8.4: الحياة والتطور الكيميائي وتغير المناخ
- Page ID
- 197141
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- حدد أصول الحياة وتنوعها اللاحق على الأرض
- اشرح الطرق التي أثرت بها الحياة والنشاط الجيولوجي على تطور الغلاف الجوي
- وصف أسباب وتأثيرات ظاهرة الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي والاحتباس الحراري
- وصف تأثير النشاط البشري على الغلاف الجوي لكوكبنا والبيئة
بقدر ما نعلم، يبدو أن الأرض هي الكوكب الوحيد في المجموعة الشمسية الذي يعيش. يعد أصل الحياة وتطورها جزءًا مهمًا من قصة كوكبنا. نشأت الحياة في وقت مبكر من تاريخ الأرض، وتتفاعل الكائنات الحية مع بيئتها لمليارات السنين. نحن ندرك أن أشكال الحياة قد تطورت للتكيف مع البيئة على الأرض، وبدأنا الآن ندرك أن الأرض نفسها قد تغيرت بطرق مهمة من خلال وجود المادة الحية. تعد دراسة التطور المشترك للحياة وكوكبنا أحد موضوعات العلوم الحديثة لعلم الأحياء الفلكية.
أصل الحياة
لقد ضاع سجل ولادة الحياة على الأرض في الحركات المضطربة للقشرة. وفقًا للأدلة الكيميائية، بحلول الوقت الذي تشكلت فيه أقدم الصخور الباقية منذ حوالي 3.9 مليار سنة، كانت الحياة موجودة بالفعل. قبل 3.5 مليار سنة، حققت الحياة التطور لبناء مستعمرات كبيرة تسمى الستروماتوليت، وهو شكل ناجح جدًا لدرجة أن الستروماتوليت لا تزال تنمو على الأرض اليوم (الشكل\(\PageIndex{1}\)). لكن القليل من الصخور بقيت على قيد الحياة من هذه العصور القديمة، ولم يتم الحفاظ على الحفريات الوفيرة إلا خلال 600 مليون سنة الماضية - أي أقل من 15٪ من تاريخ كوكبنا.
هناك القليل من الأدلة المباشرة حول الأصل الفعلي للحياة. نحن نعلم أن الغلاف الجوي للأرض المبكرة، على عكس اليوم، كان يحتوي على ثاني أكسيد الكربون الوفير وبعض الميثان، ولكن لا يحتوي على غاز الأكسجين. في حالة عدم وجود الأكسجين، من الممكن حدوث العديد من التفاعلات الكيميائية المعقدة التي تؤدي إلى إنتاج الأحماض الأمينية والبروتينات وغيرها من اللبنات الكيميائية للحياة. لذلك، يبدو من المحتمل أن هذه اللبنات الكيميائية كانت متاحة في وقت مبكر جدًا من تاريخ الأرض وكان من الممكن أن تتحد لتكوين كائنات حية.
على مدى عشرات الملايين من السنين بعد تكوين الأرض، ربما كانت الحياة (ربما أكثر بقليل من الجزيئات الكبيرة، مثل فيروسات اليوم) موجودة في البحار الدافئة والغنية بالمغذيات، وتعيش على المواد الكيميائية العضوية المتراكمة. عندما نفد هذا الغذاء الذي يسهل الوصول إليه، بدأت الحياة طريق التطور الطويل الذي أدى إلى الأعداد الهائلة من الكائنات الحية المختلفة على الأرض اليوم. عندما فعلت ذلك، بدأت الحياة تؤثر على التركيب الكيميائي للغلاف الجوي.
بالإضافة إلى دراسة تاريخ الحياة كما كشفت عنه الأدلة الكيميائية والأحفورية في الصخور القديمة، يستخدم العلماء أدوات من مجالات علم الوراثة والجينوم المتطورة بسرعة - دراسة الشفرة الجينية التي تشترك فيها جميع أشكال الحياة على الأرض. في حين أن كل فرد لديه مجموعة فريدة من الجينات (وهذا هو السبب في أن «البصمات» الجينية مفيدة جدًا لدراسة الجريمة)، لدينا أيضًا العديد من الصفات الجينية المشتركة. الجينوم الخاص بك، الخريطة الكاملة للحمض النووي في جسمك، مطابق بمستوى 99.9٪ لجينوم يوليوس قيصر أو ماري كوري. على مستوى 99٪، تتشابه جينومات الإنسان والشمبانزي. من خلال النظر إلى التسلسلات الجينية للعديد من الكائنات الحية، يمكننا تحديد أن كل أشكال الحياة على الأرض تنحدر من سلف مشترك، ويمكننا استخدام الاختلافات الجينية بين الأنواع كمقياس لمدى ارتباط الأنواع المختلفة ارتباطًا وثيقًا.
لقد سمحت أدوات التحليل الجيني هذه للعلماء ببناء ما يسمى «شجرة الحياة» (الشكل\(\PageIndex{2}\)). يوضح هذا الرسم البياني الطريقة التي ترتبط بها الكائنات الحية من خلال فحص تسلسل واحد من الحمض النووي الريبي المشترك بين جميع الأنواع. يوضح هذا الشكل أن الحياة على الأرض تهيمن عليها مخلوقات مجهرية ربما لم تسمع بها من قبل. لاحظ أن الممالك النباتية والحيوانية ليست سوى فرعين صغيرين في أقصى اليمين. معظم تنوع الحياة، ومعظم تطورنا، حدث على المستوى الميكروبي. في الواقع، قد يفاجئك أن تعرف أن هناك المزيد من الميكروبات في دلو من التربة أكثر من النجوم في المجرة. قد ترغب في وضع ذلك في الاعتبار عندما ننتقل لاحقًا في هذا الكتاب إلى البحث عن الحياة في عوالم أخرى. «الأجانب» الذين من المرجح أن يكونوا هناك هم الميكروبات.
تؤدي مثل هذه الدراسات الجينية إلى استنتاجات أخرى مثيرة للاهتمام أيضًا. على سبيل المثال، يبدو أن أقدم أشكال الحياة الأرضية الباقية تم تكييفها جميعًا للعيش في درجات حرارة عالية. يعتقد بعض علماء الأحياء أن الحياة ربما بدأت بالفعل في مواقع على كوكبنا كانت شديدة الحرارة. هناك احتمال آخر مثير للاهتمام وهو أن الحياة بدأت على المريخ (الذي برد مبكرًا) بدلاً من الأرض وتم «زرعها» على كوكبنا بواسطة النيازك التي تسافر من المريخ إلى الأرض. لا تزال صخور المريخ تشق طريقها إلى الأرض، ولكن حتى الآن لم يُظهر أي دليل على أنها بمثابة «سفينة فضائية» لنقل الكائنات الحية الدقيقة من المريخ إلى الأرض.
تطور الغلاف الجوي
كانت إحدى الخطوات الرئيسية في تطور الحياة على الأرض هي تطوير الطحالب الخضراء المزرقة، وهي شكل حياة ناجح للغاية يأخذ ثاني أكسيد الكربون من البيئة ويطلق الأكسجين كمنتج نفايات. تكاثرت هذه الكائنات الحية الدقيقة الناجحة، مما أدى إلى ظهور جميع أشكال الحياة التي نسميها النباتات. نظرًا لأن الطاقة اللازمة لصنع مواد نباتية جديدة من كتل البناء الكيميائية تأتي من ضوء الشمس، فإننا نسمي عملية التمثيل الضوئي.
تظهر دراسات كيمياء الصخور القديمة أن الغلاف الجوي للأرض كان يفتقر إلى الأكسجين الحر الوفير حتى قبل حوالي 2 مليار سنة، على الرغم من وجود نباتات تطلق الأكسجين عن طريق التمثيل الضوئي. على ما يبدو، أدت التفاعلات الكيميائية مع القشرة الأرضية إلى إزالة غاز الأكسجين بالسرعة التي تشكل بها. ولكن ببطء، أدى التطور التطوري المتزايد للحياة إلى نمو عدد النباتات وبالتالي زيادة إنتاج الأكسجين. في الوقت نفسه، يبدو أن النشاط الجيولوجي المتزايد أدى إلى تآكل شديد على سطح كوكبنا. أدى ذلك إلى دفن الكثير من الكربون النباتي قبل أن يتمكن من إعادة الاندماج مع الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد الكربون 2.
بدأ الأكسجين الحر يتراكم في الغلاف الجوي منذ حوالي 2 مليار سنة، وأدت زيادة كمية هذا الغاز إلى تكوين طبقة الأوزون على الأرض (تذكر أن الأوزون هو جزيء ثلاثي من الأكسجين، O 3)، الذي يحمي السطح من الأشعة فوق البنفسجية الشمسية القاتلة. قبل ذلك، كان من غير المعقول أن تغامر الحياة خارج المحيطات الواقية، لذلك كانت كتل الأرض قاحلة.
وهكذا سمح وجود الأكسجين، وبالتالي الأوزون، باستعمار الأرض. كما أتاح الانتشار الهائل للحيوانات، التي عاشت من خلال استيعاب واستخدام المواد العضوية التي تنتجها النباتات كمصدر للطاقة الخاص بها.
مع تطور الحيوانات في بيئة غنية بالأكسجين بشكل متزايد، تمكنت من تطوير تقنيات لتنفس الأكسجين مباشرة من الغلاف الجوي. نحن البشر نعتبر أن الكثير من الأكسجين الحر متوفر في الغلاف الجوي للأرض، ونستخدمه لإطلاق الطاقة من الطعام الذي نتناوله. على الرغم من أنه قد يبدو من المضحك التفكير في الأمر بهذه الطريقة، إلا أننا أشكال حياة تطورت لتنفس نفايات النباتات. إن النباتات والميكروبات ذات الصلة هي المنتجين الأساسيين، حيث تستخدم أشعة الشمس لإنتاج «غذاء» غني بالطاقة لبقيتنا.
على نطاق الكوكب، كانت إحدى عواقب الحياة هي انخفاض ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. في غياب الحياة، من المحتمل أن يكون للأرض غلاف جوي يهيمن عليه ثاني أكسيد الكربون، مثل المريخ أو الزهرة. لكن الكائنات الحية، جنبًا إلى جنب مع المستويات العالية من النشاط الجيولوجي، جردت غلافنا الجوي بشكل فعال من معظم هذا الغاز.
تأثير الاحتباس الحراري والاحتباس الحراري
لدينا اهتمام خاص بمحتوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بسبب الدور الرئيسي الذي يلعبه هذا الغاز في الاحتفاظ بالحرارة من الشمس من خلال عملية تسمى تأثير الاحتباس الحراري. لفهم كيفية عمل تأثير الاحتباس الحراري، فكر في مصير ضوء الشمس الذي يضرب سطح الأرض. يخترق الضوء غلافنا الجوي، وتمتصه الأرض، ويسخن الطبقات السطحية. عند درجة حرارة سطح الأرض، يتم إعادة إصدار هذه الطاقة كأشعة تحت الحمراء أو إشعاع حراري (الشكل\(\PageIndex{3}\)). ومع ذلك، فإن جزيئات الغلاف الجوي، التي تسمح بمرور الضوء المرئي، جيدة في امتصاص طاقة الأشعة تحت الحمراء. ونتيجة لذلك، يعمل ثاني أكسيد الكربون (جنبًا إلى جنب مع الميثان وبخار الماء) كغطاء، حيث يحبس الحرارة في الغلاف الجوي ويعيق تدفقها مرة أخرى إلى الفضاء. للحفاظ على توازن الطاقة، يجب أن تزداد درجة حرارة السطح والغلاف الجوي السفلي حتى تساوي الطاقة الإجمالية التي تشعها الأرض إلى الفضاء الطاقة المستلمة من الشمس. كلما زاد عدد ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، ارتفعت درجة الحرارة التي يصل فيها سطح الأرض إلى توازن جديد.
يشبه تأثير الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي الكوكبي تسخين الدفيئة للبستاني أو داخل السيارة التي تُترك في الشمس مع طي النوافذ. في هذه الأمثلة، يلعب زجاج النافذة دور غازات الاحتباس الحراري، حيث يسمح بدخول ضوء الشمس ولكنه يقلل من التدفق الخارجي للإشعاع الحراري. ونتيجة لذلك، تصبح حرارة البيوت الزجاجية أو داخل السيارة أكثر سخونة مما هو متوقع من تسخين ضوء الشمس وحده. على الأرض، يؤدي تأثير الاحتباس الحراري الحالي إلى رفع درجة حرارة السطح بنحو 23 درجة مئوية، وبدون تأثير الاحتباس الحراري هذا، سيكون متوسط درجة حرارة السطح أقل بكثير من درجة التجمد وستكون الأرض محبوسة في عصر جليدي عالمي.
هذه هي الأخبار الجيدة؛ الأخبار السيئة هي أن التدفئة بسبب ظاهرة الاحتباس الحراري آخذة في الازدياد. يعتمد المجتمع الصناعي الحديث على الطاقة المستخرجة من حرق الوقود الأحفوري. في الواقع، نحن نستغل المواد الغنية بالطاقة التي تم إنشاؤها بواسطة التمثيل الضوئي منذ عشرات الملايين من السنين. نظرًا لتأكسد رواسب الفحم والنفط القديمة (يتم حرقها باستخدام الأكسجين)، يتم إطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. وتتفاقم المشكلة بسبب التدمير الواسع النطاق للغابات الاستوائية، التي نعتمد عليها لاستخراج ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وتجديد إمداداتنا من الأكسجين. في القرن الماضي من التنمية الصناعية والزراعية المتزايدة، زادت كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بنحو 30٪ وتستمر في الارتفاع بأكثر من 0.5٪ سنويًا.
قبل نهاية القرن الحالي، من المتوقع أن يصل مستوى ثاني أكسيد الكربون في الأرض إلى ضعف القيمة التي كان عليها قبل الثورة الصناعية (الشكل\(\PageIndex{4}\)). من المحتمل أن تكون عواقب مثل هذه الزيادة على سطح الأرض والغلاف الجوي (والمخلوقات التي تعيش هناك) تغييرات معقدة في المناخ، وقد تكون كارثية للعديد من الأنواع. تدرس العديد من مجموعات العلماء الآن آثار مثل هذا الاحترار العالمي من خلال نماذج الكمبيوتر المعقدة، وقد برز تغير المناخ باعتباره أكبر تهديد معروف (باستثناء الحرب النووية) لكل من الحضارة الصناعية وبيئة كوكبنا.
يشرح فيديو PBS القصير فيزياء تأثير الاحتباس الحراري.
تغير المناخ واضح بالفعل على نطاق واسع. في جميع أنحاء العالم، يتم تسجيل سجلات درجات الحرارة وتحطيمها باستمرار؛ حدثت جميع السنوات المسجلة الأكثر سخونة باستثناء واحدة منذ عام 2000. تتراجع الأنهار الجليدية، وأصبح جليد بحر القطب الشمالي الآن أرق بكثير مما كان عليه عندما تم استكشافه لأول مرة باستخدام الغواصات النووية في الخمسينيات. يشكل ارتفاع مستويات سطح البحر (من ذوبان الأنهار الجليدية وتوسع المياه مع ارتفاع درجة الحرارة) أحد أكثر التهديدات إلحاحًا، ولدى العديد من المدن الساحلية خطط لبناء السدود أو الأسوار البحرية لكبح الفيضانات المتوقعة. إن معدل زيادة درجة الحرارة ليس له سابقة تاريخية، ونحن ندخل بسرعة إلى «منطقة غير معروفة» حيث تؤدي الأنشطة البشرية إلى أعلى درجات الحرارة على الأرض منذ أكثر من 50 مليون سنة.
التأثيرات البشرية على كوكبنا
الأرض كبيرة جدًا وهي هنا لفترة طويلة لدرجة أن بعض الناس يجدون صعوبة في قبول أن البشر يغيرون الكوكب حقًا، والغلاف الجوي، والمناخ. لقد فوجئوا عندما يعلمون، على سبيل المثال، أن ثاني أكسيد الكربون المنبعث من حرق الوقود الأحفوري أكبر 100 مرة من ذلك المنبعث من البراكين. لكن البيانات تحكي بوضوح قصة أن مناخنا يتغير بسرعة، وأن كل التغيير تقريبًا هو نتيجة النشاط البشري.
هذه ليست المرة الأولى التي يغير فيها البشر بيئتنا بشكل كبير. بعض أكبر التغييرات سببها أسلافنا، قبل تطور المجتمع الصناعي الحديث. إذا كان الأجانب قد زاروا الأرض منذ 50,000 عام، لكانوا قد رأوا الكثير من الكوكب يدعم حيوانات كبيرة من النوع الذي يعيش الآن فقط في إفريقيا. احتلت سهول أستراليا جرابيات عملاقة مثل الديبرودودون والزيجوماتوروس (بحجم أفيالنا اليوم)، ونوع من الكنغر الذي يبلغ ارتفاعه 10 أقدام. استضافت أمريكا الشمالية وشمال آسيا حيوانات الماموث وقطط أسنان السابر والماستودون والكسلان العملاق وحتى الإبل. كانت جزر المحيط الهادئ تعج بالطيور الكبيرة، وغطت الغابات الشاسعة ما يعرف الآن بمزارع أوروبا والصين. قتل الصيادون الأوائل العديد من الثدييات الكبيرة والجرابيات، وقطع المزارعون الأوائل معظم الغابات، وأدى التوسع البولينيزي عبر المحيط الهادئ إلى القضاء على أعداد الطيور الكبيرة.
هناك انقراض جماعي أكبر نتيجة للتغير المناخي السريع. تقديراً لتأثيرنا على البيئة، اقترح العلماء إعطاء اسم جديد للحقبة الحالية، الأنثروبوسين، عندما بدأ النشاط البشري في إحداث تأثير عالمي كبير. على الرغم من أنه ليس اسمًا معتمدًا رسميًا، إلا أن مفهوم «الأنثروبوسين» مفيد للاعتراف بأننا نحن البشر نمثل الآن التأثير المهيمن على الغلاف الجوي لكوكبنا والبيئة، للأفضل أو للأسوأ.
المفاهيم الأساسية والملخص
نشأت الحياة على الأرض في وقت كان فيه الغلاف الجوي يفتقر إلى\(O_2\) الغلاف الجوي ويتألف في الغالب من\(CO_2\). في وقت لاحق، أدى التمثيل الضوئي إلى ظهور الأكسجين الحر والأوزون. يتيح لنا التحليل الجيني الحديث معرفة كيفية ارتباط التنوع الواسع للأنواع على هذا الكوكب ببعضها البعض. \(CO_2\)والميثان الموجود في الغلاف الجوي يسخن السطح من خلال تأثير الاحتباس الحراري؛ واليوم، تؤدي كميات متزايدة من الغلاف الجوي\(CO_2\) إلى الاحترار العالمي لكوكبنا.
مسرد المصطلحات
- غازات الإحتباس الحراري
- غاز في الغلاف الجوي يمتص ويصدر الإشعاع ضمن نطاق الأشعة تحت الحمراء الحرارية؛ على الأرض، تشتمل غازات الغلاف الجوي هذه بشكل أساسي على ثاني أكسيد الكربون والميثان وبخار الماء
- تأثير الاحتباس الحراري
- تغطية (امتصاص) الأشعة تحت الحمراء بالقرب من سطح الكوكب - على سبيل المثال،\(\ce{CO2}\) في الغلاف الجوي
- التمثيل الضوئي
- سلسلة معقدة من التفاعلات الكيميائية التي يمكن من خلالها لبعض الكائنات الحية استخدام ضوء الشمس لتصنيع منتجات تخزن الطاقة (مثل الكربوهيدرات)، مما يؤدي إلى إطلاق الأكسجين كمنتج ثانوي واحد