Sinking particle fluxes and nitrogen loss in the eastern tropical North Pacific oxygen deficient zone measured using incubating sediment traps
यह अध्ययन पूर्वी उष्णकटिबंधीय उत्तरी प्रशांत ऑक्सीजन की कमी वाले क्षेत्र में इन सीटू (in situ) सेडिमेंट ट्रैप प्रयोगों का उपयोग करके स्थानीय सायनोबैक्टीरिया और प्रवासी जूप्लैंकटन द्वारा संचालित एक उलटे कण प्रवाह (inverted particle flux) को प्रकट करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि डूबते हुए कण नाइट्रोजन की हानि का प्रमुख स्रोत हैं और इन सीटू N2 उत्पादन दरों के पहले प्रत्यक्ष मापन प्रदान करता है जो पिछले नाइट्रोजन घाटे के अनुमानों के अनुरूप हैं।
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महासागर की विशाल, सूर्य के प्रकाश से सराबोर ऊपरी परतों में, फाइटोप्लांकटन नामक सूक्ष्म पौधे बढ़ते और बढ़ते हैं, जो समुद्री खाद्य जाल (फूड वेब) के आधार का निर्माण करते हैं। जब ये जीव मर जाते हैं, या जब जानवर इन्हें खाते हैं और अपशिष्ट उत्पन्न करते हैं, तो यह कार्बनिक पदार्थ बर्फ के फाहे (स्नोफ्लेक) की तरह अंधेरे गहरे स्तरों की ओर डूबने लगता है। जैसे-जैसे यह नीचे गिरता है, बैक्टीरिया और अन्य सूक्ष्मजीव इसे तोड़ते हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जो ऑक्सीजन की खपत करती है। महासागर के अधिकांश हिस्सों में, इस ऑक्सीजन की पूर्ति धाराओं और मिश्रण द्वारा शीघ्रता से कर दी जाती है। हालाँकि, भूमध्य रेखा के पास के विशिष्ट क्षेत्रों में, पानी इतना स्थिर होता है और ऑक्सीजन की खपत इतनी तीव्र होती है कि पानी की एक मोटी परत बन जाती है जहाँ ऑक्सीजन लगभग अनुपस्थित होती है। वैज्ञानिक इन ऑक्सीजन-रहित क्षेत्रों को 'ऑक्सीजन-डेफिशिएंट ज़ोन' कहते हैं। इन अंधेरे, निर्वात वातावरणों में, एक अलग प्रकार का सूक्ष्मजीवी जीवन नियंत्रण ले लेता है। ऑक्सीजन के बजाय, ये सूक्ष्मजीव जीवित रहने के लिए नाइट्रोजन यौगिकों का उपयोग करते हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जो अंततः वायुमंडल में नाइट्रोजन गैस को वापस छोड़ देती है। नाइट्रोजन का यह निष्कासन महासागर के रसायन विज्ञान का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है, जो वैश्विक स्तर पर समुद्र कितनी वनस्पति जीवन का समर्थन कर सकता है, उस पर एक ब्रेक (नियंत्रण) के रूप में कार्य करता है।
दशकों से, वैज्ञानिक यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि इन क्षेत्रों में वास्तव में कितना नाइट्रोजन नष्ट होता है और इस प्रक्रिया के लिए ईंधन कहाँ से आता है। प्रचलित दृष्टिकोण यह रहा है कि नाइट्रोजन की हानि लगभग पूरी तरह से सूर्य के प्रकाश वाले सतह से नीचे गिरते कार्बनिक पदार्थों द्वारा संचालित होती है, जैसे ऊपर से गिरते मृत पौधों और जानवरों की एक निरंतर वर्षा। इसे मापने के लिए, शोधकर्ता पारंपरिक रूप से लंबे समय तक टिकने वाले 'मूरड ट्रैप्स' (लंगर डाले गए जाल) का उपयोग करते हैं जो समुद्र के तल पर स्थित होते हैं या निश्चित गहराई पर तैरते रहते हैं, और हफ्तों या महीनों तक इस गिरते हुए मलबे को एकत्र करते हैं। हालाँकि, ये लंबे समय तक चलने वाले प्रयोग उन अल्पकालिक गतिविधियों के उछाल को सुस्त बना देते हैं जो इस प्रणाली के लिए महत्वपूर्ण हो सकते हैं। इसके अलावा, इन गहरे, ऑक्सीजन-रहित क्षेत्रों से पानी के नमूने परीक्षण के लिए सतह पर लाना बेहद कठिन है; जैसे ही पानी हवा के संपर्क में आता है, यह ऑक्सीजन से दूषित हो सकता है, जिससे इसके भीतर मौजूद सूक्ष्मजीवों के अध्ययन के लिए आवश्यक नाजुक रासायनिक संतुलन बिगड़ जाता है।
मेगन डफी के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने गहरे समुद्र को प्रयोगशाला तक लाने के बजाय, प्रयोगशाला को ही गहरे समुद्र में ले जाकर इन समस्याओं को हल करने का निर्णय लिया। उन्होंने पूर्वी उष्णकटिबंधीय उत्तरी प्रशांत महासागर में, जो दुनिया के सबसे बड़े ऑक्सीजन-रहित क्षेत्रों में से एक है, एक नए प्रकार के उपकरण को तैनात किया। ये उपकरण परिष्कृत, मुक्त-तैरते हुए 'सेडिमेंट ट्रैप्स' थे जो इन्क्यूबेशन चैंबर्स (ऊष्मायन कक्षों) से लैस थे। केवल गिरते कणों को एकत्र करने के बजाय, ये जाल एक विशिष्ट गहराई पर अपने द्वार बंद कर सकते थे, पानी और गिरते कणों को अंदर कैद कर सकते थे, और फिर यह मापने के लिए एक विशेष 'ट्रेसर' इंजेक्ट कर सकते थे कि सूक्ष्मजीव कितनी तेजी से नाइट्रोजन को गैस में बदल रहे हैं, और यह सब उनके प्राकृतिक घर के ठंडे, अंधेरे और ऑक्सीजन-मुक्त दबाव में किया जा सकता था। टीम ने 2017, 2018 और 2019 में तीन अलग-अलग क्रूज के दौरान ये प्रयोग चलाए, जिससे ऑक्सीजन-रहित परत के भीतर विभिन्न गहराइयों पर डेटा प्राप्त हुआ।
परिणामों ने महासागर की एक ऐसी तस्वीर पेश की जो मानक मॉडलों की तुलना में कहीं अधिक गतिशील और आश्चर्यजनक थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि गिरते कणों का प्रवाह उस सुचारू, अनुमानित गिरावट का पालन नहीं करता जिसकी दशकों से उम्मीद की जा रही थी। गहराई में गिरने के साथ कार्बनिक पदार्थ कम होने के बजाय, ऑक्सीजन-रहित क्षेत्र के भीतर कुछ गहराइयों पर कार्बनिक पदार्थ वास्तव में बढ़ गया। इस "इनवर्टेड फ्लक्स" (उल्टा प्रवाह) का अर्थ था कि ताज़ा कार्बनिक सामग्री सीधे सतह से गिरने के बजाय, वहीं पानी के भीतर के स्रोतों से इस अंधेरे क्षेत्र के बीच में डाली जा रही थी। टीम ने स्थानीय उत्पादन के दो मुख्य स्रोतों की पहचान की। पहला, ऑक्सीजन-रहित क्षेत्र के शीर्ष पर, हरे शैवाल की एक माध्यमिक परत, विशेष रूप से कम रोशनी के अनुकूल एक प्रकार का सायनोबैक्टीरिया (नील हरित शैवाल), बढ़ रहा था और गिरती हुई धारा में ताज़ा सामग्री जोड़ रहा था। दूसरा, गहराई में, ज़ूप्लैंकटन और छोटी मछलियों जैसे प्रवासी जीव पानी के स्तंभ में ऊपर-नीधर आ-जा रहे थे, जो अपशिष्ट और अवशेष छोड़ रहे थे जिससे उन विशिष्ट गहराइयों पर कार्बनिक पदार्थ बढ़ रहा था।
जब शोधकर्ताओं ने नाइट्रोजन गैस के उत्पादन की दर को मापा, तो उन्होंने पाया कि कार्बनिक पदार्थ के ये स्थानीय स्रोत इस प्रक्रिया को पहले की तुलना में कहीं अधिक संचालित कर रहे थे। प्रयोगों ने दिखाया कि गिरते कणों पर रहने वाले सूक्ष्मजीव नाइट्रोजन की हानि के एक बड़े हिस्से के लिए जिम्मेदार थे। वास्तव में, गहरे समुद्र के भीतर सीधे मापी गई नाइट्रोजन उत्पादन की दरएं, पिछले अध्ययनों की तुलना में बहुत अधिक थीं जो सतह पर पानी के नमूनों को लाने पर निर्भर थे। यह बताता है कि पारंपरिक नमूना लेने की विधियों ने सूक्ष्मजीवी जीवन के सबसे सक्रिय हॉटस्पॉट्स को शायद मिस कर दिया होगा, क्योंकि वे बड़े कण जो इन प्रतिक्रियाओं को ईंधन देते हैं, मानक पानी के नमूनों वाली बोतलों में पकड़े जाने के लिए बहुत तेजी से डूब जाते हैं। कणों और पानी को उनके प्राकृतिक वातावरण में एक साथ रखकर, नए ट्रैप्स ने जैविक गतिविधि की वास्तविक तीव्रता को पकड़ा।
इस अध्ययन ने इस विचार को भी चुनौती दी कि नाइट्रोजन की हानि पूरी तरह से समुद्र की सतह पर होने वाली वनस्पति वृद्धि से जुड़ी है। हालांकि सतह की उत्पादकता मायने रखती है, लेकिन शोधकर्ताओं ने पाया कि कणों का गिरता हुआ प्रवाह अक्सर अत्यधिक उतार-चढ़ाव के बावजूद स्थिर रहता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि यह प्रणाली न केवल ऊपर से गिरने वाली चीजों से, बल्कि स्वयं अंधेरे क्षेत्र के भीतर निर्मित होने वाली चीजों से भी संचालित होती है। सायनोबैक्टीरिया और प्रवासी जीव आंतरिक इंजन के रूप में कार्य करते हैं, जो ताज़ा कार्बनिक पदार्थ उत्पन्न करते हैं जो नाइट्रोजन हटाने वाले सूक्ष्मजीवों को खिलाते रहते हैं, भले ही सतह के जल शांत हो। यह खोज महासागर के नाइट्रोजन बजट के बारे में हमारी समझ को बदल देती है। यह सुझाव देता है कि जैसे-जैसे जलवायु परिवर्तन इन ऑक्सीजन-रहित क्षेत्रों को विस्तारित और नए क्षेत्रों में फैला रहा है, महासागर उच्च दरों पर नाइट्रोजन खोना जारी रख सकता है, जो सतह की उत्पादकता के धीमा होने के बजाय, इन आंतरिक खाद्य स्रोतों द्वारा संचालित होता है।
शोधकर्ताओं ने अपने मापों के आधार पर एक वर्ष में इस क्षेत्र से नष्ट होने वाले कुल नाइट्रोजन की गणना की। उन्होंने अनुमान लगाया कि गिरते कण अकेले प्रति वर्ष लगभग 24.0 टेराग्राम नाइट्रोजन की हानि के लिए जिम्मेदार हैं, और पानी के घुले हुए घटकों को शामिल करने पर, कुल हानि 40.7 टेराग्राम तक पहुँच जाती है। ये संख्याएँ विभिन्न विधियों का उपयोग करके किए गए पिछले अनुमानों के काफी करीब हैं, जो वैज्ञानिकों को नए दृष्टिकोण के प्रति विश्वास दिलाती हैं। हालाँकि, मुख्य बात केवल कुल मात्रा नहीं है, बल्कि तंत्र (मैकेनिज्म) है। अध्ययन यह सिद्ध करता है कि महासागर सतह के मलबे का केवल एक निष्क्रिय प्राप्तकर्ता नहीं है; यह एक सक्रिय, आत्मनिर्भर प्रणाली है जहाँ अंधेरे में जीवन वैश्विक नाइट्रोजन चक्र को चलाने के लिए अपना स्वयं का ईंधन बनाता है। समुद्र को उसके प्राकृतिक अवस्था में देखकर, उसे सतह पर लाने की बाधा के बिना, टीम ने ग्रह की सबसे महत्वपूर्ण रासायनिक प्रक्रियाओं में से एक का स्पष्ट और अधिक सटीक दृश्य प्रदान किया है।
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