Deepwater Horizon Blowout Εξαντλημένο φως Σπάνια Στοιχεία Γης

Το μεθάνιο είναι ένα σημαντικό «αέριο του θερμοκηπίου». δηλαδή ένα αέριο που παίζει ρόλο στη θερμική ισορροπία της γης και συνεπώς στο κλίμα μας. Στην πραγματικότητα, μόριο για μόριο, το μεθάνιο είναι πιο αποτελεσματικό στην παγίδευση θερμότητας από το διοξείδιο του άνθρακα. Έτσι, αν και υπάρχει επί του παρόντος περίπου 200 φορές περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα από το μεθάνιο, υπάρχει ωστόσο έντονο ενδιαφέρον στην επιστημονική κοινότητα να κατανοήσει τις πηγές και τις καταβόθρες του μεθανίου στην ατμόσφαιρα. Ο Δρ. Άλαν Μ. Σίλερ το έχει βάλει στο επίκεντρο της καριέρας του τα τελευταία χρόνια.

Όπως αποδεικνύεται, υπάρχουν σημαντικές δεξαμενές μεθανίου στα θαλάσσια ιζήματα και αυτό το μεθάνιο θα μπορούσε να απελευθερωθεί από τα ιζήματα με τη συνεχιζόμενη θέρμανση των υδάτων των ωκεανών. Εάν το μεθάνιο που απελευθερώνεται διασχίζει τον ωκεανό και φτάσει στην ατμόσφαιρα, τότε οι ιδιότητες παγίδευσης θερμότητας θα μπορούσαν να επιδεινώσουν την κλιματική αλλαγή. Πράγματι, η μαζική απελευθέρωση μεθανίου από τον πυθμένα της θάλασσας έχει εμπλακεί στην κλιματική αλλαγή του παρελθόντος. Υπάρχουν, ωστόσο, βακτήρια στα νερά των ωκεανών γνωστά ως μεθανότροφα που χρησιμοποιούν το μεθάνιο ως πηγή τροφής. Εάν αυτά τα μεθανότροφα μπορούν να καταναλώσουν ωκεάνιο μεθάνιο αρκετά γρήγορα, τότε το μεγαλύτερο μέρος της ροής μεθανίου από τα ιζήματα ενδέχεται να μην φτάσει στην ατμόσφαιρα.

Η έκρηξη του Deepwater Horizon στον βόρειο Κόλπο του Μεξικού το 2010 είναι γνωστή ως «πετρελαιοκηλίδα». Ωστόσο, περίπου το ήμισυ του υλικού υδρογονάνθρακα που βγήκε από το πηγάδι δεν ήταν αργό πετρέλαιο αλλά μάλλον φυσικό αέριο, κυρίως αποτελούμενο από μεθάνιο. Αυτό το μεθάνιο συσσωρεύτηκε σε βυθισμένα νέφη σε βάθος περίπου 1100 m (3600 πόδια) στον ωκεανό. Αυτό χρησίμευσε ως ένα «απρογραμμάτιστο πείραμα» για να ελεγχθεί τι μπορεί να συμβεί κατά την απελευθέρωση σημαντικών ποσοτήτων μεθανίου από θαλάσσια ιζήματα. Αυτό που παρατηρήθηκε και δημοσιεύτηκε από διάφορες ομάδες επιστημόνων ήταν ότι οι μεθανότροφοι άνθισαν και κατανάλωναν το μεθάνιο στα βυθισμένα νέφη πολύ πιο γρήγορα (σε μήνες και όχι σε χρόνια) από ό,τι αναμενόταν. Αυτό υποδηλώνει ότι το μεθάνιο που απελευθερώνεται από τα θαλάσσια ιζήματα ως απόκριση στην κλιματική αλλαγή μπορεί να έχει σιωπηλή επίδραση στην ατμόσφαιρα.

Στοιχεία σπάνιων γαιών μετά το Deepwater Horizon

Την εποχή που δημοσιεύτηκε η εργασία για τη μικροβιακή άνθιση του Deepwater Horizon, μια ολλανδική ομάδα δημοσίευσε επίσης εργασία για έναν νέο τύπο μεθανοτροφίας που ανακάλυψαν μελετώντας τις περίφημες ηφαιστειακές λασποδοχεία στη Σολφοτάρα κοντά στη Νάπολη της Ιταλίας. Ένα βασικό ένζυμο στη μεθανοτροφία, η μεθανολική αφυδρογονάση ή η MDH, συνήθως απαιτεί ιόντα ασβεστίου για δραστηριότητα. Αλλά στις λασποδοχεία στο Solfotara βρέθηκαν οργανισμοί που απαιτούσαν στοιχεία σπάνιων γαιών και όχι ασβέστιο στη μεθανολική αφυδρογονάση τους. Οι σπάνιες γαίες (γνωστές και ως στοιχεία λανθανιδών), είναι μια ομάδα στοιχείων που συνήθως εμφανίζονται ως το πάνω μέρος δύο επιπλέον σειρών που τοποθετούνται κάτω από το κύριο μέρος του περιοδικού πίνακα. Ο όρος «στοιχείο σπάνιας γαίας» είναι στην πραγματικότητα λίγο λανθασμένος, καθώς ορισμένα από αυτά τα «σπάνια» στοιχεία είναι τόσο κοινά στον φλοιό της γης όσο και άλλα πιο γνωστά στοιχεία όπως ο χαλκός και ο μόλυβδος. Στην πραγματικότητα, πολλές από τις σπάνιες γαίες έχουν βρει σημαντικές χρήσεις στον σύγχρονο βιομηχανικό κόσμο. Για παράδειγμα, σε ένα υβριδικό αυτοκίνητο μπορεί να υπάρχουν κιλά από τα στοιχεία λανθάνιο και νεοδύμιο στην υβριδική μπαταρία και τον ηλεκτροκινητήρα του αυτοκινήτου.

Λαμβάνοντας υπόψη τις παρατηρήσεις της κατανάλωσης μεθανίου του Deepwater Horizon και αυτού του πρόσφατα παρατηρηθέντος μηχανισμού μεθανοτροφίας που απαιτεί σπάνιες γαίες, αποφασίσαμε να δούμε αν οι κατανομές των στοιχείων σπάνιων γαιών επηρεάστηκαν κατά τη διάρκεια της έκρηξης. Καταφέραμε να το κάνουμε αυτό επειδή είχαμε συλλέξει δείγματα κατάλληλα για ανάλυση ιχνοστοιχείων τόσο κατά τη διάρκεια όσο και μετά το συμβάν. Και, παρατηρήσαμε σημαντικές μειώσεις στο λανθάνιο και σε μερικούς από τους γείτονές του στον περιοδικό πίνακα κατά τον Μάιο/Ιούνιο του 2010 (δηλαδή κατά τη διάρκεια της έκρηξης), αλλά όχι ενάμιση χρόνο αργότερα, όταν οι συγκεντρώσεις μεθανίου επέστρεψαν στις φυσικές, πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις τους. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας ένα σύστημα μεσόκοσμου που αναπτύξαμε για τη μελέτη της μεθανοτροφίας, επωάσαμε δείγματα νερού που συλλέχθηκαν σε μια φυσική διαρροή μεθανίου στον πυθμένα της θάλασσας περίπου 10 μίλια (17 χιλιόμετρα) βορειοδυτικά της τοποθεσίας Deepwater Horizon. Για άλλη μια φορά παρατηρήσαμε εξάντληση του λανθανίου και ορισμένων από τους γείτονές του κατά την κατανάλωση μεθανίου. Επιπλέον, μπορέσαμε να ανιχνεύσουμε την έκφραση του γονιδίου που κωδικοποιεί το στοιχείο σπανίων γαιών που απαιτεί ένζυμο.

Τώρα, όλα αυτά μπορεί να φαίνονται σαν ένα δευτερεύον ακαδημαϊκό σημείο. Εξάλλου, το μεθάνιο Deepwater Horizon καταναλώθηκε γρήγορα… τι άλλο πρέπει να γνωρίζουμε; Ένας λόγος που αυτό είναι σημαντικό είναι ότι είναι η πρώτη φορά που βρέθηκαν στοιχεία σπάνιων γαιών να είναι σημαντικά σε οποιαδήποτε ωκεάνια βιολογική διαδικασία. Πράγματι, μέχρι τη δουλειά της ολλανδικής ομάδας, οι σπάνιες γαίες θεωρούνταν γενικά ότι ήταν βιολογικά ασήμαντες. Όμως, επειδή αυτά τα στοιχεία βρίσκονται μόνο σε συγκεντρώσεις μερών ανά τρισεκατομμύριο στον ωκεανό, η εργασία μας δείχνει ότι η διαθεσιμότητά τους παίζει υποτιμημένο ρόλο στην απομάκρυνση του μεθανίου από τον ωκεανό και ως εκ τούτου έναν αβέβαιο ρόλο στον έλεγχο αυτού του σημαντικού θερμοκηπίου αέριο. Επιπλέον, επειδή οι ωκεανογράφοι είχαν υποθέσει ότι οι σπάνιες γαίες δεν ήταν βιοενεργές, πρέπει να επανεξετάσουμε τις ερμηνείες μας για την κατανομή τους και να δούμε αν μπορούμε να καταλάβουμε καλύτερα τι μας λένε τα στοιχεία σπάνιων γαιών για τις ωκεανικές διεργασίες.

Ο ρόλος των σπάνιων γαιών στοιχείων στα θαλάσσια οικοσυστήματα

Όλα αυτά μας αφήνουν δύο ενδιαφέρουσες ερωτήσεις. Το πρώτο ερώτημα είναι γιατί θα εξελιχθούν οι οργανισμοί ώστε να χρειάζονται αυτά τα στοιχεία που βρίσκονται σε τόσο χαμηλές συγκεντρώσεις στο θαλασσινό νερό; Μπορούμε μόνο να κάνουμε εικασίες για την απάντηση, αλλά πιθανώς υπάρχουν αρκετοί σημαντικοί παράγοντες. Πρώτα απ 'όλα, τα ιόντα σπάνιων γαιών έχουν κάποια χημική ομοιότητα με τα ιόντα ασβεστίου που βρίσκονται πιο συχνά σε ένζυμα όπως το MDH. Επιπλέον, οι σπάνιες γαίες έχουν στην πραγματικότητα κάποιες χημικές ιδιότητες που τις καθιστούν δυνητικά καλύτερους καταλύτες από το ασβέστιο. Η μεθανοτροφία πιστεύεται ότι είναι μια από τις παλαιότερες μεταβολικές οδούς. Έτσι, μπορεί κάλλιστα η μεθανοτροφία να εξελίχθηκε για πρώτη φορά σε ένα περιβάλλον πιο πλούσιο σε σπάνιες γαίες από τον σημερινό ωκεανό. Πράγματι, τα υδροθερμικά συστήματα στο Solfotara έχουν διαλύσει συγκεντρώσεις σπάνιων γαιών 40.000 φορές υψηλότερες από το θαλασσινό νερό στη θέση Deepwater Horizon και συχνά παρατηρείται ότι τα υδροθερμικά συστήματα έχουν σημαντικό διαλυμένο μεθάνιο. Έτσι, η απαίτηση για ενζυμικά στοιχεία σπανίων γαιών μπορεί κάλλιστα να έχει αναπτυχθεί σε ένα περιβάλλον στο οποίο αυτά τα βιοχημικά επιθυμητά στοιχεία ήταν πιο διαθέσιμα από ό,τι στον σημερινό ωκεανό. Αυτό υποδηλώνει επίσης ότι μπορεί κάλλιστα να υπάρχει και άλλο στοιχείο σπανίων γαιών που χρησιμοποιεί ένζυμα που περιμένουν να ανακαλυφθούν. Πράγματι, υπάρχει ήδη δημοσιευμένη αναφορά μιας αφυδρογονάσης αιθανόλης που απαιτεί λανθανίδες για δραστηριότητα.

Τέλος, μπορούμε να επιστρέψουμε στο ζήτημα της τύχης των μεγάλων ποσοτήτων μεθανίου που απελευθερώνονται από τα θαλάσσια ιζήματα; Παρατηρούμε, για παράδειγμα, ότι η απογραφή και ο χρόνος παραμονής των λανθανιδών στον σημερινό ωκεανό είναι μεγέθους παρόμοιου με αυτό που θα μπορούσαν να χρειάζονταν οι μεθανότροφοι πριν από 55 εκατομμύρια χρόνια κατά τη διάρκεια ενός κλιματικού γεγονότος γνωστό ως Θερμικό Μέγιστο Παλαιόκαινου-Ηωκαίνου (PETM). Το PETM πιστεύεται ότι προήλθε από μια μεγάλη αλλαγή στο σύστημα άνθρακα, πιθανώς λόγω μιας μαζικής απελευθέρωσης μεθανίου από τα θαλάσσια ιζήματα. Λόγω της χημικής ομοιότητας μεταξύ των λανθανιδών και του ασβεστίου, υπάρχει πιθανώς μια καταγραφή συγκεντρώσεων λανθανιδών στον ωκεανό που αποθηκεύονται στα κελύφη ανθρακικού ασβεστίου ορισμένων μονοκύτταρων οργανισμών (foraminifera) και θαμμένα στα θαλάσσια ιζήματα. Αυτό θα μπορούσε να μας δώσει τα μέσα για να εξετάσουμε την υπόθεση της μαζικής απελευθέρωσης ιζηματογενούς μεθανίου κατά τη διάρκεια του PETM μέσω της επίδρασής του στις λανθανίδες και, επομένως, να παρέχουμε πληροφορίες για τους μηχανισμούς της κλιματικής αλλαγής στο γεωλογικό παρελθόν.

Αυτή η μελέτη, εξάντληση ελαφρών στοιχείων σπάνιων γαιών κατά τη διάρκεια της μεθανοτροφίας εκρήξεων του Deepwater Horizon, δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Scientific Reports.