เราสามารถขอบคุณจุลินทรีย์ในการเคลื่อนย้ายคาร์บอนไปยังส่วนลึกของมหาสมุทร แต่โลกที่เปลี่ยนแปลงของเราจะยุ่งเหยิงกับงานที่ดีของพวกเขาหรือไม่? และเราควรเข้าไปแทรกแซง?
ทุกๆ สองสัปดาห์ นักวิจัยหลังปริญญาเอก Yosuke Yamada คว้าถังและขับรถไม่นานจากห้องทดลองของเขาที่สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีโอกินาวา ไปยังท่าเรือแห่งหนึ่งที่อยู่ใกล้เคียงบนเกาะทางตอนใต้ของญี่ปุ่นที่มีชื่อเดียวกัน เขาผ่านชายหาดอันโด่งดังของโอกินาว่า ที่ซึ่งนักดำน้ำตื้นไปเยี่ยมชมปลาการ์ตูนและแนวปะการัง และเดินทางต่อไปยังท่าเรือประมง หลังจากที่ยามาดะตักน้ำหนึ่งถังจากระหว่างเรือ เขากลับไปที่ห้องแล็บเพื่อศึกษาองค์ประกอบของระบบนิเวศของเกาะที่มีขนาดเล็กมาก ซึ่งจะต้องสังเกตโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ เช่น แบคทีเรีย ไวรัส สาหร่าย และเชื้อรา ซึ่งเป็นจุลินทรีย์ในมหาสมุทร
ที่ห้องปฏิบัติการ ยามาดะย้ายสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กไปยังกล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณู ซึ่งต่างจากกล้องจุลทรรศน์หลายตัว ตัวนี้จะผ่านโพรบหนึ่งนาทีบนพื้นผิวของตัวอย่าง Yamada สามารถวัดขนาด รูปร่าง และความเหนียวของจุลินทรีย์ที่ตายแล้วและมีชีวิตในตัวอย่างน้ำได้โดยการวัดว่าตัวอย่างตอบสนองอย่างไรเมื่อโพรบดันเข้าหาตัวอย่าง ในบรรดาคำถามที่ยามาดะหวังจะตอบนั้นเป็นคำถามที่ดูเหมือนง่าย—แต่ซับซ้อนและสำคัญยิ่ง—อะไรที่ทำให้จุลินทรีย์จมลง?
สิ่งมีชีวิตในมหาสมุทรทั้งหมด ตั้งแต่วาฬไปจนถึงแบคทีเรีย ส่วนใหญ่ประกอบด้วยคาร์บอน คาร์บอนบางส่วนจะถูกปล่อยออกมาเมื่อสิ่งมีชีวิตหายใจ แต่เมื่อสิ่งมีชีวิตในมหาสมุทรหรือของเสียของพวกมันไปสิ้นสุดที่ส่วนลึกของมหาสมุทร คาร์บอนที่พวกมันสร้างขึ้นจะถูกตัดออกจากแอ่งในชั้นบรรยากาศที่หุ้มฉนวนและทำให้โลกอบอุ่น นักวิทยาศาสตร์เรียกกระบวนการนี้ว่าปั๊มคาร์บอนชีวภาพ และตัวขับเคลื่อนของปั๊มคือจุลินทรีย์ในมหาสมุทร
การสูบฉีดเริ่มขึ้นเมื่อแพลงก์ตอนพืชสังเคราะห์แสง ซึ่งเป็นกลุ่มจุลินทรีย์ที่อุดมสมบูรณ์ในระดับบนของมหาสมุทร เติบโตและสืบพันธุ์โดยใช้คาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศที่ละลายในน้ำ ในแต่ละปี จุลินทรีย์เหล่านี้จะดักจับคาร์บอนประมาณ 50 พันล้านตันผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง มากเท่ากับที่พืชบนบกจับได้ เมื่อคาร์บอนถูกรวมเข้ากับสิ่งมีชีวิต ก็สามารถเริ่มดำเนินการในกระบวนการที่เรียกว่าการส่งออกคาร์บอน บางครั้งการเดินทางก็ตรงไปตรงมา: จุลินทรีย์ที่ตายแล้วและกลุ่มจุลินทรีย์ที่มีชีวิตจะตกลงสู่ก้นมหาสมุทร ในบางครั้งอาจเป็นทางอ้อม สัตว์ต่างๆ เช่น ปลาและวาฬกินจุลินทรีย์เข้าไปในห่วงโซ่อาหาร ดังนั้นคาร์บอนของจุลินทรีย์จะคงอยู่ในห่วงโซ่อาหารจนกว่าสัตว์เหล่านั้นจะตาย อึ หรือลอกออกจากผิวหนังหรือเกล็ด ส่งผลให้มีเศษอาหารลดลง
นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาปั๊มคาร์บอนชีวภาพมาเป็นเวลาหลายสิบปีแล้ว แต่พวกเขาเพิ่งเริ่มเข้าใจว่าคาร์บอนที่ส่งออกไปนั้นมีจำนวนเท่าใด จุลินทรีย์และสัตว์ชนิดใดมีบทบาทมากที่สุด และอะไรเป็นตัวกำหนดว่าอนุภาคที่อุดมด้วยคาร์บอนยังคงอยู่ในใยอาหารหรือได้รับ ถูกขังอยู่ในส่วนลึกของมหาสมุทร คำถามสำคัญยังคงอยู่ เช่น ปั๊มชีวภาพจะเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อโลกร้อนขึ้น แม้จะมีความไม่แน่นอน แต่ผลที่คาดการณ์ไว้ของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศนั้นเลวร้ายมากที่นักวิทยาศาสตร์และผู้กำหนดนโยบายบางคนแนะนำให้ใช้ปั๊มเพื่อบรรเทาผลกระทบที่รุนแรงที่สุดของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ แม้ว่านักวิทยาศาสตร์สามารถเรียนรู้ที่จะจัดการกับปั๊มและเพิ่มกระบวนการทางธรรมชาติขั้นพื้นฐานได้ ประโยชน์ที่ได้รับก็คุ้มค่ากับความเสี่ยงหรือไม่?
อาจเป็นเรื่องที่ไม่คาดคิดว่าร้านขายเนื้อในปารีสที่เปลี่ยนร้านเสื้อผ้าจะนำเสนอในการทำความเข้าใจการส่งออกคาร์บอน เมื่อแอกเนส บี. แฟชั่นดีไซเนอร์ชาวฝรั่งเศส เปิดร้านแรกของเธอในปี 1975 เพียงไม่กี่ช่วงตึกจากพิพิธภัณฑ์ลูฟร์ เธออาจไม่ได้คาดหวังในท้ายที่สุดว่าจะใช้เงินที่ได้จากเสื้อผ้าของเธอเป็นทุนสำหรับการสำรวจทางวิทยาศาสตร์ที่กว้างขวางที่สุดครั้งหนึ่งตลอดกาล แต่ในปี 2546 หลายปีหลังจากที่เธอประสบความสำเร็จ นักออกแบบและลูกชายของเธอ เอเตียน บูร์กัวส์ ได้ซื้อเรือใบที่พวกเขาตั้งชื่อว่าTara โดยได้รับแรงบันดาลใจจากความหลงใหลในการเดินเรือของบิดาของอักเนส ทั้งคู่จึงสนับสนุนให้นักวิทยาศาสตร์ใช้เรือลำนี้เพื่อศึกษาและเรียนรู้ที่จะอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมที่พวกเขาชื่นชอบ
ตั้งแต่ปี 2552 ถึง 2556 เรือTaraได้สำรวจโลก ตามชายฝั่งมหาสมุทรแปซิฟิก ผ่านปลายทวีปอเมริกาใต้ ข้ามมหาสมุทรแอตแลนติก และแล่นผ่านคลองสุเอซ ระหว่างทาง นักวิทยาศาสตร์บนเรือได้สุ่มตัวอย่างจุลินทรีย์ในมหาสมุทร และพวกเขายังศึกษาว่าจุลินทรีย์เหล่านั้นจมลงได้เร็วแค่ไหน
Lee Karp-Boss นักนิเวศวิทยาจากแพลงก์ตอนพืชจากมหาวิทยาลัยเมนกล่าวว่า “ความโดดเด่นของทารา ประการ แรกคือขนาดของการศึกษา นักวิจัยในมหาสมุทรมักพบว่าตนเองอาศัยข้อมูลที่กระจัดกระจายซึ่งรวบรวมโดยกลุ่มต่างๆ มากมายในสถานที่ต่างๆ Tara ได้ จัดเตรียมชุดข้อมูลที่เชื่อมโยงการวัดทั่วโลกเข้าด้วยกัน เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์ได้เห็นภาพที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นว่ามหาสมุทรทำงานอย่างไร
การสำรวจนี้ครอบคลุมทั่วโลกและลึกถึง 1,000 เมตร เอ็มมานูเอล บอส สามีของคาร์ป-บอส และศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยเมนกล่าวเสริม โดยอธิบายถึงภารกิจล่าสุด ของ ทารา เขาและคาร์ปบอสเคยทำหน้าที่เป็นผู้ประสานงานด้านการวิจัยโครงการธารา
สิ่งพิมพ์ ใน ปี 2559ดึงข้อมูลทั่วโลกของการสำรวจเพื่ออธิบายจุลินทรีย์ที่ช่วยให้คาร์บอนเคลื่อนที่ข้ามกิโลเมตรระหว่างพื้นผิวมหาสมุทรกับพื้นทะเล นักวิจัยได้บันทึกอนุภาคที่อุดมด้วยคาร์บอน ซึ่งเป็นกลุ่มของจุลินทรีย์ที่ตายแล้วและมีชีวิต อุจจาระจากสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่ และเศษซากอื่นๆ ที่ลอยลงมาโดยการแขวนกล้องไว้ในคอลัมน์น้ำ ซอฟต์แวร์วิเคราะห์ภาพช่วยให้นักวิทยาศาสตร์คำนวณอัตราที่คาร์บอนตกลงสู่มหาสมุทร การเชื่อมโยงข้อมูลนี้กับชนิดของจุลินทรีย์ที่มีอยู่ทำให้นักวิจัยมีความคิดว่าสิ่งมีชีวิตใดมีความรับผิดชอบมากที่สุดในการส่งคาร์บอนลง
Karp-Boss กล่าวว่าการศึกษานี้เป็นหัวใจสำคัญสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาการส่งออกคาร์บอน เนื่องจากเป็นครั้งแรกที่พวกเขาเชื่อมโยงชนิดของจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ในส่วนต่างๆ ของมหาสมุทรกับอัตราการส่งออกคาร์บอน ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่า “ฟลักซ์” ของคาร์บอนจากบนลงล่างของมหาสมุทร ในหลายกรณี ข้อมูลยืนยันสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์คาดหวัง ตัวอย่างเช่น จุลินทรีย์ที่มี exoskeletons แข็งหรือเปลือกซิลิเกตมีความหนาแน่น ดังนั้นพวกมันจึงตกลงอย่างรวดเร็วหลังจากที่พวกมันตาย ความชุกของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้มีความสัมพันธ์กับการส่งออกคาร์บอน แต่Taraก็กลับมาที่ท่าเรือด้วยความประหลาดใจบางอย่าง
เจนนิเฟอร์ บรูม ศาสตราจารย์ด้านสมุทรศาสตร์และวิทยาศาสตร์ชายฝั่งแห่งมหาวิทยาลัยรัฐหลุยเซียน่า และหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ที่วิเคราะห์ข้อมูลการเดินทางของทารากล่าว ไวรัสเป็นที่รู้จักกันดีที่สุดสำหรับโรคที่พวกมันก่อกำเนิด ตั้งแต่หวัดจนถึงโควิด-19 จนถึงโรคเอดส์ แต่ระบบนิเวศตามธรรมชาตินั้นเต็มไปด้วยไวรัส ซึ่งส่วนใหญ่แพร่เชื้อจุลินทรีย์อื่นๆ แทนที่จะเป็นในมนุษย์ ที่จริงแล้ว บรัมบอกว่าถ้าคุณเติมน้ำทะเลเข้าไปในปาก แสดงว่าคุณกำลังติดไวรัสประมาณ 200 ล้านตัว “ไม่มีใครสนใจคุณเลย” Brum กล่าว “พวกมันกลับแพร่เชื้อในแบคทีเรีย 20 ล้านตัวที่อยู่ในปากของคุณ” แม้ว่าไวรัสแต่ละตัวจะมีขนาดเล็กมากจนมองไม่เห็นด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงทั่วไป
ก่อนทาราภูมิปัญญาดั้งเดิมคือจุลินทรีย์ที่ฆ่าโดยไวรัสจะแตกตัวเป็นอนุภาคเล็กๆ ที่แขวนลอยอยู่ในคอลัมน์น้ำ จนกระทั่งสิ่งมีชีวิตอื่นๆ กินเข้าไป ดังนั้น Brum และนักไวรัสวิทยาคนอื่นๆ จึงประหลาดใจที่เห็นอนุภาคที่อุดมด้วยคาร์บอนที่มองเห็นได้จำนวนมากล่องลอยลงมาในบริเวณที่ตัวอย่างน้ำยังแสดงความชุกของไวรัสบางชนิดด้วย แต่แล้วบรูมก็นึกถึงภาพที่เธอเห็นเซลล์ที่ระเบิดออกด้วยไวรัส ความกล้าของจุลินทรีย์เหล่านั้นอาจเหนียวมาก
นับตั้งแต่ ภารกิจ ทารานักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ รวมทั้งยามาดะ ได้ทำการทดสอบว่าการตายของจุลินทรีย์จากไวรัสสร้างเศษเซลล์ที่เหนียวเหนอะหนะที่จับเป็นก้อนและนำคาร์บอนลงมา ในการทดลองแรกๆ ของเขา ยามาดะได้ผสมไดอะตอม ซึ่งเป็นแพลงก์ตอนพืชชนิดหนึ่งเข้ากับไวรัสที่แพร่เชื้อ แทนที่จะสลายตัว ไดอะตอมที่ถูกไวรัสฆ่าจะเกาะติดกันและก่อตัวเป็นสะเก็ดขนาดใหญ่ที่จมลงอย่างรวดเร็ว—อย่างที่ใครๆ คาดคิดว่าเศษเซลล์เหนียวๆ จะทำ
นักวิทยาศาสตร์ทราบมานานแล้วว่ามีความสัมพันธ์ระหว่างขนาดของอนุภาคกับความเร็วที่อนุภาคจะจมลง “อนุภาคขนาดใหญ่กว่าสองเท่ามีความเร็วในการจมสูงขึ้นสี่เท่า” ยามาดะกล่าว หลังจากการสำรวจทาราในปี 2552-2556 กฎฟิสิกส์นี้ได้รับความสำคัญอีกครั้งสำหรับนักจุลชีววิทยาในมหาสมุทร กว่าทศวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์ Markus Weinbauer ได้กล่าวถึงบทสรุปของความรู้เกี่ยวกับไวรัสที่ติดจุลชีพว่าความตายที่เหนียวเหนอะที่พวกมันทำให้เกิดนั้นดูเหมือนจะเป็นปัจจัยในการส่งออกคาร์บอน ตอนนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ชื่อว่าไวรัสที่ติดตามคาร์บอนอย่างรวดเร็วไปยังก้นมหาสมุทร นั่นคือ กระสวยของไวรัส
