Phytoplankton Diversity Shapes Microbial Enzymatic Processes and Organic Matter Turnover in the Greenland Sea

المحيط المتجمد الشمالي هو محرك شاسع وبارد يساعد في تنظيم مناخ الأرض. وفي قلبه يكمن توازن دقيق بين قوتين عظيمتين: المياه العذبة والباردة في المناطق القطبية، والتيارات الأكثر دفئًا وملوحة المتدفقة من المحيط الأطلسي. لقرون مضت، حافظت هذه المياه على ضبط مجتمعات متميزة من الحياة المجهرية. وأهم هذه الكائنات هي العوالق النباتية (الفيتوبلانكتون)، وهي كائنات نباتية دقيقة تطفو بالقرب من السطح وتشكل قاعدة الشبكة الغذائية. وعندما تموت أو تُؤكل، تطلق مادة عضوية تغذي البكتيريا والميكروبات الأخرى. وتحدد هذه الأنشطة الميكروبية ما إذا كان الكربون — وهو حجر البناء للحياة — سيُحبس في أعماق المحيط أم سيُعاد تدويره إلى المياه السطحية حيث يمكنه العودة إلى الغلاف الجوي. ومع ارتفاع حرارة الكوكب، يتحرك الحد الفاصل بين هذه الكتل المائية، وهي عملية يسميها العلماء "الأطلسية" (Atlantification)، حيث تدفع المياه الأطلسية طريقها أكثر نحو الشمال. إن فهم كيف يغير هذا التحول أشكال الحياة الدقيقة داخل الماء أمر بالغ الأهمية، لأنه يحدد مقدار الكربون الذي يمكن للقطب الشمالي تخزينه مقابل الكمية التي قد يطلقها.

في سبتمبر 2021، أبحر فريق من الباحثين عبر بحر غرينلاند، وهو بوابة رئيسية بين الأطلسي والقطب الشمالي، للتحقيق في هذه التفاعلات الخفية. كانوا جزءًا من بعثة أكبر مصممة لفهم كيف يعيد تغير المناخ تشكيل هذه المنطقة. ركز العلماء على سؤال محدد: هل كمية الحياة النباتية في الماء هي الأهم، أم أن نوع النبات هو الأهم؟ ولمعرفة ذلك، جمعوا عينات مياه من ستة مواقع مختلفة على طول خط يمتد من المياه القطبية الباردة والعذبة في الغرب إلى المياه الأطلسية الأكثر دفئًا وملوحة في الشرق. وفي كل نقطة، درسوا النباتات المجهرية، والبكتيريا، والإشارات الكيميائية المترتبة على عملياتهم الأيضية. وقاسوا حجم النباتات، وعدّوا الأنواع المختلفة، وحللوا الإنزيمات — وهي بروتينات متخصصة تستخدمها الميكروبات لتفكيك الغذاء — الطافية في الماء.

اكتشف الباحثون أن نوع الكتلة المائية كان القوة الأساسية التي تشكل النظام البيئي بأكمله. ففي الجزء الغربي من مسارهم، حيث كانت المياه باردة وعذبة، هيمنت الدياتومات (Diatoms) على المجتمعات النباتية، وهي مجموعة من العوالق النباتية ذات القشور الصلبة. أما في الجزء الشرقي، حيث كانت المياه أكثر دفئًا وملوحة، فقد تحولت المجتمعات لتصبح مهيمنة من قبل السوطيات الدقيقة (Flagellates) وحيدة الخلية. وكان لهذا التحول في نوع الكائنات الموجودة تأثير عميق على كيفية عمل النظام البيئي. وجد الفريق أن الميكروبات لم تكتفِ بمجرد الاستجابة لكمية المواد النباتية الموجودة، بل اعتمد نشاطها كليًا على جودة الغذاء المتاح. ففي المياه القطبية الباردة، كانت الميكروبات مشغولة بتفكيك المواد الغنية بالبروتين، ويرجح أن ذلك لأن الدياتومات وفرت نظامًا غذائيًا عالي البروتين. أما في المياه المتأثرة بالأطلسي الأكثر دفئًا، فقد أشار النشاط الميكريبي إلى نظام غذائي مختلف، يفضل إعادة تدوير المغذيات بطريقة تبقي الكربون يدور بالقرب من السطح بدلاً من الغوص في الأعماق.

كان أحد أكثر النتائج إثارة للدهشة هو أن النباتات الحية نفسها لم تشكل سوى جزء ضئيل من إجمالي المادة العضوية في الماء. فغالبية الكربون كانت في شكل بقايا نباتية ميتة وحطام عضوي. ومع ذلك، لم تكن الميكروبات تأكل أي شيء موجود فحسب؛ بل كانت انتقائية. لاحظ الباحثون أنه في مناطق الانتقال حيث تختلط الكتل المائية، كان النشاط الميكروبي منخفضًا بشكل مفاجئ، رغم وجود الكثير من الحطام العضوي الميت يطفو حولها. وهذا يشير إلى أن الميكروبات لا تستطيع هضم هذه المواد القديمة والأكثر استعصاءً بسهولة. في المقابل، في المياه القطبية الباردة، كانت الميكروبات نشطة للغاية، حيث قامت بمعالجة البقايا الطازجة والغنية بالبروتين الناتجة عن الدياتومات بكفاءة. وهذا يشير إلى أن التركيبة الكيميائية للمادة العضوية، التي تحددها أنواع النباتات التي ماتت، كانت محركًا أقوى للسلوك الميكروبي من إجمالي كمية الغذاء المتاحة.

كما سلطت الدراسة الضوء على تحول حاسم في كيفية انتقال الكربون عبر القطب الشمالي. ففي المياه القطبية الباردة، يشير وجود النباتات الأكبر حجمًا والطريقة المحددة التي تعالج بها الميكروبات بقاياها إلى نظام يمكن فيه للكربون أن ينخفض بسهل أكبر إلى أعماق المحيط، مما يزيله بفعالية من الغلاف الجوي لفترات طويلة. ومع ذلك، في المياه الأكثر دفئًا والمتأثرة بالأطلسي، فإن هيمنة النباتات الصغيرة وما نتج عنها من نشاط ميكروبي يشير إلى نظام يتم فيه إعادة تدوير الكربون بسرعة بالقرب من السطح. وهذا يعني أنه مع ارتفاع حرارة القطب الشمالي ودفع المياه الأطلسية نحو الشمال، قد تصبح المنطقة أقل كفاءة في تخزين الكربون في أعماق البحار. وبدلاً من ذلك، من المرجح أن يتم تفكيك الكربون وإطلاقه مرة أخرى في الغلاف الجوي، مما يخلق حلقة تغذية راجعة قد تسرع من عملية الاحترار.

خلص الباحثون إلى أن مستقبل دورة الكربون في القطب الشمالي تعتمد ليس على كمية الحياة النباتية الموجودة، بل على نوع الحياة النباتية الموجودة. ومع ارتفاع حرارة المحيط وتغير مزيج الكتل المائية، ستتغير تركيبة مجتمعات النباتات المجهرية. وهذا التغيير سيغير جودة الغذاء المتاح للميكروبات، مما يغير طريقة معالجتها للمادة العضوية. والنتيجة هي تغيير جوهري في التوازن بين إعادة تدوير الكربون عند السطح وتصديره إلى الأعماق. توفر الدراسة خط أساس واضح لفهم هذه العمليات، موضحة أن هوية النباتات الدقيقة الطافية في بحر غرينلاند هي عامل رئيسي في تحديد مصير الكربون في عالم يزداد دفئًا.