ميكرومولات، وهي كمية ضئيلة للغاية- لا تزال الميكروبات تنتج تحولًا كيميائيًا هائلاً. فقد بلغ الفرق بين الكبريتات في الماء والكبريتيد في البيريت ما يقرب من 48 جزءًا في الألف، وهي قيمة تقارب ما يُرى في البيئات الغنية بالكبريتات. لقد دحض هذا الاكتشاف الافتراض القائل بأن مستويات الكبريتات المنخفضة يجب أن تؤدي حتمًا إلى إشارة كيميائية ضعيفة أو غير مرئية. واكتشف الباحث أن الميكروبات كانت لا تزال تؤدي مهمة حصاد الطاقة الخاصة بها بكفاءة عالية، تاركة علامة نظائرية واضحة وواسعة النطاق يمكن حفظها في السجل الصخري. وفر هذا الملاحظة مفتاحًا جديدًا لقراءة الماضي السحيق، مما يشير إلى أن غياب هذه الإشارة في الصخور القديمة جدًا قد لا يعني غياب الميكروبات، بل يعني أن الإشارة كانت محجوبة أو متغيرة بفعل عوامل أخرى.
مسلحًا بهذا الفهم الجديد لكيفية سلوك الميكروبات في ظروف انخفاض الكبريتات، وجه الباحث اهتمامه مرة أخرى إلى السجل الصخري القديم، وتحديدًا بالنظر في العينات التي يعود تاريخها إلى ما قبل 2.2 مليار سنة. قام بتجميع آلاف القياسات من الدراسات السابقة وطبق معاييره الجديدة لتحديد أي العينات تعكس حقًا النشاط الأصلي للميكروبات القديمة. ووجد ثلاث تشكيلات صخرية محددة، يعود تاريخها إلى حوالي 2.7 مليار سنة، أظهرت نطاقًا واسعًا من الاختلافات النظائرية المميزة لاختزال الكبريتات النشط. هذه الصخور، التي تشكلت في محيط كان يحتوي على بضعة إلى بضع عشرات من الميكرومولات فقط من الكبريتات، قدمت دليلًا موثوقًا على أن هذه الميكروبات كانت تزدهر في وقت أبكر بكثير مما كان يُعتقد سابقًا. تشير الدراسة إلى أنه بحلول 2.7 مليار سنة مضت، كانت الميكروبات قد أنشأت مسارًا أيضيًا كاملاً قادرًا على العمل في الكميات الضئيلة من الكبريتات المتاحة في المحيطات المبكرة.
ومع ذلك، توضح القصة أيضًا سبب صمت السجل لما قبل 2.7 مليار سنة. يقترح الباحث سببين محتملين لضعف الإشارات في أقدم الصخور. أولاً، قبل تطور مسار اختزال الكبريتات الكامل، ربما كانت الميكروبات المبكرة تختزل مادة كيميائية مختلفة، وهي السلفيت، وهي مادة سلف للكبريتات. هذا الشكل الأبكر من الأيض قد يكون أنتج تحولًا كيميائيًا أصغر بكثير، تاركًا أثرًا أخفت في الصخور. ثانيًا، قد تكون الحرارة الشديدة والضغط في التاريخ الجيولوجي للأرض قد غيرا أقدم الصخور، مما أدى إلى تسوية الاختلافات الكيميائية المتميزة وجعلها تبدو متجانسة. وتظهر الدراسة أنه عندما تخضع الصخور للتحول (metamorphism)، فإن الأنماط النظائرية الفريدة التي خلفتها الميكروبات تُمحى، تاركة وراءها نطاقًا ضيقًا من القيم يمكن الخلط بينه وبين غياب النشاط الميكروبي. ومن خلال التمييز بين هذه التغييرات الجيولوجية والإشارات البيولوجية الأصلية، أوضح الباحث الجدول الزمني للحياة المبكرة، مما دفع الوجود المؤكد للميكروبات المختزلة للكبريتات إلى فجر عصر النيوأركي (Neoarchean)، وقدم صورة أوضح لكيفية تكيف الحياة مع القيود الكيميائية للأرض المبكرة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.