גושי מתכת טבעיים פולטים חמצן במעמקי האוקיינוס החשוכים, שבהיעדר פוטוסינתזה, סברו עד כה שכלל אין בהם ייצור חמצן
מחקר שהתפרסם לאחרונה גילה כי גושי מתכת על קרקעית הים פולטים חמצן לסביבתם. עד כה סברו מדענים כי כל החמצן שבעומק הים מקורו באוויר ובמים הרדודים, והוא נוצר על ידי צמחים ואצות המבצעים פוטוסינתזה. כעת התגלה כי חמצן מיוצר גם במעמקי האוקיינוס עצמם, ולא רק מגיע אליהם מפני המים או מהשכבות הקרובות אליהם. אף שכמות החמצן המתקבלת בדרך זו היא קטנה יחסית, זוהי אספקה קבועה העשויה לסייע למערכות האקולוגיות באזורים אלו.
בעקבות מקור החמצן
המחקר המפתיע נערך הן במעבדה והן בשטח, באמצעות תאים מרובעים המכילים ציוד מדידה. החוקרים הורידו תאים אלה לקרקעית האוקיינוס השקט, אפשרו למי הים לזרום לתוכם וכך יצרו בשטח הפרדה בין החומר הנמדד לבין הסביבה, כלומר תנאים הדומים לתנאי מעבדה מבוקרים. בעזרת הציוד שבתאים מדדו החוקרים גורמים שונים במים העמוקים, כגון רמות חמצן, טמפרטורות ונוכחות מיקרואורגניזמים. ממצאי המחקר התפרסמו לאחרונה בכתב העת Nature Geosciences. צוות החוקרים הראה כי גושי מתכת המצויים באופן טבעי בקרקעית הים, והמכילים מינרלים יקרי ערך, פולטים חמצן לסביבתם. הגושים הרב- מתכתיים הללו, הנקראים נודולות רב-מתכתיות או נודולות מנגן, זוהו לראשונה באזור באוקיינוס השקט שבין הוואי למקסיקו.
בראש צוות המחקר עמד פרופ' אנדרו סוויטמן (Sweetman), שהתמחה בחקר מערכות אקולוגיות בעומק האוקיינוס השקט. סוויטמן ושותפיו חקרו אזורים נרחבים בקרקעית הים המכוסים באותם גושי מתכת עשירים במינרלים. החיישנים המודדים את כמות החמצן הצביעו שוב ושוב על תופעה בלתי צפויה: החמצן במעמקי הים לא רק נצרך על ידי אורגניזמים, כצפוי, אלא גם מופק ונפלט במעמקים. החוקרים חשבו בתחילה שהקריאות שגויות, כיילו את החיישנים מחדש ושינו את סף הרגישות של המדידה, אך אותן "חריגות" ברמת החמצן המשיכו להופיע.
חברי הצוות עדיין היו ספקנים, וערכו סדרת ניסויים כדי לשלול את האפשרות שהחמצן שנמדד מגיע מבועות הלכודות במכשור שלהם או ממרכיבי ציוד המחקר, אך האפשרויות האלו נשללו לאחר בדיקות יסודיות. ניסויי מעבדה שנעשו בתנאים המחקים את הסביבה שבמעמקי האוקיינוס אישרו כי רמות החמצן המומסות במים עולות בנוכחות הגושים.
"זה היה השלב שבו אמרנו 'אלוהים, יש לנו עוד מקור חמצן'", אמר סוויטמן ל-ScienceNews. סוויטמן הוסיף כי ייצור החמצן מתקיים ככל הנראה על פני השטח של הגושים, כפי שמעידה ההתאמה בין קצב ייצור החמצן ובין שטח הפנים הממוצע של הגושים.
ניסויים בתנאים המחקים את הסביבה שבמעמקי האוקיינוס אישרו כי רמות החמצן המומסות במים עולות בנוכחות הגושים. גושים רב-מתכתיים מקרקעית האוקיינוס במעבדה | Franz Geiger/Northwestern University
חמצן ומימן: שניהם ביחד וכל אחד לחוד
כיצד גושי המתכת מייצרים חמצן? החוקרים גילו כי הגושים פועלים כסוללות זעירות, המייצרות מתח של 0.95 וולט בין כמה נקודות על פני הגושים. עוצמת המתח דומה לזו של סוללת AA רגילה, וגורמת כנראה לפירוק של מולקולות מים למימן וחמצן. ואכן, גושי המנגן, שזכו לכינוי "סוללות בסלע", מכילות שיעורים גבוהים של מתכות המשמשות לייצור סוללות, כמו נחושת, מנגן וקובלט.
פירוק מים לחמצן ולמימן הוא תהליך ידוע ושכיח. כל מולקולת מים בנויה משני אטומי מימן הקשורים לאטום חמצן בקשרים קוולנטיים, כלומר על ידי שיתוף של אלקטרונים בין האטומים. מולקולות המים יכולות להתפרק למולקולות מימן ולמולקולות חמצן כאשר מפעילים עליהן זרם חשמלי בתהליך הנקרא אלקטרוליזה. אומנם, אלקטרוליזה של מי ים דורשת לרוב מתח של 1.5 וולט לפחות, אך החוקרים מעריכים כי בתנאים מסוימים, קבוצות של גושים יכולות לייצר יחד מתח גבוה יותר. החמצן המופק בתהליך כונה "חמצן אפל", כלומר חמצן המיוצר בתהליך שאינו דורש אור, כניגוד לפוטוסינתזה – התהליך המתבצע על ידי צמחים ואצות, שאור הוא האנרגיה המניעה אותו.
פליטת החמצן מגושי המתכת עשויה להסביר מדוע יותר ממחצית מהמגוון הביולוגי במערכות האקולוגיות האלו גדל על פניהם הקשים של הגושים האלו. עם זאת, עדיין צריך לבחון עד כמה אורגניזמים אלה תלויים בחמצן הנפלט מהמתכות.
חברות הכרייה לוטשות עיניים אל גושי המתכות הללו. איור של כרייה תת-ימית | Mikkel Juul Jensen / Science Photo Library
אינטרסים כלכליים במעמקי הים
חברות כרייה כבר לוטשות עיניים אל גושי המתכות האלו, המכילים מתכות נדירות שיש להן שימושים טכנולוגיים רבים. אך הכרייה במעמקי הים עשויה להשפיע לא רק על האזור שבו יאספו את הגושים, אלא גם על הסביבה הרחבה יותר: הכרייה תרים ענני אבק שישקעו על אזורים נרחבים, כמו שקורה בקרבת אתרי בנייה על היבשה. בשלב זה, עדיין לא ברור היקף הפגיעה האקולוגית שייגרם כתוצאה מכך. יתרה מזו: מעבר להשפעתם הישירה של הגושים על סביבתם המקומית, למחקר של מערכות ייחודיות אלה יש חשיבות מבחינות נוספות. המנגנון שנחשף מרחיב את הבנתנו לגבי תהליכי ייצור החמצן בכדור הארץ, ואף מזמין חשיבה מחודשת על תיאוריות העוסקות בראשית החיים על פני כדור הארץ.
