هل تعلم أن الأنهار “تتنفس”.. كيف يتنفس النهر؟ فهم دورة الكربون العالمية

خذ نفس عميق، انتبه إلى كيفية انتقال الهواء من أنفك إلى حلقك قبل ملء رئتيك بالأكسجين، أثناء الزفير، يخرج مزيج من الأكسجين وثاني أكسيد الكربون من أنفك وفمك، هل تعلم أن الجداول والأنهار “تتنفس” بطريقة مماثلة؟

تعد الولايات المتحدة موطنًا لأكثر من 250 ألفًا من هذه المسطحات المائية المتدفقة التي تتصل بالمناطق الساحلية والمحيطات.

وهي تختلف في الحجم، من الجداول الصغيرة إلى الأنهار الكبيرة، ولكنها جميعها تمتص الأكسجين وتطلق ثاني أكسيد الكربون والغازات الدفيئة الأخرى مثل الميثان.

على مدى السنوات الأخيرة، انغمس فريق من العلماء بقيادة مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني (PNNL) في أبحاث مهمة حول العمليات والتفاعلات التي تساهم في ديناميكيات الغازات الدفيئة.

يركز عملهم على شبكات كاملة من الجداول والأنهار، بالإضافة إلى الأراضي المحيطة بهذه الأنظمة.

يتضمن عملهم أيضًا عوامل يمكن أن تؤثر على كيفية تنفس الجداول والأنهار.

تحدث بعض هذه الاضطرابات خارج نطاق الجداول المائية، مثل حرائق الغابات، ولكنها لا تزال تؤثر على كيفية تنفس الجداول عن طريق تغيير كيفية دخول المواد إلى الجداول.

إن فهم هذه التأثيرات أمر أساسي لمعالجة التحديات المتعلقة بنوعية المياه، ودورة الكربون العالمية، وتغير المناخ .

أجرى علماء PNNL دراسات النمذجة والدراسات الميدانية والمختبرية في جميع أنحاء الولايات المتحدة، مع كون بعض الدراسات مكثفة بشكل خاص داخل حوض نهر كولومبيا، تغطي هذه المنطقة 258000 ميل مربع، ويتدفق نهر كولومبيا أكثر من 1270 ميلاً من جبال روكي الكندية إلى المحيط الهادئ.

ويضم هذا الحوض غابات كثيفة وصحاري جافة وأراضٍ زراعية واسعة، يقع الحرم الجامعي الرئيسي لـ PNNL داخل الحوض في شرق واشنطن.

التنفس هو إحدى العمليات التي تؤثر على كيفية تنفس الأنهار والجداول.

ومن خلال مجموعة من التفاعلات الكيميائية التي تعمل معًا، يتم إخراج ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي، وعن طريق الكائنات الحية بما في ذلك البكتيريا والطحالب.

أنتجت الأبحاث التي أجرتها PNNL نماذج وبيانات يمكن أن تساعد في التنبؤ بكيفية حماية مجاري المياه والأنهار في البلاد والمجتمعات التي تعتمد عليها.

تم نشر العمل في مجلة Frontiers in Water، وقال تيموثي شيبي، زميل مختبر PNNL ، وعالم الأرض وأحد قادة هذا البحث:

“يستخدم فريقنا النماذج والبيانات للحصول على رؤى جديدة وتطوير التنبؤات التي ستستفيد منها القرارات التي يتخذها المنظمون ومديرو الموارد الطبيعية”.

يمكن أن تساعد النماذج والبيانات في توجيه ممارسات إدارة استخدام المياه والأراضي، بما في ذلك كيفية الاستجابة للكوارث الطبيعية مثل حرائق الغابات والجفاف، ويمكنهم أيضًا المساعدة في إعلامنا بكيفية تأثير التغيرات المستقبلية في البيئة على الأنظمة الطبيعية والبشرية التي تعتبر مهمة لصحة كوكبنا.

ما هو التنفس؟

أحد الدوافع وراء فهم كيفية تنفس الجداول والأنهار هو مجموعة من العمليات المعروفة باسم التنفس، وهي عبارة عن مجموعة من التفاعلات الكيميائية التي تحدد معًا كمية الكربون المتبقية ومقدار ثاني أكسيد الكربون الذي يدخل الغلاف الجوي.

يجمع التنفس بين الكربون والأكسجين لتوليد الطاقة للكائنات الحية، تخلق هذه العملية أيضًا بعض “العوادم” على شكل ثاني أكسيد الكربون الذي “تزفره” الكائنات الحية مثل الطحالب والبكتيريا داخل الأنظمة البيئية للجداول والأنهار.

ومن خلال دراسة التنفس عبر العديد من أنواع الجداول والأنهار، يمكن للباحثين معرفة سبب تنفس بعض الأنظمة أكثر من غيرها، فهم “لماذا” هو المفتاح، وهذا ما يسمح للباحثين بالتنبؤ بمستقبل الجداول والأنهار.

من المهم أيضًا أن نفهم ما إذا كانت المياه أو الرواسب في الأنهار والجداول تتمتع بقدر أكبر من التنفس، للإجابة على هذا السؤال، تعاونت PNNL مع باحثين في جامعة ولاية واشنطن وجامعة مونتانا.

ووجد الفريق، أن معظم عمليات التنفس في نهر كولومبيا تتم عن طريق الكائنات الحية الموجودة في الماء، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن نهر كولومبيا يحتوي على الكثير من الماء الذي يمكن أن يحدث فيه التنفس.

لكن في أنظمة المجاري المائية الأخرى، تقوم الميكروبات الموجودة في الرواسب بمعظم عملية التنفس، “تتنفس” بعض الرواسب بشكل أسرع بكثير من غيرها، ونتيجة لذلك، تنتج المزيد من ثاني أكسيد الكربون.

أظهر فريق PNNL، أن كمية ثاني أكسيد الكربون التي تنتجها الرواسب مرتبطة بحجم الصخور التي تشكل مجاري الأنهار، غالبًا ما تؤدي الصخور الأكبر حجمًا إلى مزيد من التنفس، وهذا أمر مهم لأنه كلما تنفست الرواسب بشكل أسرع، زادت قدرتها على تنظيف الملوثات من الجداول والأنهار.

ما هي المادة العضوية؟

بالإضافة إلى الغازات مثل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون، تحتوي الجداول والأنهار على جزيئات من الكائنات الحية الميتة مثل النباتات والطحالب.

يُعرف هذا بالمادة العضوية، وهي “الوقود” أو “الغذاء” الذي يقوي عملية التنفس، ويلعب دورًا في جودة المياه وصحة الأنواع المائية.

يتم التحكم في تكوين المواد العضوية جزئيًا من خلال استخدام الأراضي، والملوثات، وإدارة الغابات، والاضطرابات الطبيعية والبشرية، لذا فإن فهم علاقتها بالتنفس قد يحفز ممارسات مختلفة لإدارة الأراضي والمياه.

قاد فريق PNNL بحثًا يبحث في كيفية تسبب التغيرات في أنواع المواد العضوية في تغيرات في التنفس، وفي سلسلة من الدراسات، أظهر الفريق أن التنفس في الرواسب يرتبط بكيمياء المادة العضوية.

كشفت دراسة الحدود في المياه، التي أجريت بالشراكة مع باحثين من جامعة نبراسكا، عن قواعد عامة عبر تيارات متنوعة تحدد كيفية ارتباط كيمياء المواد العضوية بتنفس الرواسب.

كشف علماء PNNL أيضًا كيف يمكن لحرائق الغابات أن تغير المواد العضوية في الجداول بعد حرائق الغابات.

وجد الفريق، أن هناك صلة بين تكوين المادة العضوية وكيف أثرت الحرائق على المناظر الطبيعية خلال العاصفة الأولى بعد حرائق الغابات الكبرى في عام 2020.

وهذا يجعل من الصعب معرفة كيفية استخدام الميكروبات لأنواع مختلفة من المواد العضوية لتغذية التنفس في الجداول والأنهار.

هناك عشرات الآلاف من المركبات المختلفة التي تشكل المواد العضوية.

هناك أيضًا مجموعة متنوعة من الكائنات الحية التي تستخدم المواد العضوية كوقود.

وهذا يجعل من الصعب معرفة مقدار التنفس الذي يحدث عبر أنواع مختلفة من المواد العضوية والكائنات الحية في الجداول والأنهار.

التنبؤ بسلامة الجداول والأنهار في المستقبل

على الرغم من التحديات، كشفت PNNL والباحثون المشاركون عن قواعد عامة لكيفية عمل هذه الأنظمة المعقدة.

تسمح هذه القواعد للعلماء بحل تحديات مهمة أخرى مثل كيفية تحسين جودة المياه والتنبؤ بكمية ثاني أكسيد الكربون التي ستترك الجداول والأنهار بعد الأحداث الكبيرة مثل حرائق الغابات.

أوضحت أليسون مايرز بيج، عالمة الأرض في PNNL، أن “فهم المبادئ التي تنظم العمليات وكيفية عملها عبر الأنظمة هو هدف رئيسي لعملنا”، “توفر هذه المعرفة أساسًا لبناء نماذج يمكنها التنبؤ بسلامة الجداول والأنهار في المستقبل، بما في ذلك كيفية تأثرها بالاضطرابات الكبيرة، وبدون هذه المعرفة، لا يمكننا إجراء تنبؤات دقيقة”.