الأكسجين : أكسير الحياة

الأكسجين : أكسير الحياة     Oxygen - the breath of life

ربما كانت ظاهرة أنقراض دينوصورات من أكثر الظواهر العلمية المحتفي بها في تاريخ الرجل الحديث. ونفاجأ أن لا أحد يهتم بظاهرة مثيلة. لماذا قامت من البداية هذه العصور ولماذا سادت الحياة على كوكب الأرض لمدة مائة وستون مليون سنة؟ الإجابة البديهية المقترحة والمفسرة هي: الأكسجين. يبدو أن هذا الغاز لعب دورا أكثر محورية من كل نيازك، براكين، وأعاصير العصور آلثلجية. تدل البيانات المرصودة عن تباين وتغير في نسبة أكسجين المجال الجوي عبر التاريخ: لا يوجد بيان أكثر أرتباطا منه بمنحنيات التنمية، واستعمار آلأراضي، انقراضات وقيام دينوصورات. نحن اليوم نعيش على كوكب تباين حاله خلال فترة حياته الممتدة 4.6 مليار سنة، وغالبا أيضا حال مستقبله. ففي أحقابه الأولي احتوى على نسب أكسجين أقل مما نحن عليه الآن. فقط خلال فترة آل 2.2 مليار سنة الأخيرة، احتوى المجال الجوي على أكسجين، وغالبا فإن خلال آل 600 مليون سنة الأخيرة احتوى على نسب أكسجين تسمح بحياة الحيوان. ومع تطور أجهزة وتكنولوجيا الرصد البيئي نرصد تباين محتوى الكوكب من الأكسجين بصورة واضحة.

ما هو السبب في تباين نسب الأكسجين بهذا النهج الواضح؟ يبدو أن العوامل البيولوجية، والجيولوجية، والكيميائية المسيبة متباينة ومتداخلة. الأكسجين غاز سريع التفاعل مع المركبات الأخرى – الكربون خصيصا، والكبريت والحديد- على سطح الأرض والقشرة الأرضية وفي البحار. هذه التفاعلات تقتنص الأكسجين، من الجو. في صورته الجديدة المركبة يدخل الأكسجين في عمليات أكسدة المركبات الكيميائية. أهم هذه العمليات هي البناء الضوئي، اختزال ثاني أكسيد الكربون بواسطة النباتات، الطحالب، الكائنات الدقيقة التي تحرر أكسجين كمنتج ثانوي. الميزان بين عمليات الأكسدة والاختزال هو نسب الأكسجين في الجو على مدار الوقت. فأمكن تقدير نسب الأكسجين الماضية بحساب معدل المحرر والمستهلك منه. لعلم الجيولوجيا أو علم الأرض دور محوري هنا، خصيصا في بيان عمليات الترسيب والتآكل والتي تحمل العناصر الغير متصلة في الجو أو البحر، والعمليات التي تأتي بها في تفاعلات عنيفة.

((التكتونيات)) من كلمة تكتون tekton باليونانية تعني البناء أو الباني)، هي الفرع العلمي ضمن حقل الجيولوجيا والذي يهتم ببنية القشرة الأرضية أو قشرة بقية الكواكب.

القوى التكتونية المتسببة في إعلاء الجبال والانشقاقات الأرضية تأتي بأسطح الصخور التي تحتوى على مركبات مختزلة للتفاعل مع الأكسجين. أهم هذه المركبات هي الطفلة السوداء المتكونة في قاع المحيطات الراقدة. وعند دفنها، هذه الصخور لا تتصل بجزيئات أكسجين حرة. إذا ما ارتفعت وصعدت تحت فعل مطر غزير، رياح، حرارة أو برودة، يتم أستهلاك كميات كبيرة من الأكسجين، مما يؤدى إلى انخفاض مستوى الأكسجين في الجو. العكس أيضا جائز. إذا ما نزعت كميات كبيرة من مركبات مختزلة من الجو – مدفونة بفعل اندساس طبقة كتونية تحت أخرى، أو نتيجة إرشاح الصخور في قاع مستنقع مغمود – يسمو الأكسجين. أفضل الأمثلة على ما سبق هو ما حدث في العصر الكربوني، عندما غمرت غابات واسعة في مستنقع فحم. وآنذاك كانت الأشجار بدائية ولها جزور سطحية، تساقطت وتراكمت وعزلت عن الهواء. الأخشاب غنية بالكربون المختزل، ونتج عنه نزع لمواده، ووصل مستوى الأكسجين إلى أعلى مستوياته المسجلة. وهناك طرق أخرى تغيرت بها مستويات الأكسجين، فخلال فترة العصر البرمي، تحول العالم إلى كوكب قاحل وساخن. ارتفعت معدلات التصحر وهبطت معدلات البناء الضوئي، قلت المواد الكربونية مغمورة وهبط مستوى الأكسجين عموديا. كلما فهمنا أكثر هذه العمليات والسيناريوهات المقترحة لتفسير هذه الظواهر كلما أستوعبنا دور الأكسجين في هذه التطور. فنلاحظ من خلال حياة الحيوان إنه يأكل، يشرب، يتكاثر، ويتنفس. يمكنه العيش لمدة أيام دون المأكل والمشرب والتكاثر، ولكنه لا يستطيع العيش دون تنفس لأكثر من دقائق. فالموت يأتي عند حجب الأكسجين.

السيطرة واستعمار الأرض: اليوم هناك العديد من الأدلة أن مستويات الأكسجين تباينت خلال آل600 مليون سنة الماضية، ولكن هل لهذا التباين تأثير علي عملية التطور؟  بالنظر إلى أهم حدثين في تاريخ الحياه الحيوانية بفعل مستوي الأكسجين: السيطرة علي الأرض وانقراض دينوصورات.  النسق العام لعملية السيطرة علي الأرض معلومة نسبيا. فأول نبات أرضى ظهر  في أواخر العصر لكمبري، منذ 500 مليون سنة، ولكن أول الحيوانات الأرضية ظهرت بعده ب75 مليون سنة. ولماذا تأخر هكذا؟  أكدت الدلائل أن أوائل الحيوانات،   العقارب صغيرة-  وأقاربها عاشا في الماء لأكثر من 100 مليون سنة، خلالها طورت أطراف وأظهرت أجهزة تنفس هوائي.   دلائل أخري تقترح أن خلال هذه الحقبة تطورت المئات من الحيوانات البحرية المتوائمة مع الحياه الأرضية، وتدل الحفريات تطور في أعضاء الجسم قد تحتاج لزمن أقل بكثير من 100 مليون سنة. فيبدو أن السيطرة على الأرض انتظرت حتى يحتوى المناخ الجوي مستوى أكسجين كافي لعمليات وظائف الرئة.

أنقراض دينوصورات:  أو : لماذا تطورت دينوصورات؟ وكيف نجحت في هذا التطور؟  في الفترة التي سبقت ظهور دينوصورات احتوى المناخ الجوى نسب أكسجين منخفضة، تصل إلى 12 % و هو هواء خفيف، مرادف للهواء 4400 متر فوق سطح البحر اليوم. في العصر الترياسي وصل مستوى الأكسجين إلى الحضيض، وكان له تأثير فادح على الزواحف الذين سادوا سطح الكوكب آنذاك. ظهرت الزواحف منذ 300 مليون سنة، عندما كان مستوى الأكسجين مرتفع، وتحورت رئتهم سريعا لمواكبة هذا ألارتفاع. فظهر لهم رئة محجبة، صغيرة، جامدة، وتبدو محوصلة.  في عالم يحتوى 30% أكسجين تبدو هذه الرئة متوائمة. وفي أواخر العصر الترياسي لم تكن هذه الرئة عظيمة. نفهم هذا من ألارتفاع العمودي للسحالى الحديثة. فللسحالى الحديثة رئة مفصولة بحجاب ويصعب عليهم التنفس في الهواء الخفيف. لا يعيشون في الأماكن المرتفعة و يندر وجودهم أعلى 2500 متر فوق سطح البحر.   من المؤكد أن انخفاض نسب الأكسجين  كان له تأثير متشابه على زواحف العصر الترياسي، ويمكن التوقع بتطور أجهزة تنفسية. من المؤكد أن منذ 230 مليون سنة ظهرت مخلوقات ذات أجهزة تنفسية مختلفة عن سوالفها المنقرضة. السر في البقاء هو أكياس الهواء التي نمت كأجزاء إضافية على الجهاز التنفسي والتي أتصف بها دينوصورات.  نفس هذه الأكياس التي نراها في أحفاد دينوصورات الباقين اليوم، ألا وهم الطيور. فالطير لديه رئة متحجبة صغيرة وجامدة. ولكن بخلاف زواحف اليوم، لديها أكياس هواء، والنتيجة جهاز تنفسي أكثر فاعلية من الزواحف. عند ما يتنفس الطير، لا يدخل الهواء مباشرة إلى الرئة، ولكن يملأ الأكياس، التي تحتفظ بالهواء لفترة مساوية للشهيق القادم. بهذه الطريقة فإن الهواء يدخل عن طريق مختلف عن خروجه – يدخل عبر الأكياس، ويخرج عبر أنبوبة الرياح- وبهذه الطريقة يحتفظ الطير بتيار شبه دائم من هواء عبر الرئة. تتيح هذه الطريقة نظام تيار متعاكس بين الهواء والدورة الدموية، هواء في إتجاه و دم في إتجاه معاكس آخر. والنتيجة جهاز أكثر فاعلية في تبادل الغازات بين الهواء والدم عن أي زواحف وحتي الثدييات.    أما عن الفرق بين الحيوانات التي لديها أكياس الهواء والتي بدونها فهو شاسع. الطيور قادرة علي استخراج أكسجين أكتر من أي حيوان من نفس الحجم. على مستوى البحر فإنها تستخرج أكسجين 33% أكثر الثدييات. أما على أرتفاع 1500 متر فوق سطح الأرض فإنها قادرة علي استخراج 200% أكثر. هذا يعطى للطيور ميزة نوعية عند ألارتفاع في الجو. وهذا يفسر قدرة الوز على الطيران فوق جبال الهيمالايا على ارتفاعات قاتلة للإنسان.

هل كان لديناصور العصر الترياسي أكياس هواء؟ الإجابة تكمن في العظام. حيث تكونت وتداخلت أكياس الهواء كفجوات داخل العظم فقامت بمهام  أكياس الهواء. وكان حجم الهواء المحتوى داخلها أكبر بكثير.   وبالنظر داخل عظام دينوصورات وجد تجاويف مكونة مماثلة. فالتصور البسيط إن أكياس الهواء والفجوات متشابهة وتطورت لنفس الهدف. فبات يقينا أن هذه الأكياس سمحت للديناصوريات التعايش و الازدهار خلال آخر العصر الترياسي، وكانت دينوصورات ذات أكياس الهواء هي الوحيدة الغير منقرضة.  المثلين المذكورين إثنين فقط من دلائل أخري علي أن نسب أكسجين المجال الجوى لكوكب الأرض لعب دورا محوريا في التحول ألتطوري.

ماذا عن المستقبل؟ هل سيتغير مستوى الأكسجين لاحقا؟ هذا من المؤكد حسب "بيتر وارد"  Peter Ward أستاذ العلوم الحيوية بجامعة "واشنطن" Washington بولاية "سياتل" Seattle  سواء كان بفعل التصحر، النشاط البنائي، أو لأسباب أخرى.  ما نعلمه هو فعل التطور. * (Joseph Henry Press, ISBN 0309100615)                                                                         

    الخلاصة: يبدو أن غاز الأكسجين يرتبط بمنحنيات التنمية، واستعمار آلأراضي، والإنقراضات وقيام دينوصورات، ويلعب دورا أكثر محورية من كل النيازك، البراكين، وأعاصير العصور آلثلجية علي كوكب الأرض.

انخفاض نسب الأكسجين علي كوكب الأرض و آثاره الكارثية:

بالمقارنة بعصور ما قبل التاريخ انخفض مستوى الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض بأكثر من الثلث، وخصيصا في المدن بفعل التلوث، فقد انخفض بأكثر من 50٪. هذا التغيير في تركيبة الهواء الذي نتنفسه له آثار خطيرة على صحتنا. وواقعيا تهدد الحياة البشرية على كوكب الأرض، وفقا لرودي نيومان، مؤلف كتاب جديد: أزمة الأكسجين. منذ عشرة آلاف سنة كانت مساحة الغابات تغطى أكثر من ضعف المساحة الحالية، وهذا يعنى إنها تنتج نصف حجم الأكسجين ألحالي. بمعدلات التصحر الحالية فقد أعلي في مصادر الأكسجين. الوضع في البحر هو نفسه. فتقرر وكالة ناسا الأمريكية أن في شمال المحيط الهادئ تركيزات العوالق النباتية المنتجة للأكسجين هي 30٪ أقل اليوم مقارنة بثمانينات القرن ألماضي،  وهو انخفاض كبير في عقود ثلاثة فقط.    علاوة على ذلك، أكد برنامج الأمم المتحدة للبيئة في عام 2004 أن هناك ما يقرب من 150 "مناطقة ميتة" في محيطات العالم حيث مصارف المجاري، والنفايات الصناعية والزراعية والأسمدة المعادة وغيرها من الملوثات التي خفضت مستويات الأكسجين إلى حد أن معظم أو كل البحر تشهد اختفاء مخلوقات لم تعد تعيش بها. فانخفضت الأرصدة السمكية الإقليمية كما نشهد طفرات وراثية وتغيرات هرمونية مؤثرة على القدرة الإنجابية في الحياة البحرية.    بتحليل نسب الأكسجين في فقاقيع الهواء الموجودة في كهرمات حفريات ما قبل التاريخ وجدت عالية، فمن المؤكد أن آلإنسان تنفس منذ عشرة آلاف عام هواء احتوى علي نسب أكسجين أعلى من النسب الحالية.   قام "روبرت برنر"  Pr. Robert Berner  من "جامعة  ييل"  Yale University برصد مستويات الأكسجين في كهرمات العصور الديناصورية المختلفة  فوجدها متراوحة بين 30 – 35% واليوم  21% وأن هذه النسبة تنخفض أكثر في التجمعات الإنسانية الكبيرة، وحول مراكز المدن الملوثة والمناطق الصناعية، فتصل أحيانا إلى 15% أو أقل.

نتيجة النشاط الإنساني الطارد للحرارة وبفعل النشاط الصناعي والاعتماد علي الوقود الأحفوري في توليد الطاقة، يعلق "كيث ريجبي"  , J Keith Rigby, أستاذ علوم الأرض من "جامعة نوتر دام"  Notre Dame University في ولاية "إنديانا" Indiana ، (1994) ، قائلا: في القرن العشرين، بعث الإنسان كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون في الجو بحرق الكربون الكامن في الفحم، البترول، والغاز الطبيعي. من خلال ذلك استهلك أكسجين وقضى علي الحياة النباتية – بقطع الأشجار وأزال غابات بمعدلات خطيرة ، وعلي الباغي تدور الدوائر.  فنحن نصطنع خفض في العمليات الطبيعية المولدة للأكسجين و نبعث ثاني أكسيد الكربون بفعل الأنشطة الإنسانية، مما أدى إلى تغير في الجو ... والطعام، فمنذ تطورت الصناعات الغذائية وعمليات إنتاج، ونقل، وحفظ، وطهي الطعام أضيفت مركبات وتعاملات كيميائية حيوية، وحرارية، وإشعاعية، غيرت من الكيان الطبيعي للمادة الغذائية أدت إلى تعديل محتوى الغذاء من الأكسجين .

ماذا يعني خفض أكسجين الجو؟ ما هي عمليا نتائج هذا الانخفاض؟ ماهو تأثير نقص الأكسجين علي صحة الإنسان؟ هل يؤثر علي أجهزة الجسم؟ هل يقلل من مناعة الإنسان؟ هل يؤهلنا للإصابة بالسرطان و الأمراض المزمنة والانتكاسية؟

كتب "إيرفين لازلو" " “ Ervin Laszlo : تدل حفريات عصور ما قبل التاريخ أن محتوى الأكسجين من الطبيعة البكر كان أعلى منه اليوم.  انخفض في الآونة الأخيرة يرجع أساسا إلى حرق الفحم كمصدر للطاقة بداية من منتصف القرن الماضي. حاليا محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض ينخفض إلى 19٪ في بعض المناطق، وصولا إلى 12-17٪ في المدن الكبرى. عند هذه المستويات يصعب على الناس الحصول على ما يكفيهم من الأكسجين اللازم للحفاظ على الصحة الجسدية: كي تعمل أجهزة الجسم بما فيها الجهاز المناغي بكامل كفأتها وجب توفر كميات مناسبة من الأكسجين . أما عن المستويات الحالية فهي مؤهلة لظهور أمراض سرطانية و انتكاسيه،  ومن المرجح أن تطوير وظهور أمراض أخرى . فعند وصول نسب الأكسجين في الهواء 6-7٪ إستحالت الحياة.

عن نقص الأكسجين علي مستوى الخلية: الظواهر المترتبة عن التغيرات البيئية محل إهتمام بالتحليل و الدراسة، ومن الظواهر المترتبة عن نقص الأكسجين في المجال الجوى تستُنتِجَ  أن: (1) لقيام جسم آلإنسان بوظائفه على أكمل وجه يحتاج نسب أكسجين أعلى من النسب الحالية. (2) أن محتوى جسم الإنسان لغاز الأكسجين أقل بكثير من النسب المرغوب فيها للتمتع بالصحة، و الطاقة، و الإستفادة المثلى من عمليات التمثيل و البناء. (٣) أن كلما إنخفضت مستويات غاز الأكسجين الذائب إزدادت إحتمالات الإصابة بالأمراض المزمنة و الوبائية.

إرتباط نقص أكسجين الخلية بحدوث الأمرض :   في عام 1931، حصل الدكتور "واربرج"  Warburg على جائزة نوبل للمرة الأولى بعد أن أثبت أن السرطان ينجم عن نقص الأوكسجين في الخلايا. وأفاد في مقال حمل عنوان "السبب للرئيسي للإصابة بالسرطان والوقاية منه" أنّ "سبب السرطان لم يعد سراً خفياً، فنحن نعلم أنه، عندما تفتقد أيّ خلية 35 % من كمية الأكسجين التي تحتاجها لمدة 48 ساعة، فانها تتحول إلى خلية سرطانية ." فالخلية السرطانية قد تستهلك حتى 15 ضعف جلوكوز كتلك التى تستهلكه الخلية الطبيعية، ذلك لأن الخلية السرطانية تستخدم هذا الجلوكوز للحصول على الطاقة. لذلك فان زيادة الاكسجين بالجسم يعطل الخلايا السرطانية،  وعادة ينصح مريض السرطان بالتقليل من السكريات ومشتقاتها.   ولمعرفة أهمية الأكسجين :  اكتشف العالم الألماني البروفيسور "اوتوفاربرج" , أن سبب سرطان القولون هو نقص الأكسجين بالخلية ، وحصل على جائزة نوبل في الطب عام 1922 لهذا بدأ أبحاثه في علاج هذا المرض و أستخدام الأكسجين النقى و أستبدله فيما بعد بغاز الأوزون لعلاج مرضاه و نال على ذلك جائزة نوبل للمرة الثانية و هو أول من حصل عليه مرتين. وأيضا العالمة الألمانية "د. جوهانا بيدويج " 1950 Dr. Johana Budwig، وهى متخصصة في الكيمياء الحيوية، رشحت لجائزة نوبل ستة مرات، أكدت: أن الخلية السرطانية خلية ضعيفة جدا وخلية لاهوائية أى لا تستطيع أن تحيا في وجود الأكسجين.