في عام 2019، زار عالم الآثار البيئية ديفيد رايت من جامعة أوسلو ما كان للوهلة الأولى موقعًا ميدانيًا غير جذاب للغاية: مجموعة من المستنقعات الموبوءة بالعلق في شمال ملاوي. وفي بعض الأحيان، في المياه العشبية، كان هو وزملاؤه يقومون بإعداد مثقاب قرع، وهي أداة تستخدم في استخراج اسطوانات من الطين عن طريق طرق أنبوب بلاستيكي طويل في الأرض. كان الجزء الصعب هو إعادة النوى مرة أخرى. مع ثني ركبتيه، كان رايت يسند المثقاب على كتفه ويدفعه نحو الأرض. وفي أحد المستنقعات، كانت الرواسب لزجة للغاية لدرجة أن البريمة انقسمت إلى نصفين. يقول رايت: «إنه عمل شاق جدًا»، وكانت العلقات التي استقرت حول كاحلي الفريق بمثابة مكافأة إضافية.

لماذا كل هذا الجهد على الطين؟ وتحيط هذه المستنقعات بجبل هورا، وهو تل من الجرانيت يقع على بعد حوالي 60 كيلومترا غرب بحيرة ملاوي، والذي يفصل البلاد عن موزمبيق وتنزانيا. يتمتع الموقع بتاريخ غني، بدءًا من أقدم عمليات حرق جثث بشرية معروفة منذ حوالي 9500 عام إلى مواقع صهر الحديد التي يبلغ عمرها 2000 عام. كان رايت يأمل أن تحتوي الطبقات الموحلة من المواد العضوية المتراكمة على المزيد من الأدلة حول المجموعات القديمة من البشر. قد تكشف قطع الفحم المحفوظة عن عادات إشعال النار، في حين أن حبوب اللقاح المتحجرة يمكن أن تساعد الباحثين على فهم البيئة التي يعيش فيها الناس.

لكن اهتمام رايت الخاص كان أكثر بذاءة: الكوبروستانول، وهو جزيء موجود في البراز البشري يمكن أن يسلط الضوء على الاتجاهات السكانية البشرية. يقول رايت عن مثل هذه المؤشرات الحيوية: “إنها مصاصات صغيرة متينة”. وبدمجها مع أدلة أخرى، “تحصل على صورة أوضح بكثير عما كان موجودًا في الماضي”.

لقد ركز علماء الآثار منذ فترة طويلة على العظام وغيرها من المصنوعات العيانية نسبيًا، لكنهم الآن يتعاونون مع علماء الكيمياء الجيولوجية، وعلماء البيئة القديمة، وعلماء الأحياء للكشف عن خطوط الأدلة الجزيئية. لقد أتاح التقدم التكنولوجي والمنهجي على مدى العقود القليلة الماضية اكتشاف آثار دقيقة للمركبات العضوية في الرواسب القديمة، مما يكمل دراسات حبوب اللقاح والفحم التقليدية. وتشمل هذه الحفريات الجزيئية شمع الأوراق والدهون من الأغشية البكتيرية التي تحتوي على أدلة حول المناخات الماضية، في حين يمكن أن يساعد الكوبروستانول والملوثات الناتجة عن الحرائق في إعادة بناء الأنشطة البشرية القديمة. ويظل الحمض النووي باقيا في الرواسب أيضا، ويكشف عن تفاصيل غنية عن النباتات والحيوانات والبشر. على الرغم من أن الطرق المستخدمة للكشف عن هذه الجزيئات معقدة – ولكل علامة حدودها – إلا أنها توفر بالفعل أدلة قيمة حول العصور التي مرت منذ فترة طويلة.

على سبيل المثال، كشف أحد مستنقعات رايت عن زيادة في مادة الكوبروستانول حول جبل هورا والتي بدأت قبل 1000 عام على الأقل، مما يشير إلى تدفق مجتمعات الزراعة والرعي التي جلبت طريقة جديدة للحياة إلى المنطقة، حسبما أفاد فريق رايت في عام 2024.¹. بالنسبة للباحثين الذين يتعلمون تشريح الرواسب القديمة، يقول رايت: “إنها أداة قوية حقًا”.

التمرير مرة أخرى في الوقت المناسب

العديد من الرواسب – من التربة الصقيعية إلى أرضيات الكهوف – هي أرشيفات بيولوجية من الماضي. يمكن أن تكون البحيرات والمستنقعات مفيدة بشكل خاص للباحثين لأنها تتراكم تدريجيًا المواد التي تنجرف من منطقة واسعة وتحتوي على طبقات عميقة محرومة من الأكسجين مما يؤدي إلى إبطاء تحلل المواد العضوية. للوصول إلى تلك الرواسب، يمكن للعلماء قطع المقاطع في أرضيات الكهوف أو استخراج النوى باستخدام أدوات محمولة، مثل مثقاب رايت أو حتى منصات الحفر المتخصصة للرواسب العميقة. سجلت نواة يبلغ طولها 380 مترًا من بحيرة ملاوي 1.3 مليون سنة من التاريخ².

في المختبر، يقوم العلماء أولاً بفحص طبقات النواة، مما قد يساعد في تحديد الفترات الزمنية التي تكون فيها الرواسب مفقودة، على سبيل المثال، بسبب جفاف بحيرة أو تعرضها لترسب غير متساوٍ للمواد. ومع الحرص على عدم تلويث العينات بمواد حديثة – من خلال ارتداء القفازات واستخراج الرواسب من الأجزاء الداخلية للقلب، على سبيل المثال – يتم إرسال الأحافير الكبيرة للنبات من طبقات مختلفة إلى مختبرات متخصصة تستخدم تقنيات، مثل التأريخ بالكربون المشع، لتقدير عمرها.

يمكن لحبوب اللقاح والفحم المتحجرين أن يستمرا لملايين السنين داخل هذه الرواسب. تستخرج عالمة البيئة القديمة راحاب كينيانجوي، من المتاحف الوطنية الكينية في نيروبي، حبوب اللقاح باستخدام أحماض وأملاح قوية لإزالة المواد العضوية، والكربونات، والرمل، والطمي، والفحم مع الأملاح لفصل الجزيئات عن بعضها البعض، والسماح للمادة بالطفو على السطح. يمكن أن تساعد دراسة مورفولوجية حبوب اللقاح الخاصة بالأنواع تحت المجهر الضوئي الباحثين على إعادة بناء النباتات المزهرة في المنطقة، في حين يمكن لأنماط تركيز الفحم أن تكشف عن فترات الحرائق التي سببها الإنسان.

قادت دراسات حبوب اللقاح رايت إلى استنتاج أنه بعد وصول المجتمعات الزراعية حول جبل هورا قبل 1000 عام على الأقل، أصبحت المناظر الطبيعية الحرجية فيه أكثر عشبية. ويشير الارتفاع المتزامن في تركيزات الفحم إلى أن هؤلاء الناس ربما أحرقوا الغابات لتطهير الأراضي من أجل الزراعة. يقول: “لقد جلبوا طريقة جديدة تمامًا للتفاعل مع المناظر الطبيعية”.

إعادة بناء المناخات القديمة

يمكن أن توفر النباتات القديمة في المنطقة تلميحات حول مناخها. لكن المؤشرات الحيوية الجزيئية يمكن أن تكشف المزيد من التفاصيل. على سبيل المثال، يحتوي الشمع الذي يحمي أسطح الأوراق على جزيئات عضوية طويلة الأمد تسمى ن-ألكانات. إن التباين بين ذرات الكربون والهيدروجين الفردية لهذه الجزيئات يحمل أدلة مناخية. بالنسبة لذرات الهيدروجين، يمكن أن تشير نسبة نظائر الهيدروجين الثقيلة إلى الخفيفة إلى قوة هطول الأمطار التي شهدتها النباتات خلال حياتها. يتم إثراء الأمطار الغزيرة عمومًا بنظائر الهيدروجين الخفيفة لأن الأمطار الأثقل هي أول من يتكثف في قطرات الماء. كلما هطلت الأمطار بغزارة، “يقل عدد النظائر الثقيلة المتبقية، ويتزايد عدد النظائر الخفيفة”، حسبما يوضح عالم الكيمياء الجيولوجية جيمس راسل بجامعة براون في بروفيدنس، رود آيلاند.

تقول عالمة الكيمياء الجيولوجية العضوية كيت فريمان، من جامعة ولاية بنسلفانيا في يونيفيرسيتي بارك، إن بعض الزملاء أطلقوا على سبيل المزاح على شمع الأوراق اسم “Honda Civics” للمؤشرات الحيوية، لأنه – مثل السيارة الشهيرة – يسهل التعامل معها نسبيًا. يبدأ تحليل هذه النظائر باستخلاص الدهون من عينات الرواسب، وغالبًا ما يتم ذلك باستخدام مستخرج مذيب معجل يتبعه تحليل كروماتوجرافي سائل لفصل شموع الأوراق عن الدهون الأخرى.

يتم بعد ذلك حقن العينة في كروماتوجرافيا الغاز مقترنًا بمطياف الكتلة لنسبة النظائر. يقوم الكروماتوجراف بفصل كل منهما ن– الألكان حسب درجة غليانه. واحدة تلو الأخرى، تخضع كل دفعة من الجزيئات للتحلل الحراري، وهو تفاعل يؤدي إلى تحللها إلى غاز الهيدروجين. يستخدم مطياف الكتلة بعد ذلك المجالات المغناطيسية لفصل النظائر الثقيلة عن النظائر الخفيفة وقياس تركيزاتها.

يقوم بعض علماء المناخ القديم أيضًا باستخراج الرواسب لمكونات الغشاء البكتيري التي تسمى رباعيات إيثر الجلسرين داي ألكيل الجلسرين المتفرعة (brGDGTs). يمكن للبكتيريا ضبط وفرة هذه الجزيئات المتشعبة لمنعها من التجمع بشكل وثيق مع تغير درجات الحرارة. من خلال دراسة تكوين الدهون الغشائية في مناخات مختلفة، ابتكر العلماء بشكل فعال “مقياس الحرارة القديم” الذي يمكنه تقدير درجات الحرارة الماضية إلى حدود درجتين مئويتين.

نظرًا لأن brGDGTs ليست متطايرة بدرجة كافية لتبخيرها في كروماتوجرافيا الغاز، فإنه يتم فصلها عادةً باستخدام كروماتوجرافيا سائلة فائقة الأداء، والتي تفصل الجزيئات جزئيًا على أساس قطبيتها. ويقترن هذا بمقياس طيف الكتلة رباعي الأقطاب، والذي يمكن ضبطه لتحليل الجزيئات بشكل انتقائي بنسب محددة من الكتلة إلى الشحن، مما يسمح للعلماء بتحديد كمية الـ 15 brGDGTs المستخدمة حاليًا في إعادة البناء البيئي، كما يقول توبياس شنايدر، عالم المناخ القديم في المعهد الفيدرالي السويسري لعلوم وتكنولوجيا الأحياء المائية في دوبندورف.

يقول راسل إنه يجب تفسير تركيبات الدهون الغشائية ونسب نظائر الهيدروجين في شمع الأوراق بحذر، لأنها تتأثر أيضًا بعوامل أخرى، مثل عدد مصادر الرطوبة في المنطقة وبعدها. لكنها يمكن أن تساعد في الإجابة على أسئلة مهمة، مثل سبب مغادرة المستوطنين الإسكندنافيين جنوب جرينلاند بعد 500 عام من وصولهم إلى هناك. إعلان 985. في تحليل البحيرة الأساسية لعام 2022³وخلص شنايدر وزملاؤه إلى أن الطقس البارد لم يكن وحده هو الذي دفع المستوطنين إلى الرحيل، كما اقترح البعض. بل إن انخفاض هطول الأمطار ربما يكون قد ساهم في قرار المستوطنين، لأن ذلك من شأنه أن يعيق إنتاج القش الذي يحتاجونه لتربية أغنامهم خلال فصل الشتاء.

التحقيق في النشاط البشري في الماضي

يمكن للعلامات الجزيئية الأخرى أيضًا أن تكشف عن أدلة لأنشطة القدماء. يجد العلماء جزيئات صغيرة متعددة الحلقات تُعرف باسم الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAHs) – والتي تنشأ من الاحتراق غير الكامل للمواد العضوية – لتكون مكملة مفيدة للفحم في دراسة نشاط الحرائق القديمة. ونظرًا لأن الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات تُستخدم أيضًا لتقييم تلوث الغلاف الجوي في العصر الحديث، “فهناك الكثير من العلوم حولها”، كما تقول عالِمة الكيمياء الجيولوجية العضوية إيلينا أرجيرياديس، من معهد العلوم القطبية في البندقية بإيطاليا.

على سبيل المثال، يمكن أن يشير التركيب الدقيق للهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات إلى أصل حريق معين وشدته وفي بعض الأحيان مصدره؛ على سبيل المثال، تنشأ شبكة PAH فقط من الأشجار ذات الأشجار الناعمة مثل الصنوبريات. وفي دراسة نشرت في ديسمبر⁴استخدم العلماء الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات جنبًا إلى جنب مع أدوات حجرية عمرها 400 ألف عام من موقع ميداني في المملكة المتحدة كأقدم دليل على وجود نار من صنع الإنسان، وربما تنبع من إنسان نياندرتال الأوائل. لم يكشف تحليل الرواسب عن الفحم، الذي ربما جرفته المياه، لكنه أظهر الكثير من الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات الثقيلة. يشير هذا إلى أن النار اشتعلت في ذلك الموقع وكانت شديدة بما يكفي لتكوين جزيئات ثقيلة. وخلص الباحثون إلى أن العثور على تركيزات أعلى من الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات الأخف وزنًا والتي تحملها الرياح كان سيشير إلى وجود حرائق غابات منخفضة الحرارة في مكان أبعد.

يقول تايلر كارب، عالِم البيئة القديمة بجامعة شيكاغو في إلينوي، إن أحد الاعتبارات المهمة هو أن الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات يتم إنتاجها أيضًا من خلال التحول التدريجي للكربون إلى وقود أحفوري بسبب الحرارة والضغط. يقول كارب: “قد يؤدي ذلك إلى إرباك تفسيراتك الخاصة بالنيران القديمة”. لتصحيح ذلك، يقارن كارب تركيزات الأشكال المؤكللة من الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات – التي يتم إنتاجها بشكل تفضيلي عن طريق عمليات بطيئة ومنخفضة الحرارة – مع الأشكال غير المؤكلة التي تنشأ من النار.

يعرض الكوبروستانول، المؤشر الحيوي الذي استخدمه رايت كبديل للأشخاص في الدراسة في ملاوي، تعقيدات مماثلة.