Pyrite oxidation flux underestimated due to landscape-mediated microbial sulfate reduction

يعتبر الغلاف الجوي للأرض ميزانية دقيقة، تُكتب وتُعاد كتابتها باستمرار من خلال العمليات الجيولوجية. ففي أحد الجوانين، تعمل الصخور على التجوية وسحب ثاني أكسيد الكربون من الهواء، مما يعمل كآلية تبريد. وعلى الجانب الآخر، يؤدي تحلل بعض المعادن إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى في السماء. ومن بين هذه المعادن، يلعب البيريت — الذي يُطلق عليه غالبًا "ذهب الحمقى" — دورًا كبيرًا بشكل مفاجئ. فعندما يتعرض البيريت للهواء والماء، يتأكسد، مما ينتج حمض الكبريتيك الذي ينخر في الصخور المحيطة ويطلق ثاني أكسيد الكربون. وتستهلك هذه العملية أيضًا الأكسجين. لعقود من الزمن، حاول العلماء قياس مقدار تحلل البيريت في السلاسل الجبلية، لأن هذا الرقم يساعد في تحديد ما إذا كانت الجبال تعمل كمستودع صافٍ للكربون أم كمصدر له. وللقيام بذلك، اعتمدوا تقليديًا على تتبع البصمات الكيميائية للكبريتات، وهي ناتج ثانوي لتحلل البيريت، والتي تتدفق من الأنهار. وقد افترضوا أن هذه البصمات تروي قصة مباشرة: إذا بدا شكل الكبريتات بطريقة معينة، فقد جاءت من البيريت؛ وإذا بدت بطريقة أخرى، فقد جاءت من تحلل رواسب الملح القديمة.

ومع ذلك، تشير دراسة جديدة من منابع نهر الغانج في جبال الهيمالايا إلى أن هذه الرؤية التقليدية تفتقد إلى فصل حيوي. فقد وجد الباحثون أن الإشارات الكيميائية المستخدمة لتتبع البيريت يتم تغييرها بواسطة حياة مجهرية تعيش في التربة والمياه الجوفية. وتحديدًا، تقوم البكتيريا التي تستهلك الكبريتات بتغيير التركيب الكيميائي للمياه قبل أن تصل إلى النهر. وهذا النشاط البيولوجي الخفي يعني أن الحسابات السابقة قد قللت على الأرجب من تقدير مقدار أكسدة البيريت الفعلي. وإذا كان العلماء على حق، فإن كمية ثاني أكسيد الكربون المنبعث من تجوية الجبال قد تكون ضعف ما كان يُعتقد سابقًا، مما يغير فهمنا بشكل جذري لكيفية تأثير الجبال على مناخ الكوكب ومستويات الأكسجين على مدى ملايين السنين.

ركز الفريق، بقيادة باحثين من المعهد الهندي للتكنولوجيا كانبور ومعهد ETH زيورخ، تحقيقاتهم في التضاريس الوعرة لأحواض ألكناناندا وبهاغراثي. وتعتبر هذه المناطق مثالية لمثل هذه الدراسة لأنها تحتوي على مجموعة متنوعة من أنواع الصخور وتشهد معدلات مختلفة من التعرية وهطول الأمطار. جمع العلماء عينات مياه من الأنهار والجداول عبر هذا المشهد الطبيعي، ولم يقيسوا فقط كيمياء المياه، بل أيضًا العلامات الجينية للميكروبات التي تعيش داخلها. كانوا يبحثون عن جين محدد، يُعرف باسم dsrB، والذي يعمل كعلامة للبكتيريا التي تقوم باختزال الكبريتات ميكروبيًا. وهذه عملية تقوم فيها البكتيريا بتجريد جزيئات الكبريتات من الأكسجين لكي تنجو في البيئات منخفضة الأكسجين، والتي توجد غالبًا في أعماق التربة أو في شقوق الصخور.

وما اكتشفه الباحثون هو رابط واضح بين المشهد الطبيعي والميكروبات. ففي المناطق التي تتآكل فيها الأرض ببطء وتكون التربة سميكة، تستغرق المياه وقتًا طويلاً للانتقال من السطح إلى النهر. وتسمح هذه الرحلة البطيئة باستنفاد الأكسجين بواسطة جذور النباتات والكائنات الأخرى، مما يخلق الظروف المثالية من نقص الأكسجين (anoxic)، أو الخالية من الأكسجين، لتزدهر بكتيريا استهلاك الكبريتات. وفي هذه البيئات ذات الحركة البطيئة والتعرية المنخفضة، كانت البكتيريا وفيرة، وتم تغيير البصمة الكيميائية للكبريتات في الماء بشكل كبير. لم تكن البكتيريا تستهلك الكبريتات فحسب، بل كانت تغير تركيبها النظائري بطريقة تجعلها تبدو وكأنها جاءت من مصدر مختلف تمامًا. وأظهرت الدراسة أنه كلما زاد وجود هذه البكتيريا، زاد انحراف الإشارات الكيميائية عما كان متوقعًا من مجرد تجوية الصخور.

والأهم من ذلك، وجد الفريق أن هذا "التراكب البيولوجي" لم يكن عشوائيًا، بل كان محكومًا بالشكل الفيزيائي للأرض والمناخ. ففي المناظر الطبيعية شديدة الانحدار وسريعة التعرية، أو في المناطق المغطاة بالثلوج، تكون التربة رقيقة وتتحرك المياه بسرعة. ولا يوجد وقت كافٍ لنفاذ الأكسجين، لذا لا تستطيع البكتيريا الآكلة للكبريتات إنشاء حضور قوي، وتظل الإشارات الكيميائية دون تغيير نسبي. ولكن في أجزاء الحوض ذات التعرية المنخفضة والأكثر دفئًا ورطوبة، تظل المياه عالقة في التربة لفترة كافية لتقوم البكتيريا بعملها. ووجد الباحثون أن مدى هذا التغيير كان في أعلى مستوياته حيث كانت معدلات التعرية الفيزيائية منخفضة وهطول الأمطار معتدلًا إلى منخفض، وهو المزيج الذي يعظم الوقت الذي تقضيه المياه تحت الأرض.

لهذا الاكتشاف تداعيات عميقة على فهمنا لدورات الكبريت والكربون العالمية. فمنذ سنوات، استخدم العلماء التركيب الكيميائي لكبريتات الأنهار لتقدير مقدار أكسدة البيريت في جميع أنحاء العالم. وافترضوا أنه إذا بدا شكل الكبريتات وكأنها ناتجة عن رواسب الملح القديمة، فهي ليست من البيريت. لكن البيانات الجديدة تشير إلى أن البكتيريا تجعل الكبريتات المشتقة من البيريت تبدو وكأنها ناتجة عن رواسب الملح. وعندما طبق الباحثون فهمهم الجديد على قاعدة بيانات عالمية لكيمياء الأنهار، كانت النتائج مذهلة. فقد وجدوا أن الكبريتات في العديد من الأنهار كانت مشتقة بالكامل تقريبًا من أكسدة البيريت، رغم أن الإشارات الكيميائية كانت تشير سابقًا إلى خلاف ذلك.

ومن خلال تصحيح هذا التداخل الميكروبي، حسب الفريق أن التدفق العالمي للكبريتات الناتج عن أكسدة البيريت يبلغ على الأرج غالبًا ما بين 2.0 و2.5 تريليون مول سنويًا. وهذا أعلى بكثير من التقديرات السابقة، التي كانت تحوم حول 1.3 إلى 1.6 تريليون مول سنويًا. وبعبارة أبسط، فإن كمية ثاني أكسيد الكربون المنبعث في الغلاف الجوي عن طريق تجوية البيريت في الجبال قد تكون ضعف ما كنا نعتقده تقريبًا. هذا لا يعني أن الأرض في خطر مباشر، ولكنه يعني أن نماذجنا لكيفية تنظيم الكوكب لدرجة حرارته عبر المقاييس الزمنية الجيولوجية تحتاج إلى تحديث. فالجبال، التي غالبًا ما تُرى كأماكن تسحب الكربون من الهواء من خلال تجوية صخور السيليكات، قد تكون في الواقع تطلق كربونًا أكثر مما تمتصه عند احتساب التأثير الكامل لأكسدة البيريت.

كما تسلط الدراسة الضوء على الارتباط المعقد بين العالم المادي والعالم المجهري. فشكل الجبال، وسرعة التعرية، وكمية الأمطار، كلها عوامل تملي سلوك البكتيريا غير المرئية، والتي بدورها تعيد كتابة التاريخ الكيميائي للمياه المتدفقة إلى المحيطات. وقد تمكن الباحثون من تأكيد ذلك من خلال قياس وفرة البكتيريا المختزلة للكبريتات مباشرة في عينات المياه. ووجدوا أنه حيثما كانت البكتيريا أكثر عددًا بالنسبة لكمية الكبريتات المتاحة، كان التشوه الكيميائي أكبر. وقد وفر هذا رابطًا مباشرًا وكميًا بين المشهد الطبيعي، والميكروبات، ودورة الكربون العالمية.

لا يشير هذا العمل إلى أن النماذج السابقة كانت خاطئة تمامًا، بل كانت غير مكتملة. فقد عاملت الرؤية التقليدية الإشارات الكيميائية في الأنهار كسجل ثابت لتجوية الصخور. أما البحث الجديد فيكشف أن هذا السجل ديناميكي، حيث يتم تعديله باستمرار من خلال العمليات البيولوجية التي تم تجاهلها إلى حد كبير في البيئات البرية. وتؤكد الدراسة أنه لفهم تاريخ مناخ الأرض حقًا، يجب على العلماء النظر إلى ما وراء الصخور والمياه إلى الحياة الموجودة داخلها. وفي المرة القادمة التي نفكر فيها في دور الجبال في دورة الكربون العالمية، يجب أن نتذكر أن القصة لا تُكتب في الحجر فحسب، بل أيضًا في التربة، حيث تقوم البكتيريا الصغيرة بهدوء بإعادة تشكيل كيمياء الكوكب.