સમુદ્રમાં વરસતી 'ચીકણી હિમ': પૃથ્વીના કાર્બન ચક્રનું સૌથી મોટું છૂપું રહસ્ય ઉકેલાયું

પૃથ્વી પર શિયાળામાં આકાશમાંથી વરસતા સફેદ હિમકણો વિશે આપણે સૌ જાણીએ છીએ, પરંતુ શું તમે ક્યારેય સમુદ્રના અંધારપટ ધરાવતા ઊંડાણમાં થતી અવિરત હિમવર્ષા વિશે સાંભળ્યું છે? પૃથ્વીના મહાસાગરોમાં સપાટીથી હજારો મીટર નીચે એક અનોખી અને ક્યારેય ન અટકતી હિમવર્ષા થાય છે. વિજ્ઞાનની ભાષામાં તેને 'મેરિન સ્નો' (marine snow: દરિયાઈ હિમ) કહેવામાં આવે છે. જોકે, આ જમીન પર પડતા બરફ જેવા સ્ફટિકો નથી, પરંતુ દરિયાઈ જીવોના મળ-મૂત્ર, મૃત પ્લવકો (phytoplankton), શ્લેષ્મ (mucus), કાંપ અને જૈવિક-અજૈવિક કચરાના અત્યંત સૂક્ષ્મ કણોનો જથ્થો છે, જે દરિયાની પ્રકાશિત સપાટી પરથી સતત તળિયા તરફ વહેતો રહે છે.

આ સામાન્ય દેખાતો ચીકણો કચરો પૃથ્વીના પર્યાવરણને બચાવવામાં એક અદ્રશ્ય યોદ્ધાની ભૂમિકા ભજવે છે. જ્યારે આ કણો સમુદ્રની સપાટીથી તળિયા તરફ ગતિ કરે છે, ત્યારે તે પોતાની સાથે ટનબંધ કાર્બન ડાયોક્સાઇડને પણ ઊંડાણમાં ખેંચી જાય છે. વૈજ્ઞાનિકોના અંદાજ મુજબ, મેરિન સ્નો દર વર્ષે પૃથ્વીની દરિયાઈ સપાટી પરથી ૧૦ ગિગાટોન (૧ ગિગાટોન એટલે ૧ અબજ ટન) કરતાં પણ વધુ કાર્બનને ઊંડા સમુદ્ર તરફ લઈ જાય છે. પરંતુ આશ્ચર્યની વાત એ છે કે આ ૧૦ ગિગાટોનમાંથી માત્ર ૨ ગિગાટોન કાર્બન જ સમુદ્રના એટલા ઊંડાણમાં પહોંચી શકે છે જ્યાં તે સદીઓ કે હજારો વર્ષો સુધી સુરક્ષિત રીતે સંગ્રહિત (stored) રહે.

આટલો મોટો તફાવત શા માટે? શા માટે બાકીનો ૮ ગિગાટોન કાર્બન રસ્તામાં જ નાશ પામે છે અને કયા પરિબળો આ પ્રક્રિયાને નિયંત્રિત કરે છે? આ સવાલ દાયકાઓથી મહાસાગર વિજ્ઞાનીઓ માટે એક કોયડો બન્યો હતો. હવે, યુસી સેન ડિએગોની સ્ક્રિપ્સ ઇન્સ્ટિટ્યુશન ઓફ ઓશનોગ્રાફી (Scripps Institution of Oceanography) અને યુનિવર્સિટી ઓફ લિંકનના વૈજ્ઞાનિકોએ આ કોયડાનો અદ્ભુત ઉકેલ શોધી કાઢ્યો છે. ૮ ઓક્ટોબરના રોજ પ્રતિષ્ઠિત સાયન્સ (Science) સામયિકમાં પ્રકાશિત થયેલા તેમના સંશોધન અનુસાર, મેરિન સ્નોની 'વિસ્કોસિટી' (viscosity: પદાર્થની ચીકાશ કે ઘટ્ટતા) એ નક્કી કરે છે કે કાર્બન સમુદ્રના તળિયે પહોંચશે કે રસ્તામાં જ વિખેરાઈ જશે.

વિજ્ઞાન જગતની વર્ષો જૂની મૂંઝવણ અને નવો સાયન્સ અભ્યાસ

પૃથ્વીના આબોહવા નિયંત્રણમાં 'બાયોલોજિકલ કાર્બન પંપ' (biological carbon pump) અત્યંત મહત્વનો ભાગ ભજવે છે. સૂર્યપ્રકાશ ધરાવતા યુફોટિક ઝોન (euphotic zone: પ્રકાશિત દરિયાઈ વિસ્તાર)માં રહેતા સૂક્ષ્મ જીવો પ્રકાશસંશ્લેષણ દ્વારા વાતાવરણમાંથી કાર્બન ડાયોક્સાઇડ શોષી લે છે. જ્યારે આ જીવો મૃત્યુ પામે છે અથવા તેમનો ઉત્સર્જિત કચરો ભેગો થાય છે, ત્યારે તે કણોના સ્વરૂપમાં નીચે અંધકારમય એફોટિક ઝોન (aphotic zone)માં બેસવા લાગે છે. જો આ કાર્બન ૧,૦૦૦ મીટર (૩,૩૦૦ ફૂટ)થી વધુ ઊંડાણમાં પહોંચી જાય, તો તે વાતાવરણથી અલગ થઈને અસંખ્ય વર્ષો સુધી ત્યાં જ અટકાઈ રહે છે.

જોકે, દરિયાઈ પાણીમાં તરતા બેક્ટેરિયા (bacteria) આ મેરિન સ્નોના કણોને પોતાના ખોરાક તરીકે વાપરે છે. કણો જેમ-જેમ નીચે ઉતરે છે, તેમ-તેમ બેક્ટેરિયા તેને તોડીને તેનું 'રિમાઇનરલાઇઝેશન' (remineralisation: પુનઃખનિજીકરણ) કરી નાખે છે. પરિણામે, કણમાં રહેલો કાર્બન ફરીથી વાયુ સ્વરૂપે સમુદ્રના ઉપરના પાણીમાં ઓગળી જાય છે. સંશોધકો ઘણા સમયથી જાણવા માંગતા હતા કે કયા ભૌતિક ગુણધર્મો બેક્ટેરિયાના આ આક્રમણને ધીમું પાડી શકે છે.

નવા અભ્યાસમાં જાણવા મળ્યું છે કે અતિશય ચીકણા અને ઘટ્ટ (high viscosity) મેરિન સ્નોના કણો ઓછી ચીકાશ ધરાવતા કણોની સરખામણીમાં ૬ ગણાથી વધુ (more than six times) કાર્બનને સમુદ્રના ઊંડાણ સુધી પહોંચાડવાની ક્ષમતા ધરાવે છે. વિજ્ઞાનના ઇતિહાસમાં આ પહેલીવાર બન્યું છે જ્યારે વૈજ્ઞાનિકોએ જીવંત બેક્ટેરિયા અને મેરિન સ્નોના ભૌતિક શ્લેષ્મ (mucus) માળખા વચ્ચેની સૂક્ષ્મ પ્રક્રિયાઓનું પ્રત્યક્ષ નિરીક્ષણ કર્યું હોય.

૪ વર્ષની મહેનત: 'મ્યુકોસ્કેપ'નું ત્રિપરીમાણીય ચિત્રણ

આ વિજ્ઞાનની શરૂઆત વર્ષ ૨૦૨૧ માં થઈ હતી, જ્યારે સ્ક્રિપ્સ ઓશનોગ્રાફીના પોસ્ટડોક્ટરલ સ્કોલર બ્રાયસ ઇનમેન (Bryce Inman) અને તેમના સાથી માઇક્રોબાયોલોજિસ્ટ પ્રોફેસર ઇમેરિટસ ફારૂક આઝમ (Farooq Azam) એ એક સાહસિક પ્રોજેક્ટ હાથ ધર્યો. ઇનમેન તેને 'મ્યુકોસ્કેપ' (muscoscape: શ્લેષ્મનો સૂક્ષ્મ ભૂપ્રદેશ) કહે છે. ઇનમેનના જણાવ્યા મુજબ, "કોઈપણ બેક્ટેરિયા શ્લેષ્મના ભૌતિક માળખા સાથે કેવી રીતે આંતરક્રિયા કરે છે તે જોવું અગાઉ ક્યારેય શક્ય બન્યું ન હતું."

સતત ચાર વર્ષ સુધી નિષ્ફળતાઓ મળ્યા બાદ, ૨૦૨૫ માં વૈજ્ઞાનિકોની આ ટીમને સફળતા મળી. તેમણે ૩ડી કન્ફોકલ માઇક્રોસ્કોપી (3D confocal microscopy) અને ખાસ પ્રકારના ફ્લોરોસન્ટ મોલેક્યુલ્સ (fluorescent molecules)નું મિશ્રણ તૈયાર કર્યું. કન્ફોકલ માઇક્રોસ્કોપી લેઝર પ્રકાશનો ઉપયોગ કરીને સેમ્પલના જુદા જુદા સ્તરોની અત્યંત ઝીણવટભરી વિગતો કેપ્ચર કરે છે, જ્યારે ફ્લોરોસન્ટ અણુઓ કચરાના કણો અને બેક્ટેરિયાને અલગ-અલગ રંગે ચમકાવે છે.

આ ટેકનિકની મદદથી સંશોધકો પ્રથમ વખત મેરિન સ્નોના કણોના દરેક ખાડા-ટેકરા, ગુફાઓ અને અંદરની રચનાનું ૧૦૦% ત્રિપરીમાણીય મેપિંગ કરી શક્યા. આ સાથી સંશોધન પદ્ધતિ 'નેચર કમ્યુનિકેશન્સ' (Nature Communications) સામયિકમાં વિગતવાર પ્રકાશિત કરવામાં આવી છે. આ પદ્ધતિ દ્વારા વૈજ્ઞાનિકો જોઈ શક્યા કે કણની ચીકાશ બેક્ટેરિયાના ફેલાવાને કેવી રીતે ભૌતિક રીતે રોકે છે.

'સફરજન અને કીડા'ની ઉપમા: કણોની ચીકાશ કેવી રીતે કામ કરે છે?

આકાશમાંથી વરસતા દરેક હિમકણની જેમ મેરિન સ્નોનો કોઈ પણ કણ એકસરખો હોતો નથી. દરેક કણમાં જૈવિક અને અજૈવિક પદાર્થોનું અલગ-અલગ પ્રવાહી મિશ્રણ હોય છે, જેના કારણે તેમની ઘટ્ટતા અને ચીકાશમાં ભારે તફાવત હોય છે. પ્રયોગશાળામાં કરવામાં આવેલા પ્રયોગો અને કોમ્પ્યુટર સિમ્યુલેશન દ્વારા સંશોધકોએ જોયું કે બેક્ટેરિયા કણના ઓછા વિસ્કોસિટી (ઓછા ચીકણા) ધરાવતા બહારના વિસ્તારો પર ખૂબ જ સરળતાથી વસાહત જમાવી લે છે.

પરંતુ જ્યારે બેક્ટેરિયા કણના મધ્યભાગમાં રહેલા વધુ વિસ્કોસિટી ધરાવતા અતિ ચીકણા વિસ્તાર તરફ આગળ વધવાનો પ્રયાસ કરે છે, ત્યારે તેઓ અટકી જાય છે. ઇનમેન આ પ્રક્રિયાને એક સુંદર ઉદાહરણ દ્વારા સમજાવે છે: "તેને સફરજનમાં પડતા કીડાની જેમ વિચારો. કીડા માટે સફરજનની બહારની પોચી છાલ અને ગર કાપીને અંદર જવું સરળ છે, પરંતુ સફરજનના મધ્યભાગના સખત ઠળિયા (core)ને કોતરીને બહાર નીકળવું અત્યંત મુશ્કેલ છે."

અતિ ચીકણા મેરિન સ્નોના કણોને તોડીને તેનું વિઘટન કરવામાં બેક્ટેરિયાને ખૂબ વધારે સમય લાગે છે. પરિણામે, આ કણો રસ્તામાં નષ્ટ થયા વિના ઝડપથી સમુદ્રના તળિયા તરફ સરકતા રહે છે. કમ્પ્યુટર મોડેલિંગ દર્શાવે છે કે કણ જેટલો વધુ ઘટ્ટ હશે, તેટલો જ તે દરિયામાં વધુ ઊંડે સુધી જશે. આ જ કારણ છે કે વધુ વિસ્કોસિટી ધરાવતા કણો ૬ ગણાથી વધુ કાર્બનને ઊંડા સમુદ્રમાં સફળતાપૂર્વક પહોંચાડે છે.

પૃથ્વીના બાયોલોજિકલ કાર્બન પંપ પર તેની વ્યાપક અસર

મહાસાગરોમાં ચાલતો આ બાયોલોજિકલ કાર્બન પંપ માનવજાત માટે પર્યાવરણીય કવચ સમાન છે. જો આ પંપ અટકી જાય અથવા ધીમો પડી જાય, તો સમુદ્રમાંથી કરોડો ટન કાર્બન ડાયોક્સાઇડ પુનઃ વાતાવરણમાં ભળી શકે છે, જેનાથી ગ્લોબલ વોર્મિંગમાં ભયાનક વધારો થઈ શકે છે. સાયન્સ સામયિકમાં છપાયેલા ડેટા મુજબ, સપાટી પર ઉત્પાદિત થતા કુલ કાર્બનમાંથી માત્ર ૧% થી ૪૦% કાર્બન જ યુફોટિક ઝોનની બહાર જાય છે અને માત્ર ૧% કચરો જ વાસ્તવિક સમુદ્રના તળિયે (ocean floor) કાદવ સ્વરૂપે જમા થાય છે.

મૂળભૂત રીતે, કણોમાં રહેલા વિવિધ ખનિજોનું વજન પણ તેમના નીચે બેસવાની ગતિ (sinking rate) વધારે છે. આ અસરને 'બાલાસ્ટિંગ ઇફેક્ટ' (ballasting effect) કહેવામાં આવે છે. જ્યારે ધૂળના કણો અથવા ભારે અજૈવિક કચરો મેરિન સ્નો સાથે ભળે છે, ત્યારે તે વધુ ઝડપથી નીચે બેસે છે, જેથી બેક્ટેરિયાને તેને ખાવાનો ઓછો સમય મળે છે. પરંતુ હવે આ નવા અભ્યાસે સાબિત કર્યું છે કે માત્ર વજન જ નહીં, પરંતુ કણની આંતરિક ચીકાશ પણ આ સમીકરણમાં એટલી જ નિર્ણાયક છે.

ગ્લોબલ વોર્મિંગને કારણે દરિયાઈ તાપમાન વધી રહ્યું છે, જેના લીધે પાણીના સ્તરોનું મિશ્રણ (stratification) ઘટી રહ્યું છે. જો દરિયાનું ઉષ્ણતામાન વધશે તો પ્લવકો દ્વારા મુક્ત થતા શ્લેષ્મની કેમિકલ રચના અને વિસ્કોસિટી બદલાઈ શકે છે. જો મેરિન સ્નો પોતાની ચીકાશ ગુમાવી દેશે, તો ઊંડા સમુદ્રમાં કાર્બન સ્ટોર કરવાની પૃથ્વીની ક્ષમતા ઘટી શકે છે.

માનવ આરોગ્યથી લઈને આબોહવા સુધારણા સુધીના ભવિષ્યના સંકેતો

આ શોધ માત્ર સમુદ્ર વિજ્ઞાન કે કાર્બન ચક્ર સુધી સીમિત નથી. જીવવિજ્ઞાનમાં શ્લેષ્મ (mucus) અથવા ચીકણા પદાર્થો અસંખ્ય જગ્યાએ જોવા મળે છે. પૃથ્વી પરના કોરલ રીફ (જળચરોની પરવાળાની દીવાલો), કેલ્પના જંગલો (kelp forests), વનસ્પતિઓના મૂળ અને માનવ તથા પ્રાણીઓના પાચનતંત્ર (digestive tract)માં બેક્ટેરિયા અને મ્યુકસ વચ્ચેની આંતરક્રિયા અત્યંત મહત્વપૂર્ણ હોય છે.

ઇનમેને નોંધ્યું હતું કે, "શ્લેષ્મ કે ચીકાશ જેને આપણે એક સાદો પદાર્થ માનતા હતા, તેની પાસે બેક્ટેરિયાના સ્કેલ કરતાં પણ નાની અત્યંત જટિલ આંતરિક રચનાઓ, ગુફાઓ અને ઉપસેલા ભાગો છે. વિજ્ઞાનના ઇતિહાસમાં આ પહેલીવાર છે જ્યારે આપણે આ ભૌતિક રહેઠાણનું આટલી ઝીણવટથી નિરીક્ષણ કરી રહ્યા છીએ."

આ સિવાય, માનવસર્જિત આબોહવા પરિવર્તનને રોકવા માટે વૈજ્ઞાનિકો કેટલીક જીઓઇજનેરી (geoengineering) યોજનાઓ વિચારી રહ્યા છે, જેમ કે સમુદ્રમાં લોહતત્ત્વ ઉમેરીને (iron fertilization) પ્લવકોનો વિકાસ વધારવો જેથી વધુ મેરિન સ્નો બને. પરંતુ જો આ કણોમાં યોગ્ય વિસ્કોસિટી જ નહીં હોય, તો તે પ્રયાસો નિષ્ફળ જઈ શકે છે. સાયન્સ અને નેચર કમ્યુનિકેશન્સના આ નવા અભ્યાસોએ સાબિત કર્યું છે કે પ્રકૃતિના સૌથી નાજુક અને ચીકણા કણો પણ પૃથ્વીના વિશાળ આબોહવા ચક્રને ચાલે છે. સ્મોન્સ ફાઉન્ડેશન અને EPSRC ના આર્થિક સહયોગથી થયેલું આ સંશોધન ભવિષ્યમાં પર્યાવરણ અને મેડિકલ સાયન્સ બંને માટે નવો માર્ગ મોકળો કરશે.