إنتاج الأكسجين المظلم: اكتشافات مدهشة

اكتشاف الأكسجين المظلم في أعماق المحيطات

بدت ظاهرة غامضة لوحظت لأول مرة في عام 2013 على متن سفينة في جزء بعيد من المحيط الهادئ غير معقولة إلى درجة أنها أقنعت عالم المحيطات أندرو سويتمان بأن معدات الرصد التي كان يستخدمها معيبة.

تحديات البحث في أعماق المحيط

وبدا أن قراءات أجهزة الاستشعار تُظهر أن الأكسجين كان يُصنع في قاع البحر على عمق 4000 متر (حوالي 13100 قدم) تحت السطح، حيث لا يمكن للضوء أن يخترقه. وحدث الشيء نفسه في ثلاث رحلات لاحقة إلى منطقة تعرف باسم منطقة كلاريون كليبرتون.

"لقد أخبرت طلابي بشكل أساسي، فقط أعيدوا أجهزة الاستشعار إلى الصندوق. سوف نشحنها إلى الشركة المصنعة ونعيدها إلى الشركة لتفحصها لأنها تعطينا فقط هراء"، قال سويتمن، الأستاذ في الجمعية الاسكتلندية للعلوم البحرية وقائد مجموعة البيئة والكيمياء الجيولوجية الحيوية في قاع البحر في المؤسسة. "وفي كل مرة كانت الشركة المصنعة ترد علينا: 'إنها تعمل. لقد تمت معايرتها."

وقال سويتمن إن الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي مثل النباتات والعوالق والطحالب تستخدم ضوء الشمس لإنتاج الأكسجين الذي يدور في أعماق المحيطات، لكن الدراسات السابقة التي أجريت في أعماق البحار أظهرت أن الأوكسجين تستهلكه الكائنات الحية التي تعيش هناك فقط، ولا تنتجه.

والآن، يتحدى باحث فريقه هذا الافتراض القديم، حيث وجد أن الأوكسجين ينتج دون عملية التمثيل الضوئي.

وقال: "تكون حذرًا عندما ترى شيئًا يتعارض مع ما يجب أن يحدث".

أهمية العقيدات متعددة المعادن

تُظهر الدراسة، التي نُشرت يوم الاثنين في مجلة Nature Geoscience، مدى ما لا يزال مجهولاً عن أعماق المحيطات، وتسلط الضوء على ما هو على المحك في السعي لاستغلال قاع المحيط بحثاً عن المعادن والمعادن النادرة. كما أن اكتشافه أن هناك مصدرًا آخر للأوكسجين على كوكب الأرض غير التمثيل الضوئي له أيضًا آثار بعيدة المدى يمكن أن تساعد في كشف أصول الحياة.

توصل سويتمان لأول مرة إلى الملاحظة غير المتوقعة بأن الأوكسجين "المظلم" يتم إنتاجه في قاع البحر أثناء تقييم التنوع البيولوجي البحري في منطقة مخصصة لتعدين العقيدات متعددة المعادن بحجم البطاطس. وتتكون العقيدات على مدى ملايين السنين من خلال عمليات كيميائية تتسبب في ترسب المعادن من الماء حول شظايا الأصداف ومناقير الحبار وأسنان أسماك القرش وتغطي مساحة كبيرة بشكل مدهش من قاع البحر.

ويرتفع الطلب على المعادن مثل الكوبالت والنيكل والنحاس والليثيوم والمنغنيز الموجودة في العقيدات لاستخدامها في الألواح الشمسية وبطاريات السيارات الكهربائية وغيرها من التكنولوجيا الخضراء. ومع ذلك، يقول المنتقدون إن التعدين في أعماق البحار يمكن أن يلحق ضرراً لا رجعة فيه بالبيئة البكر تحت الماء، حيث أن الضوضاء وأعمدة الرواسب التي تطلقها معدات التعدين تضر بالنظم الإيكولوجية في وسط المياه وكذلك الكائنات الحية في قاع البحر التي تعيش غالباً على العقيدات.

كما يحذر هؤلاء العلماء من إمكانية أن يؤدي التعدين في أعماق البحار إلى تعطيل طريقة تخزين الكربون في المحيط، مما يساهم في أزمة المناخ.

وفي تلك التجربة التي أجريت في عام 2013، استخدم سويتمان وزملاؤه مركبة إنزال في أعماق المحيطات تغوص في قاع البحر لدفع غرفة، أصغر من علبة الأحذية، في الرواسب لتطويق مساحة صغيرة من قاع البحر وحجم المياه فوقها.

وما كان يتوقع أن يكتشفه المستشعر هو انخفاض مستويات الأوكسجين ببطء مع مرور الوقت مع تنفس الحيوانات المجهرية. ومن تلك البيانات، خطط لحساب شيء يسمى "استهلاك مجتمع الرواسب للأكسجين"، والذي يوفر معلومات مهمة حول نشاط حيوانات قاع البحر والكائنات الحية الدقيقة.

لم يقبل سويتمان أن الأكسجين يتم إنتاجه في قاع البحر وأنه بحاجة إلى معرفة ما يجري حتى عام 2021، عندما استخدم طريقة أخرى احتياطية للكشف عن الأكسجين وأعطت نفس النتيجة.

وقال: "يا إلهي على مدى السنوات الثماني أو التسع الماضية، كنت أتجاهل شيئًا عميقًا وضخمًا".

فهم ظاهرة الأكسجين المظلم

وقد لاحظ سويتمان هذه الظاهرة مراراً وتكراراً على مدى عقد من الزمن تقريباً وفي عدة مواقع في منطقة كلاريون كليبرتون، وهي منطقة كبيرة تمتد لأكثر من 4000 ميل (6400 كيلومتر) وتقع خارج نطاق الولاية القضائية لأي دولة.

وقد أخذ الفريق بعض العينات من الرواسب ومياه البحر والعقيدات المتعددة الفلزات لدراستها في المختبر لمحاولة فهم كيفية إنتاج الأكسجين بالضبط.

ومن خلال سلسلة من التجارب، استبعد الباحثون العمليات البيولوجية مثل الميكروبات، وركزوا على العقيدات نفسها باعتبارها مصدر الظاهرة. وتوصلوا إلى أنه ربما كان الأكسجين يتحرر من أكسيد المنجنيز في العقيدات. لكن هذا الإطلاق لم يكن هو السبب، كما قال سويتمن.

وأدى فيلم وثائقي عن التعدين في أعماق البحار شاهده سويتمن في حانة فندق في ساو باولو بالبرازيل إلى اكتشاف جديد. ويتذكر قائلاً: "كان هناك شخص يقول: "هذه بطارية في صخرة". "وأنا أشاهد ذلك، فجأة فكرت: "هل يمكن أن تكون كهروكيميائية؟ هذه الأشياء التي يريدون التنقيب عنها لصنع البطاريات، هل يمكن أن تكون في الواقع بطاريات بحد ذاتها؟

وقال سويتمن إن التيار الكهربائي، حتى من بطارية AA، عندما يوضع في المياه المالحة، يمكن أن يقسم الماء إلى أكسجين وهيدروجين وهي عملية تعرف باسم التحليل الكهربائي لمياه البحر. وربما كانت العقيدات تقوم بشيء مماثل، كما قال.

اقترب سويتمن من فرانز جيجر، عالم الكيمياء الكهربائية في جامعة نورث وسترن في إيفانستون، إلينوي، وقاما معاً بإجراء المزيد من التحقيقات. وباستخدام جهاز يسمى المقياس المتعدد لقياس الفولتية الصغيرة والتغيرات في الفولتية، سجلا قراءات 0.95 فولت من سطح العقيدات.

كانت هذه القراءات أقل من الجهد المطلوب للتحليل الكهربائي لمياه البحر البالغ 1.5 فولت ولكنها تشير إلى أن الفولتية الكبيرة يمكن أن تحدث عندما تتجمع العقيدات معًا.

تحديات النموذج التقليدي لدورة الأكسجين

وقال جيجر، أستاذ الكيمياء في كلية وينبرغ للفنون والعلوم في نورث ويسترن في بيان صحفي: "يبدو أننا اكتشفنا "بطارية أرضية" طبيعية". "هذه البطاريات الأرضية هي الأساس لتفسير محتمل لإنتاج الأوكسجين المظلم في المحيط."

قال دانيال جونز، أستاذ ورئيس قسم العلوم الجغرافية الحيوية للمحيطات في المركز الوطني لعلوم المحيطات في ساوثهامبتون بإنجلترا، والذي عمل مع سويتمان لكنه لم يشارك مباشرة في البحث، إن اكتشاف أن العقيدات السحيقة، أو العقيدات في أعماق البحار، تنتج الأكسجين "اكتشاف مذهل وغير متوقع". وقال عبر البريد الإلكتروني: "تُظهر مثل هذه النتائج قيمة البعثات الاستكشافية البحرية إلى هذه المناطق النائية والمهمة في محيطات العالم".

من المؤكد أن الدراسة تتحدى "النموذج التقليدي لدورة الأوكسجين في أعماق البحار"، وفقًا لبيث أوركوت، كبيرة علماء الأبحاث في مختبر بيغلو لعلوم المحيطات في ولاية ماين. لكن الفريق قدم "بيانات داعمة كافية لتبرير الملاحظة كإشارة حقيقية"، كما قالت أوركوت، التي لم تشارك في البحث.

ووصف كريغ سميث، الأستاذ الفخري لعلوم المحيطات في جامعة هاواي في مانوا، فرضية البطارية الأرضية بأنها تفسير معقول لإنتاج الأكسجين الداكن.

وقال عبر البريد الإلكتروني: "(أ) كما هو الحال مع أي اكتشاف جديد، ومع ذلك، قد تكون هناك تفسيرات بديلة".

وقال سميث، الذي لم يشارك أيضًا في الدراسة: "لا يمكن تقييم الأهمية الإقليمية لمثل هذا (إنتاج الأوكسجين الداكن) حقًا مع الطبيعة المحدودة لهذه الدراسة، لكنها تشير إلى وظيفة محتملة للنظام البيئي غير مقدرة لعقيدات المنغنيز في قاع البحر العميق."

كشف أصول الحياة وتأثيرات التعدين

وتقدر هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية وجود 21.1 مليار طن جاف من العقيدات المتعددة الفلزات في منطقة كلاريون كليبرتون تحتوي على معادن مهمة أكثر من الاحتياطيات الأرضية في العالم مجتمعة.

وتقوم السلطة الدولية لقاع البحار، بموجب اتفاقية الأمم المتحدة لقانون البحار، بتنظيم التعدين في المنطقة وقد أصدرت عقود استكشاف. وتجتمع المجموعة في جامايكا هذا الشهر للنظر في قواعد جديدة للسماح للشركات باستخراج المعادن من قاع المحيط.

ومع ذلك، فقد أعربت عدة دول، بما في ذلك المملكة المتحدة وفرنسا، عن حذرها، مؤيدةً فرض حظر أو وقف اختياري على التعدين في أعماق البحار لحماية النظم الإيكولوجية البحرية والحفاظ على التنوع البيولوجي. وفي وقت سابق من هذا الشهر، حظرت هاواي التعدين في أعماق البحار في مياه ولايتها.

وقال سويتمان وغيغر إن صناعة التعدين يجب أن تنظر في الآثار المترتبة على هذا الاكتشاف الجديد قبل احتمال استغلال العقيدات في أعماق البحار.

وقال سميث من جامعة هاواي إنه يفضل التوقف مؤقتاً عن تعدين العقيدات، نظراً لتأثير ذلك على البيئة الهشة والمتنوعة بيولوجياً والبكر.

وقال جيجر إن المحاولات المبكرة لجهود التعدين في المنطقة في الثمانينات من القرن الماضي كانت بمثابة قصة تحذيرية.

وقال جيجر: "في عامي 2016 و 2017، زار علماء الأحياء البحرية المواقع التي تم تعدينها في الثمانينيات ووجدوا أنه حتى البكتيريا لم تتعافى في المناطق الملغومة".

"أما في المناطق غير الملغومة، فقد ازدهرت الحياة، ولا يزال سبب استمرار هذه "المناطق الميتة" لعقود من الزمن غير معروف". "ومع ذلك، فإن هذا الأمر يضع علامة استفهام كبيرة على استراتيجيات التعدين في قاع البحر حيث أن التنوع الحيواني في قاع المحيط في المناطق الغنية بالعقيدات أعلى مما هو عليه في الغابات الاستوائية المطيرة الأكثر تنوعًا."

وقال سويتمان، الذي تم تمويل بحثه العلمي ودعمه من قبل شركتين مهتمتين بالتعدين في منطقة كلاريون كليبرتون، إنه من الأهمية بمكان أن يكون هناك إشراف علمي على التعدين في أعماق البحار.

ولا تزال هناك العديد من الأسئلة التي لم تتم الإجابة عنها حول كيفية إنتاج الأكسجين المظلم والدور الذي يلعبه في النظام البيئي في أعماق البحار.

وأضاف سويتمان أن فهم كيفية إنتاج قاع المحيط للأكسجين قد يلقي الضوء أيضًا على أصول الحياة. وتتمثل إحدى النظريات القديمة في أن الحياة تطورت في الفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار، واكتشاف أن التحليل الكهربائي لمياه البحر يمكن أن يشكل الأكسجين في الأعماق يمكن أن يلهم طرقاً جديدة للتفكير في كيفية بدء الحياة على الأرض.

قال سويتمن: "أعتقد أن هناك المزيد من العلوم التي يجب القيام بها، خاصةً فيما يتعلق بهذه العملية وأهميتها". "آمل أن تكون هذه بداية لشيء مذهل."