Sinking particle fluxes and nitrogen loss in the eastern tropical North Pacific oxygen deficient zone measured using incubating sediment traps

في الطبقات العليا الواسعة والمشمسة من المحيط، تنمو وتتكاثر نباتات دقيقة تسمى العوالق النباتية، مشكلةً قاعدة الشبكة الغذائية البحرية. وعندما تموت هذه الكائنات، أو عندما تأكلها الحيوانات وتنتج فضلاتها، تسقط هذه المادة العضوية مثل رقاقات الثلج نحو الأعماق المظلمة. وبينما تتساقط، تقوم البكتيريا والميكروبات الأخرى بتفكيكها، وهي عملية تستهلك الأكسجين. وفي معظم أجزاء المحيط، يتم تعويض هذا الأكسجين بسرعة بواسطة التيارات والاختلاط. ومع ذلك، في مناطق محددة بالقرب من خط الاستواء، يكون الماء مستقراً للغاية واستهلاك الأكسجين مكثفاً لدرجة أن طبقة سميكة من الماء تتشكل حيث ينعدم الأكسجين تقريباً. ويطلق العلماء على هذه المناطق اسم "مناطق نقص الأكسجين". وفي هذه البيئات المظلمة والخالية من الهواء، يتولى نوع مختلف من الحياة الميكروبية زمام الأمور؛ فبدلاً من تنفس الأكسجين، تستخدم هذه الميكروبات مركبات النيتروجين للبقاء على قيد الحياة، وهي عملية تؤدي في النهاية إلى إطلاق غاز النيتروجين مرة أخرى في الغلاف الجوي. ويعد إزالة النيتروجين هذا جزءاً حيوياً من كيمياء المحيط، حيث يعمل بمثابة كابح لمدى كمية الحياة النباتية التي يمكن للمحيط دعمها عالمياً.

لعقود من الزمن، حاول العلماء فهم كمية النيتروجين المفقودة بدقة في هذه المناطق ومن أين يأتي الوقود لهذه العملية. كان الرأي السائد هو أن فقدان النيتروجين مدفوع بالكامل تقرياً بالمادة العضوية الهابطة من السطح المشمس، مثل مطر مستمر من النباتات والحيوانات الميتة التي تسقط من الأعلى. ولقياس ذلك، استخدم الباحثون تقليدياً مصائد مثبتة طويلة الأمد توضع في قاع المحيط أو تنجرف في أعماق ثابتة، لتجمع هذا الحطيم المتساقط على مدى أسابيع أو أشهر. ومع ذلك، فإن عمليات النشر الطويلة هذه غالباً ما تمحو فترات النشاط قصيرة المدى التي قد تكون حاسمة للنظام. علاوة على ذلك، فإن جلب عينات المياه من هذه المناطق العميقة والمحرومة من الأكسجين إلى السطح أمر صعب للغاية؛ فبمجرد ملامسة الماء للهواء، يمكن أن يتلوث بالأكسجين، مما يفسد التوازن الكيميائي الدقيق اللازم لدراسة الميكروبات بداخله.

قام فريق من الباحثين بقيادة ميغان دوفي بحل هذه المشكلات عبر نقل المختبر إلى أعماق المحيط، بدلاً من جلب أعماق المحيط إلى المختبر. لقد نشروا نوعاً جديداً من الأجهزة في شرق المحيط الهادئ الاستوائي، وهو موطن لأكبر منطقة نقص أكسجين في العالم. كانت هذه الأجهزة عبارة عن مصائد رواسب متطورة عائمة ومزودة بغرف حضانة. وبدلاً من مجرد جمع الجزيئات المتساقطة، استطاعت هذه المصائد إغلاق بواباتها عند عمق محدد، وحبس الماء والجزيبات المتساقطة بداخلها، ثم حقن مادة تتبع خاصة لقياس سرعة تحويل الميكروبات للنيتروجين إلى غاز، كل ذلك مع البقاء تحت ضغط البرودة والظلام وانعدام الأكسجين في موطنها الطبيعي. أجرى الفريق هذه التجارب عبر ثلاث رحلات منفصلة في عامي 2017 و2018 و2019، ملتقطين البيانات عند أعماق مختلفة داخل طبقة نقص الأكسجين.

كشفت النتائج عن صورة للمحيط كانت أكثر ديناميكية ومفاجأة مما توقعت النماذج القياسية. وجد الباحثون أن تدفق الجزي particles المتساقطة لم يتبع الانخفاض التدريجي والمتوقع لعقود. فبدلاً من أن تصبح المادة العضوية أقل كثافة ببساطة كلما سقطت لأسفل، زادت كمية المادة العضوية بالفعل عند أعماق معينة داخل منطقة نقص الأكسجين. هذا "التدفق المنعكس" يعني أن المادة العضوية الطازجة يتم ضخها في منتصف المنطقة المظلمة من مصادر موجودة هناك في الماء نفسه، وليس فقط من خلال السقوط من السطح. حدد الفريق مصدرين رئيسيين لهذا الإنتاج المحلي: أولاً، عند قمة منطقة نقص الأكسجين، نمت طبقة ثانوية من الطحالب الخضراء، وتحديداً نوع من البكتيريا الزرقاء المتكيفة مع الضوء المنخفض، والتي تضيف مادة طازجة إلى تيار السقوط. ثانياً، في الأسفل، تتحرك حيوانات مهاجرة مثل العوالق الحيوانية والأسماك الصغيرة صعوداً وهبوطاً عبر عمود الماء، مطلقةً فضلات وشظايا تزيد من المادة العضوية عند تلك الأعماق المحددة.

عندما قاس الباحثون معدل إنتاج غاز النيتروجين، وجدوا أن هذه المصادر المحلية للمادة العضوية كانت تقود هذه العملية أكثر مما كان يُعتقد سابقاً. أظهرت التجارب أن الميكرويات التي تعيش على الجزي particles المتساقطة كانت مسؤولة عن جزء هائل من فقدان النيتروجين. في الواقع، كانت معدلات إنتاج النيتروجين المقاسة مباشرة داخل أعماق المحيط أعلى من تلك التي تم قياسها في دراسات سابقة اعتمدت على جلب عينات المياه إلى السطح. يشير هذا إلى أن طرق أخذ العينات التقليدية ربما فاتتها أكثر بؤر الحياة الميكروبية نشاطاً، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن الجزيئات الكبيرة التي تغذي هذه التفاعلات تسقط بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن التقاطها في زجاجات أخذ العينات المائية القياسية. ومن خلال إبقاء الجزي particles والماء معاً في بيئتهما الطبيعية، نجحت المصائد الجديدة في التقاط الكثافة الحقيقية للنشاط البيولوجي.

كما تحدت الدراسة الفكرة القائلة بأن كمية النيتروجين المفقودة مرتبطة ارتباطاً وثيقاً بكمية الحياة النباتية التي تنمو في الجزء العلوي جداً من المحيط. فبينما تهم الإنتاجية السطحية، وجد الباحثون أن تدفق الجزي particles المتساقطة كان غالباً ثابتاً حتى عندما تباين النمو السطحي بشكل كبير. وذلك لأن النظام يتغذى ليس فقط على ما يسقط من الأعلى، بل على ما يتم إنتاجه داخل المنطقة المظلمة نفسها. إذ تعمل البكتيريا الزرقاء والحيوانات المهاجرة كمحركات داخلية، تولد مادة عضوية طازجة تحافظ على تغذية الميكروبات المزيلة للنيتروجين، حتى عندما تكون المياه السطحية هادئة. يغير هذا الاكتشاف فهمنا لكيفية عمل ميزانية النيتروجين في المحيط؛ فهو يشير إلى أنه مع تسبب تغير المناخ في توسع مناطق نقص الأكسجين وانتقالها إلى مناطق جديدة، قد يستمر المحيط في فقدان النيتروجين بمعدلات عالية، مدفوعاً بهذه المصادر الداخلية للغذاء، بدلاً من التباطؤ كما قد تمليه الإنتاجية السطحية بخلاف ذلك.

حسب الباحثون إجمالي كمية النيتروجين المفقودة من هذه المنطقة سنوياً بناءً على قياساتهم. قدروا أن الجزي particles المتساقطة وحدها مسؤولة عن فقدان حوالي 24.0 تيراغرام من النيتروجين سنوياً، وعند تضمين المكونات الذائبة في الماء، يصل إجمالي الفقد إلى 40.7 تيراغرام. وتتوافق هذه الأرقام بشكل وثيق مع التقديرات السابقة التي تم إجراؤها باستخدام طرق مختلفة، مما يمنح العلماء الثقة في النهج الجديد. ومع ذلك، فإن الرسالة الأساسية ليست مجرد الكمية الإجمالية، بل هي الآلية؛ إذ تثبت الدراسة أن المحيط ليس مجرد مستقبل سلبي للحطام السطحي، بل هو نظام نشط وذاتي الاستدامة حيث تخلق الحياة في الظلام وقودها الخاص لدفع دورة النيتروجين العالمية. ومن خلال مراقبة المحيط في حالته الطبيعية، دون اضطراب جلبها إلى السطح، قدم الفريق رؤية أكثر وضوحاً ودقة لواحدة من أهم العمليات الكيميائية في كوكبنا.