إعادة التدوير

التدوير البيوجيوكيميائي

شكل ٢-١: تدفقات الغازات المُتبادَلة عند سطح الأرض في الوقت الحاضر وتدفقاتها على كوكب الأرض في حالة عدم وجود حياة، وهي توضِّح تأثير الحياة العميق.

يُعَد هذا التبادل اللافت للغازات بين الغِلاف الجوي من ناحية والمحيطات وأسطح اليابسة من ناحيةٍ أخرى مجرَّد جزءٍ واحد من التدوير البيوجيوكيميائي. فبعض العناصر تنتقل انتقالًا فيزيائيًّا أيضًا من الأراضي إلى المحيطات في صورة موادَّ صُلبة أو ذائبة في محاليل، تحملها دورة الماء. وتُمثِّل دورة الماء الدورة الفيزيائية للماء عَبْر أنحاء الكوكب بين المحيطات (حيث يُخزَّن ٩٧ في المائة منها) والغِلاف الجوي والصفائح الجليدية والأنهار الجليدية والمياه العذبة والماء الجوفي.

ترتبط دورة الماء ارتباطًا وثيقًا بمُناخ الأرض؛ لأنها تُحفَّز بالطاقة، كما أنها تحمل معها الطاقة. فتغيير حالة الماء من الصُّلب إلى السائل أو من السائل إلى الغازي يتطلب طاقة، وهذه الطاقة في نظام المُناخ تأتي من الشمس. وكذلك فعندما يتكثف الماء ويتحول من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة أو يتجمَّد متحولًا من الحالة السائلة إلى الصلبة، تشهد هذه العملية إطلاق طاقة. تُسبب حرارة الشمس تبخير الماء من المحيطات. وهذا مسئول عن إمداد الغِلاف الجوي بحوالي ٩٠ في المائة من بخار الماء الذي يوجد فيه، فيما تأتي نسبة اﻟ ١٠ في المائة المتبقية من عمليات التبخر التي تحدُث على اليابسة ومُسطحات المياه العذبة (وتَسامي الجليد والثلج إلى بخار مباشرةً). ويعمل التبخر على تبريد المحيطات وأسطح اليابسة، وعندما يتكثف الماء ليكوِّن قطيرات سُحُب وأمطارًا، أو يتجمد ليكوِّن ثلجًا، يعمل ذلك على تسخين الغِلاف الجوي. وهذا التسخين بدوره يُسبب صعود الكُتل الهوائية إلى الأعلى بفعل تيارات الحَمل الحراري. ويعمل هطول الأمطار والثلج على إعادة الماء إلى المحيطات واليابسة، حيث يُمكن أن يتدفق الماء عَبْر المياه العذبة إلى المحيطات. وحيثما يظل الثلج المتساقط متجمِّدًا طوال عام كامل، يمكن أن تبدأ صفيحةٌ جليدية في النمو.

شكل ٢-٢: التدوير البيوجيوكيميائي عند سطح الأرض وعَبْر دورة الصخور، يُظهر عمليات وخزَّانات رئيسية.

دورة الأكسجين

تُعَد عملية التمثيل الضوئي بمثابة الباب الذي تدخل منه الطاقة الشمسية للغلاف الحيوي وتبدأ تحويل المواد كيميائيًّا. لذا من المُرجَّح أن يكون اكتشاف التدوير البيوجيوكيميائي قد بدأ مع التجارب التي كان جوزيف بريستلي يُجريها على النباتات (في عام ١٧٧٢)؛ فبريستلي أدرك أنَّ النباتات تتبادل المواد مع الغِلاف الجوي والتربة أيضًا. وهذا يعني بالمصطلحات العصرية أنَّ النباتات تحصُل على كربونها من ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغِلاف الجوي، وتُضيف الإلكترونات التي تُستمَد من جزيئات الماء إلى الكربون، ثم تُطلِق الأكسجين إلى الغِلاف الجوي بصفته من المواد الناتجة. تُكتب الصيغة الكيميائية المُبسَّطة للتفاعل الكلي على النحو الآتي:

على مدى نطاقاتٍ زمنية أطول وأطول، يُتبادَل بعض الكربون العضوي والأكسجين العضوي مع وشاح الأرض. إذ يُزال الأكسجين بالتفاعل مع غازاتٍ بركانية مُختزَلة قادمة من طبقة الوشاح، ويُضاف كربون عضوي قديم إلى هذه الطبقة عند اندساس الصفائح التكتونية. ومن المرجَّح أنَّ تدفُّق المادة المؤكسَدة إلى طبقة الوشاح يتجاوز تدفُّق المواد المُختزَلة، ولكن منطقة الوشاح شديدةُ الضخامة ومُحصَّنة للغاية لدرجة أنَّ حالة الأكسدة الخاصة بها لم تتغير كثيرًا على مدار تاريخ الأرض. في المقابل، تحتوي قشرة الأرض على كميةٍ أكبر بكثير من الأكسجين المحبوس في الصخور في صورة حديد مؤكسَد وكبريت مؤكسَد، من كمية الكربون العضوي التي تحويها. يُخبرنا هذا بوجود مصدر أمدَّ القشرة الأرضية إمدادًا صافيًا بالأكسجين على مدار تاريخ الأرض، وهذا المصدر ناتج حتمًا من فقدان الهيدروجين في الفضاء. وتُعَد سلسلة التفاعلات الكاملة معقَّدة، لكنها تبدأ بتفكيك الماء في عملية التمثيل الضوئي، وتصل في النهاية إلى فقدان الهيدروجين الموجود في الماء بتصعيده إلى الفضاء وترك الأكسجين:

شكل ٢-٣: دورة الأكسجين، شاملةً أحجام التدفقات والخزانات.

وصحيح أنَّ كمية الهيدروجين التي تهرب من غِلاف الأرض الجوي في الوقت الحاضر ضئيلة جدًّا؛ مما يجعل هذا مصدرًا ضعيفًا للأكسجين، لكنَّ الوضع لم يكن هكذا دائمًا (كما سنرى في الفصل الرابع).

دورة الكربون

شكل ٢-٤: دورة الكربون؛ تُظهِر كلًّا من التدوير القصير الأمد عند السطح (الأسهم الكبيرة) والتبادل الطويل الأمد مع القشرة (الأسهم الأصغر)، مع التدفقات الرئيسية البشرية المنشأ (الأسهم المتقطعة).

ويُعتبر تبادُل الكربون بين الغِلاف الجوي واليابسة في جزء كبير منه قائمًا على العمليات الحيوية؛ إذ يتضمَّن امتصاص الكربون في عملية التمثيل الضوئي وإطلاقه من عملية التنفس الهوائي (وكذلك من خلال الحرائق، بكميةٍ أقل). أمَّا تبادُل الكربون بين الغِلاف الجوي والمحيطات، فيتضمَّن مزيجًا من العمليات الكيميائية والفيزيائية والحيوية. إذ يجري تبادُل ثاني أكسيد الكربون بين أسطح المحيطات والغِلاف الجوي باستمرار. وبينما تنتقل المياه من أسطح المحيطات انتقالًا فيزيائيًّا من دوائرِ عرضٍ منخفِضة إلى أخرى مرتفِعة، تبرُد، وهو ما يجعلها تمتص مزيدًا من ثاني أكسيد الكربون. وفي بعض المناطق الواقعة عند دوائر عرضٍ مرتفعة — كشمال المحيط الأطلسي والمحيط الجنوبي في الوقت الحاضر — تغوص هذه المياه السطحية إلى أعماقٍ كبيرة، آخذةً معها فائض ثاني أكسيد الكربون، وهو ما يُنتِج «مِضخة ذوبانية» تنقل الكربون إلى أعماق المحيطات. وتُوجد أيضًا «مضخة حيوية» للكربون، وهذه تتمثل في أنَّ الكائنات الحية الموجودة في سطح المحيط تمتص ثاني أكسيد الكربون، وتغوص أجسادها بعد الموت (أو تغوص فضلات الكائنات الحية التي أكلَتها) ناقلةً الكربون إلى الأعماق. وهكذا فإنَّ مضختَي الكربون كلتَيهما تُنتِجان فائضًا من الكربون في أعماق المحيطات وتُحدِثان نقصًا في كميته في الغلاف الجوي وأسطح المحيطات.

قيودٌ نظائرية

كيف يتوصل علماء نظام الأرض إلى مثل هذه الأرقام، وبالتبعية يُحددون حجم التدوير البيوجيوكيميائي؟ بالطبع يُحاولون تقدير حجم التدفقات والخزانات بقياسها مباشرة. لكنَّ القياس ليس ممكنًا في كل الحالات. ومن ثَم، غالبًا ما تُستخدم النماذج لاستنباط أرقام عالمية من القياسات المتاحة. وعندما يتعلق الأمر بتمثيل عملياتٍ ذات نطاقٍ زمني طويل تتضمن تدفقاتٍ صغيرة نسبيًّا، يُمكن أن تكون أعمدة الخطأ في هذا التمثيل كبيرة. ولكن لحسن الحظ، يُوجد قيدٌ إضافي على البيانات، وهو قائم على التركيب النظائري للخزانات والتدفُّقات المختلفة.

اللافت أننا عندما نتفحَّص تاريخ الأرض، نجد تقلبات في التركيب النظائري للكربونات، ولكننا لا نجد انزياحًا صافيًا في قيمته بالزيادة أو النقصان. وهذا يشير إلى أنَّ خُمس الكربون تقريبًا دائمًا ما كان مطمورًا في صورةٍ عضوية، في حين أنَّ الأخماس الأربعة الأخرى مطمورة في صورة صخورٍ من الكربونات. ومن ثَم، فحتى في المراحل المبكرة من عمر الأرض، كان الغِلاف الحيوي يتسم بإنتاجيةٍ كافية لدعمِ مستوًى صحي من تدفق طَمْر الكربون العضوي.

دورة الفوسفور

شكل ٢-٥: دورة الفوسفور.

أكسَب الانتخاب الطبيعي النباتات الموجودة على اليابسة وشريكاتها من الفطريات («الفطريات الجذرية») قدرةً كبيرة على استخلاص الفوسفور من الصخور، بتصنيع وإفراز مجموعة من الأحماض العضوية التي تعمل على إذابة معدن الأباتيت. إذ تَحفِر الفطريات طريقها عَبْر الصخور، وعندما تعثُر على الأباتيت، تبدأ العمل على إذابته. وحالما يُصبح الفوسفور في صورته المُذابة؛ أي يتحوَّل إلى فوسفات، يمكن أن تمتصَّه النباتات مباشرة. ولكن يمكن كذلك أن يُمتَص الفوسفات داخل أسطح المعادن مثل المعادن الطينية، أو يتفاعل مع عناصرَ أخرى في التربة ليُكوِّن معادنَ ثانوية؛ مما يُقلل درجة توافُره ويزيد قيمة إعادة تدوير الفوسفور. هذا ويُعاد تدوير الفوسفور الموجود في المواد العضوية الميتة بفعل البكتيريا والفطريات، بما فيها الفطريات الجذرية المرتبطة مباشرةً بجذور النباتات؛ الأمر الذي يحدُّ من احتمالية فقدان كميات منه طوال الوقت. وهكذا يُعيد النظام الإيكولوجي الأرضي تدوير الفوسفور حوالي خمسين مرةً في المتوسط قبل أن يُفقَد في المياه العذبة.

عند فقدان الفوسفور من اليابسة فإنه ينتقل بالكامل إلى المحيطات؛ ومن ثَم يُعتبر هذا هو المصدر الأساسي لإدخال هذا العنصر المُغذي الضروري إلى النظام. ويُخزَّن الفوسفور في المحيطات في صورة فوسفات مُذاب في الماء. وعندما يتدفق الفوسفات من أعماق المحيطات إلى الأعلى، تمتصُّه عوالقُ نباتية، هذه العوالق تموت أو تؤكَل فيما بعدُ. ويُمثِّل الفسفور قيمةً كبيرة في علم الأحياء، حتى إنه يُستخرج بالذات من هذه المادة العضوية الميتة. وهذا يُنتِج حلقة من إعادة تدوير المواد المُغذية في سطح المحيط بمساعدة الأحياء الدقيقة، ويُقدَّر أنَّ هذه الحلقة تُحسِّن إنتاجية السطح بمقدار ثلاث مرات. ومع ذلك، يهرب بعض الفوسفور إلى أعماق المحيطات. وتُحدِّد عملية إعادة تدويره، عَبْر التدفق الفيزيائي للمياه إلى الأعلى، كمية المادة العضوية التي يُمكن أن تُغادر أسطح المحيطات في «المضخة الحيوية» وتؤثِّر على دورة الكربون بالتبعية.

يصل بعض الفوسفور العضوي إلى رواسب المحيط، حيث تُفضِّل الكائنات مجددًا التغذِّي عليه، فيُعاد بذلك تدويرُ جزءٍ كبير منه إلى عمود الماء، ويُسهم ذلك في دعم الإنتاجية في سطح المحيط. لكنَّ بعض الفوسفور يظل محصورًا في الرواسب بفعل تكوين معادن أباتيت جديدة والتصاق الفوسفات بأسطح معادن أكاسيد الحديد، ويتبقى بعضُه في موادَّ عضوية تَدخُل صخورًا رسوبية جديدة. وهذه العملية التي تتضمَّن إزالة الفوسفور ونقله إلى دورة الصخور تُوازِن تجوية الفوسفور من الصخور الموجودة على اليابسة. بل تُحدِّد كمية الكربون العضوي الذي يُمكن طَمْره في المحيط؛ وبذلك تُحدِّد حجم المصدر الطويل الأمد الذي يُمِد الغِلاف الجوي بالأكسجين.

دورة النيتروجين

شكل ٢-٦: دورة النيتروجين.

تُشكِّل عملية تثبيت النيتروجين التدفُّق الأساسي لإدخال النيتروجين إلى كلٍّ من اليابسة والمحيطات، بينما تُشكل عملية نزع النيتروجين تدفُّق إخراجه الأساسي من اليابسة والمحيطات، لكنَّ النيتروجين يخضع لإعادة تدوير داخل بعض النُّظم الإيكولوجية أيضًا. فبعض الكائنات التي تؤدي عملية التمثيل الضوئي (النباتات على اليابسة، والعوالق النباتية في المحيطات) تأخذ النترات (أو الأمونيوم في حالة بعض العوالق النباتية) وتمتصُّها داخل المادة العضوية. ويُمكن بعدئذٍ استردادُ هذا النيتروجين من المواد العضوية الميتة بفعل البكتيريا، وكذلك الفطريات الموجودة على اليابسة، التي تُحوِّله إلى أمونيوم في عملية تُعرَف باسم الأموَنة (أو إعادة التمعدن). ثم يُمكن بعد ذلك نَترتةُ الأمونيوم وتحويلُه إلى نترات، وامتصاصُه مرةً أخرى داخل الكائنات التي تؤدي التمثيل الضوئي. وفي المحيطات، تحدُث إعادة تمعدُن النيتروجين الآتي من المادة العضوية على نطاق من الأعماق المختلفة بينما تغوص المادة العضوية عَبْر عمود الماء. وكالفوسفور، يُعاد تدوير بعض النيتروجين بسرعة في طبقات المحيط السطحية المختلطة جيدًا والمضاءة بنور الشمس. أمَّا الجزء المتبقي، فيُعاد تدويره ببطء في المياه العميقة المظلمة، ويتعيَّن عليه انتظار التدفق الفيزيائي لتلك المياه إلى الأعلى قبل أن يُمكن امتصاصُه داخل العوالق النباتية مرةً أخرى.

أيضُ كوكب الأرض

أحدَث التدوير البيوجيوكيميائي العالمي للمواد، الذي تُعزِّزه الطاقة الشمسية، تحوُّلًا في نظام الأرض. ويُمكن اعتبار عملية تحوُّل الطاقة وتدوير المواد بفعل الغِلاف الحيوي بمثابة «أيض» نظام الأرض. فهي ضرورية للإنتاجية اللافتة التي يتسم بها غِلاف الأرض الحيوي، تمامًا مثلما تُعَد عملية الأيض التي يؤديها كل كائن حي مفرد ضروريةً لعيشه حياةً صحية. وقد جعلَت هذه العملية الأرض مختلفة جذريًّا عن حالتها قبل وجود الحياة وعن الكوكبَين المجاورَين لها؛ المريخ والزهرة. ومن خلال تدوير المواد التي يحتاج إليها غِلاف الأرض الحيوي، جعل نفسه في حالةٍ أكثر إنتاجية. ومن ثَم، نتناول في الفصل الثالث الكيفية التي تُنظِّم بها الدوراتُ البيوجيوكيميائية ذاتَها وكيفية اقترانها بمناخ الأرض.