Permafrost thaw slumps restructure Arctic stream microbial communities and transform biogeochemical regimes

बर्फ के नीचे की छिपी दुनिया

कल्प imagine करें कि पृथ्वी के आर्कटिक को केवल एक जमी हुई बंजर भूमि के रूप में नहीं, बल्कि एक विशाल, धीमी गति वाली लाइब्रेरी के रूप में देखें जहाँ अतीत बर्फ में कैद है। हजारों वर्षों से, इस "पर्माफ्रॉस्ट" (permafrost) ने प्राचीन मिट्टी, मृत पौधों और फंसी हुई गैसों को समय में जम कर सुरक्षित रखा है। लेकिन जैसे-जैसे ग्रह गर्म हो रहा है, यह लाइब्रेरी पिघलने लगी है। जब बर्फ पानी में बदलती है, तो यह केवल टपक कर खत्म नहीं होती; यह ढह जाती है। जमीन के बड़े-बड़े टुकड़े पहाड़ियों से नीचे फिसलते हैं, जिससे पास की धाराओं में टन भर कीचड़, चट्टानें और प्राचीन जैविक पदार्थ गिर जाते हैं। इस प्रक्रिया को "थर्मोकार्स्ट स्लंप" (thermokarst slump) कहा जाता है।

अब, एक धारा को सूक्ष्म, अदृश्य जीवन रूपों के लिए एक व्यस्त राजमार्ग के रूप में सोचें जिन्हें 'माइक्रोब्स' (microbes) कहा जाता है। ये बैक्टीरिया और आर्किया (archaea) हैं जो पृथ्वी की रीसाइक्लिंग टीम की तरह काम करते हैं। वे खाते हैं, सांस लेते हैं और पदार्थों को तोड़ते हैं, मृत चीजों को पोषक तत्वों या गैसों में बदल देते हैं। आमतौर पर, इन धाराओं में एक स्थिर लय होती है। लेकिन जब एक 'थॉ स्लंप' (thaw slump) टकराता है, तो यह एक बड़े निर्माण ट्रक की तरह होता है जो हाईवे पर ही बजरी और पुराने कचरे का ढेर लगा देता है। पानी धुंधला हो जाता है, रसायन विज्ञान बदल जाता है, और जीवन का वह ट्रैफिक जाम पूरी तरह से अलग दिखने लगता है। वैज्ञानिक इस बात पर ध्यान देते हैं क्योंकि ये नन्हे सूक्ष्मजीव ही तय करते हैं कि उस सब पिघले हुए पदार्थ का क्या होगा। क्या वे इसे हानिरहित पानी में बदल देंगे? या वे इसे ग्रीनहाउस गैसों में बदल देंगे जो ग्रह को और भी गर्म बना देती हैं? पानी में कौन रह रहा है और वे क्या कर रहे हैं, इसे समझना यह अनुमान लगाने की कुंजी है कि आर्कटिक कैसे बदलेगा।

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जब बर्फ टूटती है: एक माइक्रोबियल मेकओवर

पश्चिमी कनाडाई आर्कटिक में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने तीन साल तक इस बात पर नज़र रखी कि जब ये "थॉ स्लंप्स" धाराओं से टकराते हैं तो क्या होता है। उन्होंने केवल पानी को नहीं देखा; उन्होंने इसके भीतर रहने वाली अदृश्य दुनिया को देखा। उनकी बड़ी खोज क्या थी? जब एक स्लंप किसी धारा से टकराता है, तो यह केवल थोड़ा सा कीचड़ नहीं जोड़ता; यह वहां रहने वाले माइक्रोबियल समुदाय के नियमों को पूरी तरह से फिर से लिख देता है।

स्लंप के ऊपर स्थित धारा को हजारों अलग-अलग दुकानों, रेस्तरां और मोहल्लों वाले एक विविध, हलचल भरे शहर के रूपas सोचें। यह उच्च "समृद्धि" (richness) और "विविधता" (diversity) वाली जगह है, जिसका अर्थ है कि वहां कई अलग-अलग प्रकार के सूक्ष्मजीव रहते हैं, जिनमें से प्रत्येक अपना काम कर रहा है। लेकिन जैसे ही पानी थॉ स्लंप के पास से बहता है, उस शहर पर तलछट (sediment) की एक लहर आती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि स्लंप के ठीक नीचे, माइक्रोबियल शहर सिकुड़ जाता है। सूक्ष्मजीवों के विभिन्न प्रकारों की संख्या कम हो जाती है, और समुदाय कम विविध हो जाता है। यह ऐसा है जैसे स्थानीय विशिष्ट दुकानें बह गई हों, जिससे पीछे केवल जीवित बचे लोगों का एक बहुत छोटा, अधिक समान समूह रह गया हो।

हालाँकि, यह केवल नुकसान की कहानी नहीं है। यह एक बड़े अधिग्रहण की कहानी भी है। जैसे-जैसे स्लंप अधिक सक्रिय होता है और अधिक तलछट डालता है, धारा के सूक्ष्मजीव धीरे-धीरे उन सूक्ष्मजीवों जैसे दिखने लगते हैं जो स्वयं स्लंप के अंदर रह रहे थे। धारा अनिवार्य रूप से स्लंप के अपने निवासियों से "इनोक्युलेट" (inoculated) हो रही है। शोधकर्ताओं ने पाया कि स्लंप के नीचे का पानी एक मोज़ेक (mosaic) बन जाता है, जो विभिन्न स्थितियों का एक पैचवर्क क्विल्ट है। कुछ स्थान ऑक्सीजन से भरे हैं, जबकि अन्य, कीचड़ और तलछट के ढेलों के भीतर छिपे हुए, पूरी तरह से ऑक्सीजन रहित हैं। यह एक अजीब, मिश्रित पड़ोस बनाता है जहाँ हवा की आवश्यकता वाले सूक्ष्मजीव और हवा से नफरत करने वाले सूक्ष्मजीव एक साथ रह सकते हैं।

माइक्रोबियल बदलाव: माली से लेकर पुनर्चक्रणकर्ताओं तक

तो, ये नए निवासी कौन हैं और वे क्या कर रहे हैं? वैज्ञानिकों ने सूक्ष्मजीवों के "निर्देश मैनुअल" को पढ़ने और उनके काम को समझने के लिए एक विशेष जेनेटिक टूलकिट का उपयोग किया। उन्होंने कार्यबल में एक नाटकीय बदलाव पाया।

ऊपर की ओर (upstream), सूक्ष्मजीव बागवानों और सफाईकर्मियों की तरह थे, जो साफ, ऑक्सीजन युक्त पानी में फलते-फूलते थे। लेकिन नीचे की ओर (downstream), कार्यबल बदलकर उस अस्त-व्यस्त नए वातावरण के अनुरूप हो गया। नई भीड़ "पुनर्चक्रणकर्ताओं" (recyclers) और "किण्वनकर्ताओं" (fermenters) से भरी है। ये वे सूक्ष्मजीव हैं जो कम ऑक्सीजन वाली स्थितियों में कठिन, जटिल पदार्थों को तोड़ सकते हैं। स्लंप जैविक पदार्थों का एक बड़ा भार डालता है—मृत पौधे और मिट्टी जो युगों से जमे हुए थे। नए सूक्ष्मजीव इसे चबाने के लिए तैयार हैं।

अध्ययन ने दिखाया कि डाउनस्ट्रीम धाराओं में उन सूक्ष्मजीवों में बड़ी वृद्धि देखी गई जो सक्षम हैं:

• किण्वन (Fermentation): बिना ऑक्सीजन के भोजन को तोड़ना, जैसे खमीर (sourdough starter)।
• मेथानोजेनेसिस (Methanogenesis): मीथेन गैस बनाना (एक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस)।
• सल्फेट रिडक्शन (Sulfate reduction): एक प्रक्रिया जो कीचड़ वाले, ऑक्सीजन-रहित स्थानों में होती है।
• एरोबिक कीमोट्रॉफ़ी (Aerobic chemoheterotrophy): जब ऑक्सीजन मौजूद हो तब जैविक पदार्थ खाना।

यह दिलचस्प हिस्सा है: धारा केवल "एनारोबिक" (ऑक्सीजन-मुक्त) नहीं हो रही है। यह एक ऐसी जगह बन रही है जहाँ एरोबिक (ऑक्सीजन-प्रेमी) और एनारोबिक (ऑक्सीजन-विरोधी) दोनों प्रक्रियाएं साथ-साथ हो रही हैं। स्लंप से निकला तलछट अलग-अलग स्थितियों के सूक्ष्म, सूक्ष्म द्वीपों का निर्माण करता है। यह एक ऐसे शहर की तरह है जहाँ कुछ ब्लॉक धूप वाले पार्क हैं और अन्य गहरे, अंधेरे गुफाएं हैं, जो एक ही धारा के भीतर हैं। यह एक साथ कई तरह के मेटाबॉलिक "कामों" को होने की अनुमति देता है।

रासायनिक लहर प्रभाव

पेपर ने पानी की केमिस्ट्री को भी ट्रैक किया, और आंकड़े एक अद्भुत कहानी बताते हैं। जब स्लंप का पानी धारा से टकराता है, तो निलंबित ठोस पदार्थों (कीचड़ और मिट्टी) की मात्रा औसतन 51 गुना बढ़ जाती है, और कुछ मामलों में 177 गुना तक! पार्टिकुलेट ऑर्गेनिक कार्बन (पानी में तैरते मृत चीजों के छोटे टुकड़े) की मात्रा औसतन 490 गुना बढ़ गई, जिसमें कुछ स्थानों पर 2,598 गुना तक की वृद्धि देखी गई।

लेकिन यहाँ एक मोड़ है: भले ही इसमें कार्बन अधिक है, लेकिन गुणवत्ता के मामले में यह अक्सर "ऑर्गेनिक-पुअर" (organic-poor) होता है। यह एक नदी में ताजे फलों के बजाय सूखे पत्तों का ढेर डालने जैसा है। सूक्ष्मजीवों को ऊर्जा प्राप्त करने के लिए अधिक मेहनत करनी पड़ती है। पानी में अमोनियम (नाइट्रोजन का एक रूप) का भी भारी उछाल आया, जो औसतन 132 गुना बढ़ गया। यह रासायनिक सूप सूक्ष्मजीवों को अनुकूलन करने के लिए मजबूर करता है। उदाहरण के लिए, अध्ययन में पाया गया कि जो सूक्ष्मजीव आमतौर पर यूरिया को तोड़ते हैं (यूरियोलिसिस), वे डाउनस्ट्रीम में गायब हो गए, जबकि जो नए, उच्च-अमोनियम वातावरण को संभाल सकते हैं (एरोबिक अमोनिया ऑक्सीकरण), वे पनपने लगे।

भविष्य के लिए इसका क्या अर्थ है

शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि ये परिवर्तन केवल एक अस्थायी गड़बड़ी नहीं हैं; वे इस बात का प्रतिनिधित्व करते हैं कि आर्कटिक पारिस्थितिकी तंत्र कैसे काम करता है, इसका एक मौलिक पुनर्गठन है। स्लंप केवल गंदगी नहीं जोड़ता; यह एक नए प्रकार का आवास बनाता है। रेडॉक्स स्थितियों (ऑक्सीजन-समृद्ध और ऑक्सीजन-रहित स्थानों का मिश्रण) का "मोज़ेक" उन जटिल रासायनिक प्रतिक्रियाओं की अनुमति देता जो एक सामान्य धारा में नहीं होतीं।

यह महत्वपूर्ण है क्योंकि ये सूक्ष्मजीव पृथ्वी के कार्बन और नाइट्रोजन चक्रों के इंजन हैं। यदि वे किण्वन (fermenting) और मीथेन बनाने में व्यस्त हैं, तो वह मीथेन वायुमंडल में निकल सकती है, जिससे ग्रह और भी गर्म हो सकता है। यदि वे अजीब तरीकों से नाइट्रोजन को तोड़ने में व्यस्त हैं, तो यह खाद्य जाल (food web) के माध्यम से पोषक तत्वों के प्रवाह को बदल सकता है। अध्ययन बताता है कि जबकि सूक्ष्मजीवों की विविधता कम हो जाती है, विभिन्न प्रकार की रासायनिक प्रतिक्रियाओं की क्षमता बढ़ जाती है। धारा परिवर्तन का एक कारखाना बन जाती है, जो तलछट द्वारा संचालित होती है।

पेपर यह दावा नहीं करता है कि उसने यह रहस्य सुलझा लिया है कि वास्तव में कितनी गैस छोड़ी जाएगी, लेकिन यह उस सूक्ष्मजीव मशीनरी का एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान करता है जो उन परिवर्तनों को संचालित करेगी। यह दिखाता है कि जैसे-जैसे आर्कटिक पिघलता है, हमारी धाराओं में सूक्ष्म, अदृश्य दुनिया में एक बड़ा मेकओवर हो रहा है, जो एक विविध, स्थिर समुदाय से एक गतिशील, तलछट-संचालित परिवर्तन के इंजन में बदल रही है। और चूंकि ये परिवर्तन सीधे हेडवाटर्स (नदियों के स्रोत) में होते हैं, इसलिए इनके प्रभाव समुद्र तक पहुँचने की संभावना है, जो पूरे क्षेत्र के जैव-भू-रासायनिक चक्रों को नया आकार दे रहे हैं।