دورة الكبريت: ليس كما كنت تعتقد

وفي مقال نشر في مجلة العلوم، تحدث الدكتور إيتاي هاليفي من قسم علوم البيئة وأبحاث الطاقة في كلية الكيمياء بمعهد وايزمان، مع الدكتور شانون بيترز من جامعة ويسكونسن والدكتور وإدوارد فيشر من جامعة ويسكونسن. سعى معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا إلى فهم دورة الكبريت العالمية على مدى 550 مليون سنة الماضية

تنتقل دورة الكبريت في الطبيعة عبر الغلاف الجوي للأرض والبحار والقارات. أثناء تحركه، يتعرض الكبريت لتغيرات كيميائية، وترتبط هذه التغيرات أحيانًا بكيمياء العناصر الأخرى، مثل الكربون والأكسجين. لذلك، على سبيل المثال، تستخدم بعض الكائنات وحيدة الخلية مركبات الكبريت لهضم طعامها، على غرار الطريقة التي تستخدم بها الكائنات الحية الأخرى الأكسجين. يؤثر هذا النشاط على تركيز الأكسجين الحر في الهواء، لكن الكبريت يعتبر عمومًا عاملاً ثانويًا في عملية التحكم في مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي، بينما يعتبر الكربون دائمًا "اللاعب الرئيسي". وتشير النتائج الجديدة التي نشرت مؤخرا في مجلة ساينس العلمية إلى أن دور الكبريت أكبر مما كنا نعتقد.

سعى الدكتور إيتاي هاليفي من قسم العلوم البيئية وأبحاث الطاقة في كلية الكيمياء بمعهد وايزمان، مع الدكتور شانان بيترز من جامعة ويسكونسن والدكتور إدوارد فيشر من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، إلى فهم دورة الكبريت العالمية على مدار الـ 550 مليون سنة الماضية - والتي كانت خلالها مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي قريبة من تلك الموجودة فيه اليوم - حوالي 20%. ولهذا الغرض، استخدموا قاعدة بيانات تسمى "Macrostrat"، قام بتطويرها الدكتور بيترز. تحتوي قاعدة البيانات على معلومات مفصلة عن الهندسة والعمر والخصائص المعدنية لآلاف الوحدات الصخرية في أمريكا الشمالية وخارجها.

واستخدم الباحثون قاعدة البيانات لتتبع إحدى الطرق التي يشكل بها الكبريت المذاب في مياه المحيطات رواسب في القاع وبالتالي يترك المحيطات: من خلال تكوين معادن تسمى متبخرات الكبريت. وهذه المعادن الحاملة للكبريت، مثل الجبس الطبيعي على سبيل المثال، تغوص إلى قاع البحار الضحلة نتيجة تبخر مياه البحر. ووجد الفريق أن معدلات إنتاج وترسب المبخرات الكبريتية تغيرت بشكل متكرر نسبيا على مدى الـ 550 مليون سنة الماضية. وترتبط هذه التغيرات بالتغيرات في منطقة البحار الضحلة، وخطوط العرض الجغرافية التي وجدت فيها القارات القديمة، ومستوى سطح البحر. لكن الاكتشاف الذي فاجأ الدكتور هاليفي وزملائه هو أن نسبة صغيرة نسبيا من الكبريت الذي يصل إلى مياه المحيط يتركهم بهذه الطريقة. أشارت النتائج التي توصلوا إليها إلى طريقة أكثر أهمية لترسيب الكبريت، من خلال معدن آخر يسمى البيريت.

البيريت (المعروف أيضًا باسم "الذهب الأحمق") هو مركب من الحديد والكبريت، يتشكل عندما تستخدم الكائنات وحيدة الخلية التي تعيش في الرواسب في قاع البحر الكبريت المذاب في مياه البحر لهضم المواد العضوية. تمتص هذه المخلوقات الكبريت على شكل كبريتات (أي مرتبطة بأربع ذرات أكسجين) وتطلقه على شكل كبريتيد (بدون أكسجين). ويتم خلال هذه العملية إطلاق أربع ذرات أكسجين، لذلك يعتبر مصدراً للأكسجين الموجود في الهواء. ومع ذلك، يعتبر هذا الجزء من دورة الكبريت دائمًا ثانويًا - فيما يتعلق بترسب متبخرات الكبريت (التي لا تتضمن إطلاق الأكسجين)، وبالتالي فإن تأثيره على مستويات الأكسجين في الهواء يعتبر ضئيلًا.

من خلال فحص النماذج النظرية لدورات الكبريت المختلفة ومقارنتها بالمعلومات الموجودة في قاعدة البيانات، أدرك الفريق أن إنتاج وترسب البيريت هو في الواقع أكثر أهمية بكثير مما هو شائع: أكثر من 80% من الكبريت المذاب في مياه المحيط يخرج منها بهذه الطريقة (مقارنة بالتقديرات السابقة البالغة 30-40%) ومقارنة بالتباين الكبير في ترسيب المتبخرات طوال الفترة، حافظ ترسيب البيريت على استقرار نسبي، كما أظهر التحليل أن مصدر معظم الكبريت الذي يدخل البحر هو تجوية البيريت من الأرض، وبعبارة أخرى، تم اكتشاف أن هناك توازن بين إنتاج وترسب البيريت - في العملية التي تطلق الأكسجين، وتجوية البيريت من الأرض، أثناء استهلاك الأكسجين. إلى الأهمية الكبيرة لدورة الكبريت في التحكم في تركيز الأكسجين في الجو.

دكتور فيشر: "النتيجة الأكثر إثارة للدهشة هي حقيقة أن التجوية وترسيب البيريت كانت، على ما يبدو، عمليتين مهمتين للغاية، طوال تاريخ الأرض. تُعرف دورة الكربون بأنها اللاعب المركزي الذي يتحكم في كيمياء الأكسجين. ومع ذلك، وفقًا للنتائج التي توصلنا إليها، يتحرك عدد مماثل من الإلكترونات عبر دائرة الكبريت".

الدكتور هاليفي: هذه النتائج لا تلقي ضوءًا جديدًا على دور الكبريت في التحكم في مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي فحسب، بل تعد خطوة مهمة في تطوير فهم كمي للعمليات التي تتحكم في دورة الكبريت العالمية.

للمادة العلمية