اكتشاف مصدر أكسجين غامض في قاع البحر - حيرة الباحثين

هناك شيء ما يضخ كميات كبيرة من الأكسجين في قاع المحيط الهادئ، في أعماق حيث النقص الكامل في ضوء الشمس يجعل عملية التمثيل الضوئي مستحيلة.

تم اكتشاف هذه الظاهرة في منطقة مغطاة بتكوينات قديمة بحجم البرقوق تسمى العقيدات المتعددة المعادن، والتي يمكن أن تحفز إنتاج الأكسجين من خلال تعزيز انقسام جزيئات الماء. النتائج موجودةعلوم الأرض الطبيعية ¹نشرت.

يقول المؤلف المشارك في الدراسة أندرو سويتمان، عالم بيئة قاع البحر في الجمعية الاسكتلندية لعلوم البحار في أوبان بالمملكة المتحدة: "لدينا مصدر آخر للأكسجين على الكوكب غير عملية التمثيل الضوئي"، على الرغم من أن الآلية الكامنة وراء إنتاج الأكسجين هذا لا تزال غامضة. ويقول إن النتائج يمكن أن يكون لها أيضًا آثار على فهم كيفية بدء الحياة، بالإضافة إلى التأثير المحتمل للكائنات الحية التعدين في أعماق البحار في المنطقة.

يقول دونالد كانفيلد، عالم الكيمياء الجيولوجية الحيوية بجامعة جنوب الدنمارك في أودنسه، إن هذه الملاحظة «مذهلة». "لكنني أجد الأمر محبطًا لأنه يثير الكثير من الأسئلة ولا يقدم الكثير من الإجابات."

لاحظ سويتمان ومعاونوه شيئًا متناقضًا لأول مرة أثناء العمل الميداني في عام 2013. وكان الباحثون يدرسون النظم البيئية في قاع البحر في منطقة كلاريون كليبرتون بين هاواي والمكسيك، وهي أكبر من الهند وتشكل هدفاً محتملاً لتعدين العقيدات الغنية بالمعادن. خلال هذه الرحلات الاستكشافية، يطلق الفريق وحدة تغوص في قاع المحيط لإجراء تجارب آلية. هناك، تقوم الوحدة بدفع غرف أسطوانية لإغلاق أجزاء صغيرة من قاع البحر - إلى جانب بعض مياه البحر - وإنشاء "صورة مصغرة مغلقة لقاع البحر"، كما كتب المؤلفون. ثم يقوم "الهبوط" بقياس كيفية تغير تركيز الأكسجين في مياه البحر المختومة على مدى فترات تصل إلى عدة أيام.

تيارات الأكسجين

بدون أي كائنات حية تقوم بالتمثيل الضوئي تطلق الأكسجين في الماء، ومع أي كائن حي آخر يستهلك الغاز، يجب أن تنخفض تركيزات الأكسجين داخل الغرف ببطء. وقد لاحظ سويتمان ذلك في الدراسات التي أجراها في مناطق المحيط الجنوبي والقطب الشمالي والمحيط الهندي، وكذلك المحيط الأطلسي. تدين النظم البيئية في قاع البحر في جميع أنحاء العالم بوجودها للأكسجين الذي تحمله التيارات من السطح، وسوف تموت بسرعة إذا انقطعت عنه. (معظم هذا الأكسجين يأتي من شمال المحيط الأطلسي ويتم نقله إلى أعماق محيطات العالم عن طريق "حزام ناقل عالمي".)

لكن في منطقة كلاريون-كليبرتون، أظهرت الأجهزة أن المياه المنقطعة أصبحت أكثر ثراءً، وليس أكثر فقرًا، بالأكسجين. في البداية، عزا سويتمان القراءات إلى خطأ في جهاز الاستشعار. لكن الظاهرة حدثت مرارا وتكرارا خلال البعثات اللاحقة في عامي 2021 و2022 وتم تأكيدها من خلال القياسات باستخدام تقنية بديلة. يقول سويتمان: "فجأة أدركت أنني كنت أتجاهل هذه العملية الجديدة التي يحتمل أن تكون مذهلة، على عمق 4000 متر في قاع المحيط، لمدة ثماني سنوات".

إن كمية الأكسجين المنتجة ليست صغيرة: يقول سويتمان إن الغاز الموجود في الغرف يصل إلى تركيزات أعلى من تلك الموجودة في المياه السطحية الغنية بالطحالب. ولم تحتوي أي من المناطق الأخرى التي فحصها سويتمان على عقيدات متعددة المعادن، مما يشير إلى أن هذه الصخور تلعب دورًا مهمًا في إنتاج هذا "الأكسجين الداكن".

كاختبار أول لهذه الفرضية، أعاد الفريق إنتاج الظروف التي وجدوها في قاع البحر في مختبر على متن سفينتهم. وقاموا بمراقبة العينات التي تم جمعها من قاع البحر - بما في ذلك العقيدات المتعددة المعادن - ووجدوا أن تركيزات الأكسجين زادت، على الأقل مؤقتا. يقول سويتمان: "يبدأون في إنتاج الأكسجين حتى نقطة معينة، ثم يتوقفون"، ربما بسبب استنفاد الطاقة التي تدفع انقسام جزيئات الماء. وهذا يثير السؤال من أين تأتي هذه الطاقة؟ ولو كانت الدرنات نفسها تعمل كبطاريات -تولد الطاقة من خلال تفاعل كيميائي- لكانت قد استنفدت منذ فترة طويلة.

الإمكانات الكهربائية

لكن العقيدات يمكن أن تكون بمثابة محفزات، مما يسمح بتقسيم الماء وتكوين الأكسجين الجزيئي. قام الباحثون بقياس الفولتية على سطح الدرنات ووجدوا اختلافات في الجهد تصل إلى 0.95 فولت. في حين أن هذا لا يقترب تمامًا من 1.5 فولت اللازمة لتقسيم جزيء الماء، إلا أنه من حيث المبدأ يمكن توليد جهد أعلى، على غرار الطريقة التي يمكن بها مضاعفة جهد البطارية عن طريق توصيل بطاريتين على التوالي، كما يقول سويتمان.

يقول المؤلف المشارك فرانز جيجر، الكيميائي في جامعة نورث وسترن في إيفانستون، إلينوي، إنه لا يزال من غير الواضح ما إذا كان التفاعل ينتج أيضًا الهيدروجين الجزيئي - والذي يحدث في تفاعلات المحلل الكهربائي الصناعي بفضل المحفز - أو يطلق البروتونات في الماء بينما يدفع الإلكترونات المتبقية إلى مكان آخر. لكن هذا الفهم يمكن أن يكون له تطبيقات مفيدة في نهاية المطاف، كما يقول. "ربما يكون هناك مخطط في قاع البحر يمكن أن يساعدنا في صنع محفزات أفضل."

تقول إيفا ستوكن، عالمة الكيمياء الجيولوجية الحيوية بجامعة سانت أندروز بالمملكة المتحدة، إن النتائج يمكن أن يكون لها أيضًا آثار على المقترحات الخاصة بالبحث عن دلائل تشير إلى وجود حياة محتملة في الطيف الضوئي للكواكب خارج المجموعة الشمسية. "حضور O₂وتقول: "قد نحتاج إلى تفسير الغاز الموجود على الكواكب الأخرى بحذر إضافي".

يقول سويتمان إنه قبل البدء بالتعدين في أعماق البحار، يجب على الباحثين رسم خريطة للمناطق التي يتم فيها إنتاج الأكسجين. وإلا فإن النظم البيئية التي أصبحت تعتمد على هذا الأكسجين يمكن أن تنهار إذا تمت إزالة العقيدات. "إذا تم إنتاج كميات كبيرة من الأكسجين، فمن المحتمل أن يكون ذلك مهمًا للحيوانات التي تعيش هناك."