يمكن للبكتيريا المخفية تحت جليد القطب الشمالي أن تعزز الحياة في المحيطات

إن المحيط المتجمد الشمالي، الذي كان ذات يوم محبوسًا في قبو من الجليد السميك القديم، يتحول الآن بسرعة الضوء. وترتفع درجات الحرارة هناك بما يصل إلى أربعة أضعاف معدل الكوكب بشكل عام، مما يؤدي إلى ذوبان الجليد البحري الذي كان يحمي سطح المحيط في السابق. ومع إزالة الجليد، يمكن لأشعة الشمس أن تخترق عمق المياه، وتعيد تشكيل الشبكة الغذائية البحرية بأكملها من البكتيريا إلى الحيوانات البحرية الكبيرة.

إحدى مفاجآت هذا العالم الذائب هي أن النيتروجين، وهو أحد أهم العناصر الغذائية في الحياة، يمكن استعادته بطرق لم يظن أحد أنها ممكنة من قبل. لعقود من الزمن، اعتقد الباحثون أن المياه الباردة المتجمدة في القطب الشمالي تحتوي على ما يقرب من الصفر من تثبيت النيتروجين، وهي العملية التي يمكن من خلالها لميكروبات معينة تحويل غاز النيتروجين إلى أشكال يمكن للحيوانات الأخرى استخدامها. لكن دراسة دولية أجراها باحثون في جامعة كوبنهاغن قلبت هذه الفكرة رأساً على عقب.

مصدر جديد للحياة في المحيط المتجمد الشمالي

تثبيت النيتروجين هو الكيمياء الميكروبية. تقوم بعض الكائنات الحية الدقيقة التي يشار إليها باسم الديازوتروف بجمع النيتروجين الجزيئي (N₂) من الهواء – وعادةً ما يكون بعيدًا عن متناول معظم أشكال الحياة – وتحوله إلى الأمونيوم، وهو عنصر غذائي يعزز نمو الطحالب وبقية الشبكة الغذائية البحرية.

وفي المحيطات الدافئة، تقوم البكتيريا الزرقاء بهذا العمل. لكن في وسط القطب الشمالي، حيث الأمور أكثر قسوة، وجد الباحثون أن مجموعة مختلفة تمامًا من اللاعبين تنجز المهمة: الديازوتروف غير البكتيريا الزرقاء، أو الأمراض غير المعدية.

حتى الآن، كنا نعتقد أنه لم يكن من الممكن تثبيت النيتروجين في الجليد البحري لأننا اعتقدنا أن الظروف كانت قاسية للغاية بالنسبة للكائنات الحية المسؤولة عن تثبيت النيتروجين. وقالت قائدة الدراسة ليزا دبليو فون فريسن، وهي طالبة دكتوراه سابقة في قسم علم الأحياء بجامعة كوبنهاغن: “لقد ارتكبنا خطأً”.

يُظهر الاكتشاف أن تثبيت النيتروجين لا يحدث فقط عند حافة الجليد، حيث يكون الذوبان أكثر كثافة، ولكن أيضًا تحت الجليد السميك متعدد السنوات في وسط المحيط المتجمد الشمالي أيضًا. وهذا يعني أن النيتروجين، الذي يُعتقد حتى الآن أنه غير متوفر في القطب الشمالي، يتم تدويره بهدوء وتجديده مرة أخرى في النظام حتى تحت الجليد.

قياس غير مرئية

قام الباحثون بدراسة مستويات تثبيت النيتروجين في العديد من مناطق القطب الشمالي: المحيط المتجمد الشمالي المركزي (CAO)، حيث يبقى الجليد السميك؛ ومنطقة الجليد الهامشية (MIZ)، حيث يستمر الذوبان؛ والشواطئ تحت الجليد الأرضي.

وقاموا بقياس الكمية اليومية من النيتروجين الذي يتم تثبيته، بالإضافة إلى مجموعة من المتغيرات الأخرى – درجة الحرارة والملوحة وتركيزات العناصر الغذائية مثل الفوسفات والنترات – في محاولة لفهم ما الذي يحفز هذه العملية.

في منطقة CAO، تراوحت معدلات التثبيت من حوالي 0.4 إلى 2.5 نانومول لكل لتر يوميًا، بينما في منطقة MIZ، وصلت معدلات التثبيت إلى 5.3 نانومول لكل لتر يوميًا. وحتى داخل الجليد المستقر والمتصل باليابسة بالقرب من جرينلاند، كانت هناك مستويات ضئيلة ولكن يمكن اكتشافها، مما يشير إلى أن العملية منتشرة على نطاق واسع في جميع أنظمة الجليد البحري.

أدى الكربون العضوي المذاب (DOC) الذي تمت إضافته إلى عينات معينة إلى رفع معدلات تثبيت النيتروجين، مما يشير إلى أن هذه الكائنات الحية الدقيقة في القطب الشمالي تزدهر في ظل ظروف تحتوي على كميات أكبر من المواد العضوية، التي تطلقها الطحالب عادةً. وقال فون فريسن: “يبدو أن هذه الديازوتروف غير البكتيريا الزرقاء تتغذى على المواد العضوية التي تطلقها الطحالب، وتعوض ذلك عن طريق توفير النيتروجين الثابت الذي يمكّن تلك الطحالب من النمو”.

المهندسون المعماريون المجهريون لشبكة الغذاء في القطب الشمالي

إنهم عالم بعيد، تحت المجهر، عن أقاربهم الاستوائيين. وبدلاً من البكتيريا الزرقاء، فإنها تنتمي في الغالب إلى مجموعات يصنفها العلماء على أنها Gamma-Arctic1 وGamma-Arctic2، وهي كائنات دقيقة تهيمن على الظروف الجليدية المتعددة السنوات وتظهر قوية بشكل خاص حيث يذوب الجليد أو يتحلل.

وكشف التحليل الكمي أن هذه الميكروبات كانت أكثر وفرة ونشاطا بكثير مما كان متوقعا. ووجد العلماء أكثر من 870 شكلاً من الجينات المرتبطة بتثبيت النيتروجين، وكان معظمها من هذه المناطق القطبية الشمالية المحددة. يشير هذا بقوة إلى أن دورة النيتروجين في القطب الشمالي تهيمن عليها إلى حد كبير الميكروبات غير الزرقاء.

يمكن أن يحمل وجودهم المفتاح لشرح كيفية استمرار الحياة في الازدهار في البحار الفقيرة بالمغذيات. تعتمد الطحالب، التي تشكل أساس شبكات الغذاء البحرية في القطب الشمالي، إلى حد كبير على النيتروجين. عندما يكون هناك نقص في النيتروجين، ينخفض ​​نمو الطحالب، مما يؤثر على كل شيء من العوالق إلى الأسماك إلى الثدييات البحرية. ولكن إذا حدث تثبيت النيتروجين في كثير من الأحيان أكثر مما كان متوقعا في البداية، فإنه من شأنه أن يساعد على تغذية هذه النظم البيئية أثناء ذوبان الجليد.

الحافة الجليدية: حدود خصبة

وكانت أعلى معدلات تثبيت النيتروجين عند الحافة الجليدية، حيث تجتمع المياه الذائبة والضوء والمواد المغذية معًا للسماح بظروف نمو جيدة جدًا. ومع انحسار الجليد البحري واتساع منطقة الذوبان، يتوقع العلماء أن يصبح هذا الموقع مرتعا للميكروبات.

وبما أن الطحالب هي الغذاء الأساسي للحيوانات الصغيرة مثل القشريات العوالق، التي تأكلها الأسماك الصغيرة، فإن الطحالب الإضافية يمكن أن يكون لها تأثير غير مباشر على السلسلة الغذائية بأكملها.

وقال زميلها، البروفيسور لاسي ريمان، إن هذه العمليات دون المجهرية قد تؤثر حتى على معدل امتصاص المحيط المتجمد الشمالي لثاني أكسيد الكربون. وأوضح: “إذا زادت إنتاجية الطحالب، فإن المحيط المتجمد الشمالي سوف يمتص المزيد من ثاني أكسيد الكربون لأنه سيتم احتجاز المزيد في الكتلة الحيوية للطحالب”. “بالنسبة للمناخ والبيئة، ربما تكون هذه أخبارًا جيدة – لكن الأنظمة البيولوجية معقدة للغاية، لذا من الصعب تقديم تنبؤات محددة.

فصل جديد في علوم القطب الشمالي

أهمية هذا الاكتشاف كبيرة. يعد النيتروجين أحد أهم محركات إنتاجية النظام البيئي البحري. إن اكتشاف أن الكائنات الحية الدقيقة في القطب الشمالي تثبت النيتروجين في وجود الجليد البحري يدمر الافتراض القديم بأن إضافة النيتروجين في المنطقة ضئيلة.

ومع ذوبان القطب الشمالي وتراجع الجليد، فإن منطقة المياه المفتوحة التي قد يكون النيتروجين فيها ثابتًا سوف تتوسع بشكل انفجاري. النيتروجين الزائد يعني المزيد من الطحالب والمزيد من الطعام للأسماك والحيوانات البحرية الأخرى. ولكنه قد يعني أيضًا المزيد من دورات الكربون، وربما تقلبات حادة في كيمياء المحيطات.

ويحذر العلماء من أن التأثير الكامل غير معروف. لا يمثل تثبيت النيتروجين سوى جزء بسيط — أحيانًا أقل من 1 بالمائة — من إجمالي مدخلات النيتروجين في المناطق الأكثر ثراءً. لكن في منطقة القطب الشمالي الوسطى الفقيرة بالمغذيات، يمكن أن يمثل ما يصل إلى 8% من النيتروجين اللازم لنمو العوالق. وهذه نسبة مهمة بالنسبة لنظام بيئي بعيد جدًا.

الآثار العملية للبحث

إن اكتشاف تثبيت النيتروجين النشط تحت الجليد البحري في القطب الشمالي يغير وجهات نظر العلماء حول تدوير المغذيات داخل أحد النظم البيئية الأسرع تغيرًا في العالم. ويشير ذلك إلى أن الحياة في القطب الشمالي ربما تكون أكثر مرونة مما كان متوقعا، حيث تتكيف العمليات التي تتم بوساطة ميكروبية مع الظروف مع تراجع الجليد.

ومن الناحية العملية، قد يؤدي هذا إلى إعادة تحديد تقديرات النماذج المناخية لإنتاجية المحيطات وعزل الكربون في المحيطات القطبية. وإذا زاد تثبيت النيتروجين مع اختفاء الغطاء الجليدي، فمن الممكن أن يمتص المحيط المتجمد الشمالي المزيد من ثاني أكسيد الكربون، مما يقاوم بعض تأثيرات الانحباس الحراري على المستوى الإقليمي على الأقل.

تسلط النتائج الضوء أيضًا على أهمية دمج النشاط الميكروبي في التنبؤات المناخية المستقبلية. ومع تضمين تثبيت النيتروجين، ستكون النماذج قادرة على حساب كمية الكربون التي يمتصها القطب الشمالي بشكل أفضل، وكيف يمكن أن تؤثر التغيرات في توافر المغذيات عبر شبكة الغذاء العالمية.

نتائج الأبحاث متاحة على الإنترنت في مجلة Communications Earth & Environment.

قصص ذات صلة

مثل هذا النوع من القصص التي تشعرك بالسعادة؟ احصل على النشرة الإخبارية للجانب المشرق من الأخبار.