समंदर में बरसती 'चिपचिपी हिम': पृथ्वी के कार्बन चक्र का सबसे बड़ा छिपा रहस्य सुलझा

पृथ्वी पर सर्दियों में आकाश से बरसने वाले सफेद हिम कणों के बारे में हम सब जानते हैं, किंतु क्या आपने कभी समुद्र के अंधेरे से भरे गहरे तल में होने वाली अनवरत हिमवर्षा के बारे में सुना है? पृथ्वी के महासागरों में सतह से हजारों मीटर नीचे एक अनोखी और कभी न रुकने वाली हिमवर्षा होती है। विज्ञान की भाषा में इसे 'मेरिन स्नो' (marine snow: समुद्री हिम) कहा जाता है। हालांकि, यह जमीन पर पड़ने वाले बर्फ जैसे क्रिस्टल नहीं हैं, बल्कि समुद्री जीवों के मलमूत्र, मृत प्लवक (phytoplankton), श्लेष्मा (mucus), गाद और जैविक-अजैविक कचरे के अत्यंत सूक्ष्म कणों का जत्था है, जो समुद्र की प्रकाशित सतह से लगातार तली की ओर बहता रहता है।

यह सामान्य दिखने वाला चिपचिपा कचरा पृथ्वी के पर्यावरण को बचाने में एक अदृश्य योद्धा की भूमिका निभाता है। जब ये कण समुद्र की सतह से तली की तरफ गति करते हैं, तो वे अपने साथ टनों कार्बन डाइऑक्साइड को भी गहराई में खींच ले जाते हैं। वैज्ञानिकों के अनुमान के अनुसार, मेरिन स्नो हर साल पृथ्वी की समुद्री सतह से १० गीगाटन (१ गीगाटन यानी १ अरब टन) से भी अधिक कार्बन को गहरे समुद्र की ओर ले जाती है। परंतु आश्चर्य की बात यह है कि इस १० गीगाटन में से केवल २ गीगाटन कार्बन ही समुद्र के इतनी गहराई में पहुंच पाता है जहाँ वह सदियों या हजारों वर्षों तक सुरक्षित रूप से संग्रहित (stored) रहता है।

इतना बड़ा अंतर क्यों? क्यों बाकी का ८ गिएगाटन कार्बन रास्ते में ही नष्ट हो जाता है और कौन से कारक इस प्रक्रिया को नियंत्रित करते हैं? यह सवाल दशकों से महासागर वैज्ञानिकों के लिए एक पहेली बना हुआ था। अब, यूसी सैन डिएगो की स्क्रिप्प्स इंस्टीट्यूशन ऑफ ओशिनोग्राफी (Scripps Institution of Oceanography) और यूनिवर्सिटी ऑफ लिंकन के वैज्ञानिकों ने इस पहेली का अद्भुत समाधान ढूंढ निकाला है। ८ अक्टूबर को प्रतिष्ठित साइंस (Science) पत्रिका में प्रकाशित उनके शोध के अनुसार, मेरिन स्नो की 'विस्कोसिटी' (viscosity: पदार्थ की चिपचिपाहट या गाढ़ापन) यह तय करती है कि कार्बन समुद्र की तली तक पहुंचेगा या रास्ते में ही बिखर जाएगा।

विज्ञान जगत की वर्षों पुरानी उलझन और नया साइंस अध्ययन

पृथ्वी के जलवायु नियंत्रण में 'बायोलॉजिकल कार्बन पंप' (biological carbon pump) अत्यंत महत्वपूर्ण हिस्सा निभाता है। सूर्यप्रकाश वाले यूफोटिक जोन (euphotic zone: प्रकाशित समुद्री क्षेत्र) में रहने वाले सूक्ष्म जीव प्रकाशसंश्लेषण द्वारा वायुमंडल से कार्बन डाइऑक्साइड सोख लेते हैं। जब ये जीव मृत्यु को प्राप्त होते हैं या उनका उत्सर्जित कचरा इकट्ठा होता है, तो वे कणों के रूप में नीचे अंधेरे वाले एफोटिक जोन (aphotic zone) में बैठने लगते हैं। यदि यह कार्बन १,००० मीटर (३,३०० फीट) से अधिक गहराई में पहुंच जाए, तो वह वायुमंडल से अलग होकर अनगिनत वर्षों तक वहीं अटका रहता है।

हालांकि, समुद्री पानी में तैरते बैक्टीरिया इन 'मेरिन स्नो' (marine snow) के कणों को अपने भोजन के रूप में उपयोग करते हैं। जैसे-जैसे कण नीचे उतरते हैं, बैक्टीरिया उन्हें तोड़कर उनका 'रिमाइनरलाइजेशन' (remineralisation: पुन:खनिजीकरण) कर देते हैं। परिणामस्वरूप, कण में मौजूद कार्बन फिर से गैसीय रूप में समुद्र के ऊपरी पानी में घुल जाता है। शोधकर्ता लंबे समय से यह जानना चाहते थे कि कौन से भौतिक गुण बैक्टीरिया के इस आक्रमण को धीमा कर सकते हैं।

नए अध्ययन में पाया गया है कि अत्यधिक चिपचिपे और गाढ़े (high viscosity) मेरिन स्नो के कण, कम चिपचिपाहट वाले कणों की तुलना में 6 गुना से अधिक (more than six times) कार्बन को समुद्र की गहराई तक पहुँचाने की क्षमता रखते हैं। विज्ञान के इतिहास में यह पहली बार हुआ है जब वैज्ञानिकों ने जीवित बैक्टीरिया और मेरिन स्नो के भौतिक श्लेष्म (mucus) ढांचे के बीच की सूक्ष्म प्रक्रियाओं का प्रत्यक्ष अवलोकन किया है।

4 वर्ष की मेहनत: 'म्यूकोस्केप' का त्रिविमीय चित्रण

इस विज्ञान की शुरुआत वर्ष 2021 में हुई थी, जब स्क्रिप्स ओशनोग्राफी के पोस्टडॉक्टरल स्कॉलर ब्राइस इनमैन (Bryce Inman) और उनके सहयोगी माइक्रोबायोलॉजिस्ट प्रोफेसर एमेरिटस फारूक आज़म (Farooq Azam) ने एक साहसिक प्रोजेक्ट हाथ में लिया। इनमैन इसे 'म्यूकोस्केप' (mucoscape: श्लेष्म का सूक्ष्म भू-दृश्य) कहते हैं। इनमैन के अनुसार, "कोई भी बैक्टीरिया श्लेष्म के भौतिक ढांचे के साथ कैसे अंतःक्रिया करता है, यह देखना पहले कभी संभव नहीं था।"

लगातार चार वर्षों तक विफलताओं का सामना करने के बाद, 2025 में वैज्ञानिकों की इस टीम को सफलता मिली। उन्होंने 3D कन्फोकल माइक्रोस्कोपी (3D confocal microscopy) और विशेष प्रकार के फ्लोरोसेंट मॉलिक्यूल्स (fluorescent molecules) का मिश्रण तैयार किया। कन्फोकल माइक्रोस्कोपी लेज़र प्रकाश का उपयोग करके सैंपल के विभिन्न स्तरों की अत्यंत सूक्ष्म विवरणों को कैप्चर करती है, जबकि फ्लोरोसेंट अणु कचरे के कणों और बैक्टीरिया को अलग-अलग रंगों में चमकाते हैं।

इस तकनीक की मदद से शोधकर्ता पहली बार मेरिन स्नो के कणों के हर उतार-चढ़ाव, गुफाओं और आंतरिक संरचना की 100% त्रिविमीय मैपिंग कर सके। यह शोध पद्धति 'नेचर कम्युनिकेशंस' (Nature Communications) पत्रिका में विस्तार से प्रकाशित की गई है। इस पद्धति के माध्यम से वैज्ञानिक देख पाए कि कण की चिपचिपाहट बैक्टीरिया के प्रसार को कैसे भौतिक रूप से रोकती है।

'सेब और कीड़े' की उपमा: कणों की चिपचिपाहट कैसे काम करती है?

आकाश से बरसने वाले हर हिमपात की तरह मेरिन स्नो का कोई भी कण एक समान नहीं होता है। प्रत्येक कण में जैविक और अजैविक पदार्थों का अलग-अलग तरल मिश्रण होता है, जिसके कारण उनकी सघनता और चिपचिपाहट में भारी अंतर होता है। प्रयोगशाला में किए गए प्रयोगों और कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से शोधकर्ताओं ने देखा कि बैक्टीरिया कण के कम विस्कोसिटी (कम चिपचिपे) वाले बाहरी क्षेत्रों पर बहुत आसानी से अपनी कॉलोनी बना लेते हैं।

परंतु जब बैक्टीरिया कण के मध्यभाग में स्थित अधिक विस्कोसिटी वाले अति चिपचिपे क्षेत्र की ओर बढ़ने का प्रयास करते हैं, तो वे अटक जाते हैं। इनमैन इस प्रक्रिया को एक सुंदर उदाहरण द्वारा समझाते हैं: "इसे सेब में पड़ने वाले कीड़े की तरह सोचिए। कीड़े के लिए सेब के बाहर के मुलायम छिलके और गूदे को काटकर अंदर जाना आसान है, लेकिन सेब के मध्यभाग की सख्त गुठली (core) को कुरेदकर बाहर निकलना अत्यंत कठिन है।"

अति चिपचिपे मरीन स्नो के कणों को तोड़कर उसका विघटन करने में बैक्टीरिया को बहुत अधिक समय लगता है। परिणामस्वरूप, ये कण रास्ते में नष्ट हुए बिना तेजी से समुद्र के तल की ओर सरकते रहते हैं। कंप्यूटर मॉडलिंग दर्शाती है कि कण जितना अधिक सघन होगा, उतना ही वह दरिया में अधिक गहराई तक जाएगा। यही कारण है कि अधिक विस्कोसिटी वाले कण 6 गुना से अधिक कार्बन को गहरे समुद्र में सफलतापूर्वक पहुँचाते हैं।

पृथ्वी के बायोलॉजिकल कार्बन पंप पर इसकी व्यापक असर

महासागरों में चलने वाला यह बायोलॉजिकल कार्बन पंप मानवजाति के लिए पर्यावरणीय कवच समान है। यदि यह पंप अटक जाए या धीमा पड़ जाए, तो समुद्र से करोड़ों टन कार्बन डाइऑक्साइड पुनः वायुमंडल में मिल सकती है, जिससे ग्लोबल वार्मिंग में भयानक वृद्धि हो सकती है। साइंस पत्रिका में छपे डेटा के अनुसार, सतह पर उत्पादित होने वाले कुल कार्बन में से केवल 1% से 40% कार्बन ही यूफोटिक ज़ोन के बाहर जाता है और केवल 1% कचरा ही वास्तविक समुद्र के तल (ocean floor) पर कीचड़ स्वरूप में जमा होता है।

मूलभूत रूप से, कणों में मौजूद विभिन्न खनिजों का वजन भी उनके नीचे बैठने की गति (sinking rate) को बढ़ाता है। इस असर को 'बालास्टिंग इफ़ेक्ट' (ballasting effect) कहा जाता है। जब धूल के कण या भारी अजैविक कचरा मरीन स्नो के साथ मिलते हैं, तो वे अधिक तेजी से नीचे बैठते हैं, जिससे बैक्टीरिया को उसे खाने का कम समय मिलता है। परंतु अब इस नए अध्ययन ने साबित कर दिया है कि केवल वजन ही नहीं, बल्कि कण की आंतरिक चिपचिपाहट भी इस समीकरण में उतनी ही निर्णायक है।

ग्लोबल वार्मिंग के कारण समुद्री तापमान बढ़ रहा है, जिसके चलते पानी के स्तरों का मिश्रण (stratification) घट रहा है। यदि समुद्र का तापमान बढ़ेगा तो प्लवकों द्वारा मुक्त किए जाने वाले श्लेष्म की केमिकल रचना और विस्कोसिटी बदल सकती है। यदि मरीन स्नो अपनी चिपचिपाहट खो देगा, तो गहरे समुद्र में कार्बन स्टोर करने की पृथ्वी की क्षमता घट सकती है।

मानव स्वास्थ्य से लेकर जलवायु सुधार तक के भविष्य के संकेत

यह खोज केवल समुद्र विज्ञान या कार्बन चक्र तक सीमित नहीं है। जीवविज्ञान में श्लेष्म (mucus) या चिपचिपे पदार्थ असंख्य जगहों पर देखने को मिलते हैं। पृथ्वी पर कोरल रीफ (प्रवाल भित्तियाँ), केल्प के जंगलों (kelp forests), वनस्पतियों की जड़ों और मानव तथा पशुओं के पाचन तंत्र (digestive tract) में बैक्टीरिया और म्यूकस के बीच की अंतःक्रिया अत्यंत महत्वपूर्ण होती है।

इनमेन ने नोट किया था कि, "श््लेष्म या चिपचिपाहट जिसे हम एक सादा पदार्थ मानते थे, उसके पास बैक्टीरिया के स्केल से भी छोटी अत्यंत जटिल आंतरिक संरचनाएँ, गुफाएँ और उभरे हुए भाग हैं। विज्ञान के इतिहास में यह पहली बार है जब हम इस भौतिक आवास का इतनी बारीकी से निरीक्षण कर रहे हैं।"

इसके अलावा, मानव-निर्मित जलवायु परिवर्तन को रोकने के लिए वैज्ञानिक कुछ जियोइंजीनियरिंग (geoengineering) योजनाओं पर विचार कर रहे हैं, जैसे समुद्र में लौह तत्व मिलाकर (iron fertilization) प्लवक का विकास बढ़ाना ताकि अधिक मरीन स्नो बने। परंतु यदि इन कणों में उचित विस्कोसिटी ही नहीं होगी, तो वे प्रयास विफल हो सकते हैं। साइंस और नेचर कम्युनिकेशंस के इन नए अध्ययनों ने साबित किया है कि प्रकृति के सबसे नाजुक और चिपचिपे कण भी पृथ्वी के विशाल जलवायु चक्र को चलाते हैं। सिमोंस फाउंडेशन और EPSRC के आर्थिक सहयोग से हुआ यह अनुसंधान भविष्य में पर्यावरण और मेडिकल साइंस दोनों के लिए नया मार्ग प्रशस्त करेगा।