اكتشاف الأكسجين في أعماق المحيطات المظلمة

اكتشاف الأكسجين المظلم： قنبلة علمية جديدة

كان الاكتشاف المذهل الذي تم الإعلان عنه في يوليو (تموز) بأن الصخور المعدنية كانت على ما يبدو تنتج الأكسجين في قاع المحيط الهادئ، حيث لا يمكن للضوء اختراقه، بمثابة قنبلة علمية.

فقد أشارت الأبحاث الأولية إلى أن عقيدات بحجم البطاطا غنية بالمعادن، والتي وجدت في الغالب على عمق 4000 متر (13100 قدم) تحت السطح في منطقة كلاريون-كليبرتون، أطلقت شحنة كهربائية وقسمت مياه البحر إلى أكسجين وهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي. وتتحدى هذه الظاهرة الطبيعية غير المسبوقة الفكرة القائلة بأن الأكسجين لا يمكن أن يُصنع إلا من ضوء الشمس عن طريق التمثيل الضوئي.

ويشرع أندرو سويتمان، الأستاذ في الجمعية الاسكتلندية لعلوم البحار في المملكة المتحدة الذي كان وراء هذا الاكتشاف، في مشروع مدته ثلاث سنوات للتحقق من إنتاج الأكسجين "المظلم" بشكل أكبر. ويستخدم Sweetman وفريقه حفارات مصنوعة خصيصًا ومزودة بأجهزة استشعار يمكن نشرها على أعماق تصل إلى 11,000 متر (36,089 قدمًا). وتقوم مؤسسة نيبون بتمويل المشروع البحثي الذي أُعلن عنه يوم الجمعة بقيمة 2.7 مليون دولار (2.2 مليون جنيه إسترليني).

{{MEDIA}}

أهمية الأكسجين المظلم في فهم أعماق المحيط

عثر الكشف عن الأكسجين المظلم عن مدى قلة ما هو معروف عن أعماق المحيط، ومنطقة كلاريون-كليبرتون، أو CCZ، على وجه الخصوص. ويجري استكشاف المنطقة لاستخراج المعادن النادرة الموجودة في العقيدات الصخرية في أعماق البحار. وتتكون هذه الأخيرة على مدى ملايين السنين، وتؤدي المعادن دوراً رئيسياً في التكنولوجيات الجديدة والخضراء.

وقال سويتمان، قائد مجموعة البيئة والكيمياء الجيولوجية الحيوية في قاع البحر في مؤسسته، في بيان صحفي: "كان اكتشافنا للأكسجين المظلم نقلة نوعية في فهمنا لأعماق البحار وربما الحياة على الأرض، لكنه طرح أسئلة أكثر من الإجابات". "سيمكننا هذا البحث الجديد من استكشاف بعض هذه الأسئلة العلمية."

وقال سويتمان إن الهدف الأولي للمشروع الجديد هو تحديد ما إذا كان إنتاج الأكسجين الداكن يتكرر في مناطق أخرى من منطقة قاع البحر الكاريبي حيث يمكن العثور على العقيدات ومن ثم فك تشابك كيفية إنتاج الأكسجين بالضبط.

الأكسجين في أماكن غير متوقعة： اكتشافات جديدة

وأضاف أن فهم الظاهرة بشكل أفضل يمكن أن يساعد أيضًا علماء الفضاء في العثور على الحياة خارج الأرض.

من الصعب إنتاج الأكسجين دون الطاقة المستمرة التي تأتي من ضوء الشمس، لكن علماء آخرين وجدوا أيضاً جزيئات أكسجين غير متوقعة في أماكن نائية محرومة من الضوء. وقال سويتمان إن إنتاج الأكسجين المظلم قد يكون ظاهرة أوسع نطاقاً تم تجاهلها.

اكتشف إميل روف، عالم الأحياء الدقيقة في المختبر البيولوجي البحري في وودز هول بولاية ماساتشوستس، الأكسجين في عينات المياه العذبة في ألبرتا على عمق يتراوح بين عشرات ومئات الأمتار تحت البراري الكندية، وهو اكتشاف توصل إليه هو ومؤلفون مشاركون من جامعة كالجاري ومعهد وودز هول لعلوم المحيطات في دراسة نُشرت في يونيو 2023. في بعض الحالات، كان الأكسجين الداكن معزولاً عن الغلاف الجوي فوق سطح الأرض لأكثر من 40,000 سنة.

إذا لم تتم إضافة الأكسجين باستمرار إلى بيئة ما (عن طريق الأشجار والنباتات، على سبيل المثال)، فإنه سيختفي في نهاية المطاف.

"بعد 40,000 سنة أو 30,000 سنة (مفصولة عن العمليات السطحية)، لا يوجد سبب حقيقي للاعتقاد بأنه يجب أن يكون هناك أي أكسجين متبقٍ. ولأن الأكسجين هو متقبل للإلكترون لذيذ، فإنه عادةً ما يتأكسد كيميائياً أو يتأكسد ميكروبياً". "إذن ما الذي كان يفعله هناك؟

وعلى غرار سويتمان، قال روف إنه اعتقد في البداية أن الأكسجين الجوي قد لوث عيناته، التي تم سحبها من 14 طبقة مياه جوفية. وبالنظر إلى عمر العينات، فإن أي أكسجين قد يكون تفاعل مع مواد أخرى منذ فترة طويلة واختفى.

وبعد العمل بصبر في المختبر والحقل، اكتشف روف في النهاية أن الميكروبات الموجودة في المياه كانت تنتج الأكسجين. ويبدو أن الميكروبات قد طورت حيلة غامضة ولكن أنيقة سمحت لها بإنتاج الجزيئات في غياب الضوء.

من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية، تمكنت الميكروبات من تكسير مركبات قابلة للذوبان تسمى النيتريت، وهي جزيئات مكونة من ذرة نيتروجين وذرتين من الأكسجين، لإنتاج الأكسجين الجزيئي في عملية تعرف باسم التفكيك. كان لدى الميكروبات أيضًا القدرة على استخدام الأكسجين لاستهلاك الميثان في الماء للحصول على الطاقة.

والأكثر من ذلك، وجد روف أن كمية الأكسجين المنتجة كانت كافية للحفاظ على الحياة الميكروبية الأخرى المعتمدة على الأكسجين في المياه الجوفية.

"وقال: "تستمر الطبيعة في مفاجأتنا. هناك الكثير من الأشياء التي قال عنها الناس: "أوه، هذا مستحيل"، ثم اتضح لاحقًا أنها ليست كذلك."

وللتحقق من الأكسجين المظلم بشكل أكبر، سافر روف وفريقه إلى منجم بعمق 3 كيلومترات (9,500 قدم) في جنوب أفريقيا في أغسطس/آب لأخذ عينات من المياه التي كانت محتجزة في الصخور لمدة 1.2 مليار سنة.

{{MEDIA}}

كان العلماء يعلمون بالفعل أن الماء في المنجم يحتوي على جزيئات الأكسجين، ولكن من غير الواضح كيف تشكلت هذه الجزيئات. لا يزال روف وزملاؤه يدرسون العينات التي أخذوها، لكن لديهم فرضيتان حول كيفية إنتاج جزيئات الأكسجين، كما قال.

يتم التنقيب في الموقع عن الذهب واليورانيوم، وهو معدن مشع. ويُعد التحلل الإشعاعي، وهو انقسام جزيئات الماء من خلال النشاط الإشعاعي، إحدى الطرق المحتملة لإنتاج الأكسجين دون ضوء الشمس. وبدلاً من ذلك، يمكن أن ينطوي إنتاج الأكسجين على ميكروبات في عمليات مشابهة لتلك الموجودة في المياه الجوفية في كندا.

وقال سويتمان يوم الجمعة إن المشروع الجديد سيسعى أيضًا إلى فهم ما إذا كانت أي تفاعلات ميكروبية دقيقة تلعب دورًا في إنتاج الأكسجين المظلم في قاع البحر. وسينظر المشروع على وجه الخصوص، في كيفية إطلاق الهيدروجين أثناء إنتاج الأكسجين بواسطة العقيدات المعدنية وما إذا كان الهيدروجين قد استخدم كمصدر للطاقة لمجتمعات الميكروبات المكتشفة في أجزاء من أعماق المحيط.

وقال: "أعتقد أننا لا نملك الآلية بشكل كامل حتى الآن وسنحتاج إلى الكثير من الوقت لمعرفة ذلك".

الأكسجين المظلم والبحث عن حياة خارج كوكب الأرض

وقال روف إنه يأمل أن يتعاون مع سويتمان وغيره من العلماء المشاركين في أبحاث الأكسجين المظلم لفهم كيفية اختلاف البصمة الكيميائية للأكسجين الناتج عن التحليل الكهربائي لمياه البحر عن تلك التي تنتجها الميكروبات أو التحليل الإشعاعي.

قال سويتمان إن المسؤولين في ناسا مهتمون بالبحث عن إنتاج الأكسجين المظلم لأنه يمكن أن يفيد الفهم العلمي لكيفية استمرار الحياة على الكواكب الأخرى دون أشعة الشمس المباشرة.

وأضاف أن وكالة الفضاء ترغب في إجراء تجارب لفهم كمية الطاقة اللازمة لاحتمال إنتاج الأكسجين عند ضغوط أعلى تحدث على قمري إنسيلادوس ويوروبا، القمرين الجليديين التابعين لزحل والمشتري على التوالي. وتعد هذه الأقمار من بين أهداف البحث في إمكانية وجود حياة.

وتهدف شركات التعدين في أعماق البحار إلى التنقيب عن الكوبالت والنيكل والنحاس والليثيوم والمنغنيز الموجودة في العقيدات لاستخدامها في الألواح الشمسية وبطاريات السيارات الكهربائية وغيرها من التكنولوجيا الخضراء. وقد اعترضت بعض الشركات على أبحاث سويتمان.

يقول المنتقدون إن التعدين في أعماق البحار يمكن أن يلحق ضررًا لا رجعة فيه بالبيئة البكر تحت الماء وأنه يمكن أن يعطل طريقة تخزين الكربون في المحيط، مما يساهم في أزمة المناخ.

قالت شركة المعادن إنها قدمت دحضًا إلى مجلة Nature Geoscience، وهي المجلة التي نشرت البحث الأصلي. وقالت الشركة إن البحث المقدم يخضع لمراجعة الأقران ولكنه لم يُنشر بعد.

قال سويتمان إنه كان على علم برد الفعل الناقد وسيقوم بالرد "من خلال القنوات التي يراجعها الأقران".

وقال: "نحن مقتنعون تمامًا بأن هذه عملية فعلية تجري في قاع البحر".

كما قال سويتمن إنه من الحكمة تأجيل استغلال الموارد في قاع البحر حتى يتم فهم النظام البيئي بشكل أفضل.

وقالت إيمي غارتمان، عالمة المحيطات البحثية ورئيسة مشروع المعادن البحرية العالمية في مركز العلوم الساحلية والبحرية في المحيط الهادئ التابع لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية في سانتا كروز، كاليفورنيا، إن هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية لم تلاحظ أي ظواهر كهربائية في عقيدات المنغنيز الحديدي التي تم فحصها حتى الآن. ولم تشارك في بحث سويتمان أو روف.

وقالت: "يحاول الباحثون حاليًا تكرار الظواهر التي أبلغ عنها سويتيمان وآخرون". "البحث العلمي عبارة عن عملية وقد يستغرق الأمر بعض الوقت قبل التوصل إلى إجابة قاطعة."