هل تعلم أن معظم الأكسجين الذي نتنفسه لا يأتي في الواقع من النباتات؟

 

من أين يأتي الأكسجين الذي تتنفسه حقًا؟ في الواقع، فهو لا يأتي في المقام الأول من النباتات، ولكن من مصدر أقدم بكثير وأكثر إثارة للدهشة.

من المعروف أن الحيوانات - بما في ذلك البشر - أثناء عملية التنفس تحصل على الأكسجين من البيئة، وفي المقابل تطرد ثاني أكسيد الكربون . نحن نعلم أيضًا أن النباتات، من ناحية أخرى، تحصل على ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي، ومن خلال عملية التمثيل الضوئي ، تلتقط الكربون وتطرد الأكسجين. قد يبدو من المنطقي إذن أن نستنتج أن الأكسجين الذي نتنفسه يتم إنتاجه بواسطة النباتات. لدرجة أن الدراسات الاستقصائية التي أجرتها المؤسسة الإسبانية للعلوم والتكنولوجيا، حول الإدراك الاجتماعي للعلوم، عندما يتعلق الأمر بتقييم الثقافة العلمية للسكان، تقترح العبارة التالية، والتي يجب الإجابة عليها سواء كانت صحيحة أو خاطئة: الأكسجين الذي نستخدمه التنفس يأتي من النباتات . تجيب الأغلبية بأن العبارة صحيحة، ويعتبر الكائن أن الاستجابة صحيحة.

لكن في الواقع، إذا قمنا بالحسابات، من كل الأكسجين الذي نتنفسه، فإن الجزء المتناسب الذي تولده النباتات صغير جدًا . معظمها له أصل مختلف.

الأشجار ليست المصدر الرئيسي للأكسجين

النباتات التي نعرفها جميعاً هي كائنات حية تقوم بالتمثيل الضوئي، وتنتج الأكسجين مقابل الاحتفاظ بالكربون، ما دام هناك ضوء الشمس وثغورها مفتوحة . الثغور هي نوع من الصمامات المجهرية الموجودة في الأوراق، والتي تسمح بتبادل الغازات بين النبات والجو. من بين النباتات، الأشجار هي الأكثر قيمة ، ربما لأنه من المفترض أنه كلما كانت أكبر، كلما كانت أكثر فعالية. ومع ذلك، فإن الأشجار ليست منتجة في مهمتها كما نعتقد.

في النباتات هناك علاقة بين سطح التمثيل الضوئي والكتلة الحيوية ، وكلما زادت هذه العلاقة، زادت كفاءة إنتاج الأكسجين.

تعتبر الأشجار  جيدة جدًا في الاحتفاظ بالكربون : فهي تلتقطه من الغلاف الجوي وتخزنه في أنسجتها لعقود وحتى قرون؛ بينما الأعشاب، ذات العمر القصير، سرعان ما تطلق الكربون في التربة. علاوة على ذلك، يستغرق الخشب وقتًا طويلاً ليتحلل، فحتى الشجرة الميتة تستمر في الاحتفاظ بالكربون في أنسجتها لفترة طويلة. ولكن عندما يتعلق الأمر بإنتاج الأكسجين، هناك الكثير من النباتات الأخرى التي تتقدم في المقدمة .

تنتج النباتات العشبية كمية أكبر من الأكسجين مقارنة بالأشجار

يتكون جزء كبير من كتلة الشجرة من الجذور والجذع والفروع واللحاء ، وهي أجزاء من الشجرة لا تحتوي على الكلوروفيل، وبالتالي لا تقوم بعملية التمثيل الضوئي . علاوة على ذلك، فإن العديد من هذه الأنسجة حية وتتنفس، مما يستهلك الأكسجين. تنخفض عملية التمثيل الضوئي في الأوراق، ومع تنفس بقية الأنسجة، ينخفض ​​التوازن النهائي لإنتاج الأكسجين. نسبيًا، من حيث التمثيل الضوئي، فإن النباتات العشبية ، التي تقوم سيقانها الخضراء أيضًا بعملية التمثيل الضوئي، تكون أكثر كفاءة.

وبطبيعة الحال، تنتج قطعة من العشب كمية أقل من الأكسجين مقارنة بالشجرة، ولكن إذا قارنتها بموازنة الكتلة الحيوية، فإن مائة طن من النباتات العشبية تنتج كمية من الأكسجين أكبر بكثير مما تنتجه مائة طن من الأشجار . في الواقع، إذا نظرت إلى الغابة ككل ، فإن المناظر الطبيعية، التي تهيمن عليها الأشجار والشجيرات والنباتات العشبية، تحتوي أيضًا على كمية معينة من الحيوانات والكائنات الحية الدقيقة التي تسكن داخلها وتربتها. كل تلك الكائنات الحية التي تتنفس، تلتقط الأكسجين وتزفر ثاني أكسيد الكربون؛ وأثناء الليل، تستمر الغابة في التنفس، ولكن لا تقوم بعملية التمثيل الضوئي. باختصار، بغض النظر عن مقدار عملية التمثيل الضوئي التي تقوم بها نباتات الغابات، فإن صافي كمية الأكسجين التي يساهم بها النظام البيئي بأكمله في الغلاف الجوي عادة ما تكون صفرًا تقريبًا. يقال أن الميزان محايد .

كلما كان الجسم أصغر، كلما كان الجسم أكثر إنتاجية

هناك كائنات حية أخرى أكثر إنتاجية من النباتات: الطحالب . حتى أصغر النباتات العشبية تحتوي على أجزاء غير قابلة للتمثيل الضوئي، مثل الحزم الوعائية أو الجذور. الأجزاء التي لا تنتج الأكسجين ولكنها تستهلكه أثناء التنفس. ومع ذلك، في مجموعات معينة من الطحالب، وخاصة تلك الطحالب الخيطية أو وحيدة الخلية بطبيعتها، جميع الخلايا التي تشكل الكائن الحي هي خلايا ضوئية .

عندما يقوم الجسم بأكمله بالتمثيل الضوئي، ترتفع كفاءة إنتاج الأكسجين بشكل كبير. ولا يوجد سيقان بدون الكلوروفيل، ولا جذور لا يصل إليها الضوء أبدًا . كل خلية تنتج الأكسجين. وهذا يعني أنه إذا كانت مائة طن من النباتات العشبية تنتج أكسجينًا أكثر بكثير من مائة طن من الأشجار، فإن مائة طن من الطحالب تنتج كمية أكبر.

على عكس النظم البيئية الأرضية، التي يكون فيها صافي إنتاج الأكسجين منخفضًا نسبيًا، وفي التوازن المحايد، في النظم البيئية المائية يكون التوازن الصافي إيجابيًا. في الواقع، يتم إنتاج ما يصل إلى 85% من الأكسجين الذي يتم إطلاقه في الغلاف الجوي كل عام بواسطة الكائنات الحية الدقيقة المائية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي .

وبينهم أيضًا اختلافات في الكفاءة. بالذهاب إلى التركيب الخلوي، يحتوي الكائن حقيقي النواة على خلية بها نواة وعضيات، إحداها هي البلاستيدات الخضراء. على الرغم من أن البلاستيدات الخضراء تقوم بعملية التمثيل الضوئي، إلا أن بقية الخلية تستمر في عملية التمثيل الغذائي والتنفس. ومع ذلك، فإن الكائن الحي بدائيات النواة، مثل البكتيريا الزرقاء، هو في حد ذاته بلاستيدات خضراء حية . إنه يخصص جزءًا أكبر بكثير من عملية التمثيل الغذائي لعملية التمثيل الضوئي.

وبهذا المعنى، فإن البكتيريا الزرقاء من جنس البروكلوروكوكوس هي أصغر الكائنات الحية المعروفة التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي ، وتلك التي تتمتع بعملية التمثيل الضوئي الأكثر كفاءة، وأيضًا الكائنات الحية الأكثر وفرة المعروفة . ويقدر عدد سكانها على مستوى العالم بثلاثة آلاف كوادريليون فرد (ثلاثة تليها 27 صفراً). وهي تحتوي على نصف الكلوروفيل الموجود على الكوكب، والبكتيريا البروكلوروكوكوس مارينوس وحدها مسؤولة عن 20% من الأكسجين الذي يتم إطلاقه في الغلاف الجوي .

نحن نتنفس أكسجين ما قبل التاريخ

في هذه المرحلة يمكننا أن نعتقد أنها، أكثر بكثير من النباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء - وعلى رأسها البروكلوروكوكوس مارينوس - هي الكائنات الحية التي تنتج الأكسجين الذي نتنفسه. ومرة أخرى، سنرتكب خطأً كبيراً .

وهذه الكائنات البحرية هي في الواقع تلك التي تنتج أكبر قدر من الأكسجين، ولكن هناك حدًا لا يمكن تجاوزه، وهو ما يتعلق بعملية التمثيل الضوئي. في هذا التفاعل الكيميائي، مقابل كل جزيء من ثاني أكسيد الكربون يتم امتصاصه، يتم إطلاق جزيء واحد من الأكسجين. إنه توازن غير قابل للكسر . وبالنظر إلى أن تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أقل من 0.05%، فإذا امتصت جميع الطحالب والبكتيريا الزرقاء في العالم كل الكربون الموجود في الغلاف الجوي مرة واحدة وأطلقت كمية معادلة من الأكسجين، فإن المساهمة ستكون ضئيلة. لا أهمية لها، حيث أن تركيز الأكسجين في الغلاف الجوي يبلغ حوالي 21% .

هذا التركيز الهائل من الأكسجين الجوي لم يتشكل مؤخرًا. إن الأكسجين الذي نتنفسه اليوم هو الإرث الذي تركته لنا الكائنات الحية الدقيقة التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي في عصور ما قبل التاريخ . منذ حوالي 2.8 مليار سنة ، بدأت الكائنات الحية الدقيقة في عملية التمثيل الضوئي. تقدم تطوري ناجح جدًا لدرجة أنهم تنوعوا على نطاق واسع. في البداية، بدأ تخفيف كل هذا الأكسجين في المحيط، واحتجازه في الصخور على شكل أكاسيد، وتخزينه على شكل طبقة الأوزون. لكن منذ حوالي 850 مليون سنة، أصبحت تلك الأحواض مشبعة، وبدأ الغاز يتراكم في الغلاف الجوي .

ولمئات الملايين من السنين، زاد تركيز الأكسجين في الهواء، حتى وصل إلى مستوى معين من التوازن، خلال العصر الكامبري، قبل حوالي 540 مليون سنة . ومنذ ذلك الحين، ظل الأكسجين الموجود في الهواء عند تركيزات مستقرة نسبيًا، على الرغم من وجود تقلبات . إن نسبة 21% من الأكسجين الذي نتمتع به حاليًا تأتي، في معظمها، من هذا الإنتاج الضخم منذ ما بين 540 و850 مليون سنة مضت. لذلك، لا، نحن لا نتنفس الأكسجين الذي توفره لنا النباتات أو الطحالب أو البكتيريا الزرقاء اليوم، ولكن الأكسجين الذي أطلقته تلك الكائنات الحية الدقيقة في فجر التاريخ .

مراجع:

• البيرة، C. وآخرون. 2010. إجمالي امتصاص ثاني أكسيد الكربون الأرضي: التوزيع العالمي والتباين مع المناخ. العلوم، 329 (5993)، 834-838. دوى: 10.1126/science.1184984
• تشيشولم، جنوب غرب 2017. بروكلوروكوكوس. علم الأحياء الحالي، 27(11)، R447-R448. دوى: 10.1016/j.cub.2017.02.043
• Holland, HD 2006. أكسجة الغلاف الجوي والمحيطات. المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية ب: العلوم البيولوجية، 361 (1470)، 903-915. دوى: 10.1098/rstb.2006.1838
• تينغ، CS وآخرون. 2002. التمثيل الضوئي للبكتيريا الزرقاء في المحيطات: أصول وأهمية استراتيجيات حصاد الضوء المتباينة. اتجاهات في علم الأحياء الدقيقة، 10 (3)، 134-142. دوى: 10.1016/S0966-842X(02)02319-3