السيليكا الحيوية

تستطيع الدياتومات تصنيع زجاج السيليكا داخل الجسم الحي .

تُعدّ السيليكا الحيوية (bSi)، والتي تُعرف أيضاً باسم الأوبال أو الأوبال الحيوي أو السيليكا الأوبالية غير المتبلورة ، من أكثر المعادن الحيوية انتشاراً . فعلى سبيل المثال، يمكن العثور على جزيئات مجهرية من السيليكا تُسمى الفيتوليثات في الأعشاب والنباتات الأخرى.

السيليكا أكسيد شبه فلزي غير متبلور يتكون من خلال عمليات بلمرة غير عضوية معقدة . وهذا يختلف عن المعادن الحيوية الرئيسية الأخرى ، التي تشمل الكربونات والفوسفات ، والتي توجد في الطبيعة على شكل مواد صلبة أيونية تساهمية بلورية (مثل الأملاح ) ويخضع ترسبها لتوازن الذوبان . [ 1 ] كيميائيًا، السيليكا المائية (SiO₂ · nH₂O ) هي عنصر أساسي للعديد من النباتات والحيوانات.

تستخلص الدياتومات في المياه العذبة والمالحة على حد سواء السيليكا المذابة من الماء لاستخدامها كمكون في جدران خلاياها. وبالمثل، تستخدم بعض الأوليات العوالقية ( الراديولاريا )، وبعض الإسفنجيات ، وبعض النباتات ( الفيتوليثات الورقية) السيليكون كمادة هيكلية . ومن المعروف أن السيليكون ضروري لنمو الكتاكيت والفئران وتطور هياكلها العظمية. كما يوجد السيليكون في الأنسجة الضامة والعظام والأسنان والجلد والعيون والغدد والأعضاء البشرية .

السيليكا في البيئات البحرية

السيليكات ، أو حمض السيليسيك ( H₄SiO₄ ) ، عنصر غذائي هام في المحيط. على عكس العناصر الغذائية الرئيسية الأخرى مثل الفوسفات والنترات والأمونيوم ، التي تحتاجها جميع العوالق البحرية تقريبًا ، يُعدّ السيليكات متطلبًا كيميائيًا أساسيًا لكائنات حية محددة جدًا ، بما في ذلك الدياتومات ، والراديولاريا ، والسوطيات السيليكية ، والإسفنج السيليسي . تستخلص هذه الكائنات السيليكات المذابة من مياه سطح المحيطات المفتوحة لتكوين هياكلها الجزيئية من السيليكا (SiO₂ ) ، أو الهياكل العظمية الأوبالية (أي الأجزاء الصلبة من هذه الكائنات). [ 2 ] [ 3 ] تشمل بعض أكثر التراكيب السيليسية شيوعًا التي تُلاحظ على سطح خلايا الكائنات المُفرزة للسيليكا: الشويكات، والحراشف، والصفائح الصلبة، والحبيبات، والقشريات، وغيرها من الأشكال الهندسية المعقدة، وذلك بحسب نوع الكائن الحي. [ 4 ]

مصادر السيليكا البحرية

يمكن تمييز خمسة مصادر رئيسية للسيليكا المذابة في البيئة البحرية: [ 3 ]

بمجرد نفوق الكائن الحي، يذوب جزء من هيكله العظمي السيليسي أثناء ترسبه في عمود الماء ، مما يُثري المياه العميقة بالسيليكا المذابة. [ 3 ] كما يمكن أن تُحفظ بعض الحراشف السيليسية بمرور الوقت على شكل أحافير دقيقة في رواسب أعماق البحار ، مما يُتيح لنا نافذةً على مجتمعات العوالق / الطلائعيات الحديثة والقديمة . وقد استمرت هذه العملية البيولوجية، منذ العصر الباليوزوي المبكر على الأقل ، لتنظيم توازن السيليكا في المحيط. [ 4 ]

تُشكّل الشعاعيات ( من العصر الكامبري / الأوردوفيشي إلى الهولوسينوالدياتومات ( من العصر الطباشيري إلى الهولوسين )، والسيليكوفلاجيلات ( من العصر الطباشيري إلى الهولوسين ) المساهمين الرئيسيين في دورة السيليكا البيولوجية العالمية عبر الزمن الجيولوجي . تُساهم الدياتومات بنسبة 43% من الإنتاج الأولي للمحيطات، وهي المسؤولة عن الجزء الأكبر من استخلاص السيليكا من مياه المحيطات في العصر الحديث، وخلال معظم الخمسين مليون سنة الماضية. في المقابل، تميّزت محيطات العصر الجوراسي وما قبله بوجود الشعاعيات كشعب رئيسية مُستهلكة للسيليكا. [ 2 ] في الوقت الحاضر، تُعدّ الشعاعيات ثاني أكبر مُنتج للسيليكا غير المتبلورة العالقة في مياه المحيطات (بعد الدياتومات). ويتراوح انتشارها من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي ، وتكون أكثر وفرة في المنطقة الاستوائية. في مياه المحيط الهادئ الاستوائية ، على سبيل المثال، يُمكن مُلاحظة حوالي 16000 عينة لكل متر مكعب. [ 4 ]

دورة السيليكا

حظيت دورة السيليكون باهتمام علمي متزايد خلال العقد الماضي لعدة أسباب:

أولًا ، يُعتقد على نطاق واسع أن دورة السيليكا البحرية الحديثة تهيمن عليها الدياتومات في تثبيت ونقل المواد الجسيمية (بما في ذلك الكربون العضوي ) من المنطقة المضيئة إلى أعماق المحيط، عبر عملية تُعرف بالمضخة البيولوجية . ونتيجةً لذلك، تلعب الدياتومات، وغيرها من الكائنات الحية المُفرزة للسيليكا، دورًا حاسمًا في دورة الكربون العالمية ، ولديها القدرة على التأثير في تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي على نطاقات زمنية متنوعة، من خلال عزل ثاني أكسيد الكربون في المحيط. هذه الصلة بين السيليكا الحيوية والكربون العضوي، إلى جانب إمكانية حفظ المركبات السيليسية الحيوية بشكل أفضل بكثير مقارنةً بالكربون العضوي، تجعل سجلات تراكم الأوبال ذات أهمية بالغة لعلم المحيطات القديمة وعلم المناخ القديم .

ثانيًا ، يحتوي تراكم السيليكا الحيوية في قاع البحر على معلومات قيّمة حول مواقع إنتاج التصدير في المحيط على مدى فترات زمنية تتراوح من مئات إلى ملايين السنين. ولهذا السبب، توفر سجلات ترسب الأوبال معلومات قيّمة حول عمليات إعادة تنظيم المحيطات واسعة النطاق في الماضي الجيولوجي، فضلًا عن الإنتاجية القديمة.

ثالثًا ، يبلغ متوسط ​​فترة بقاء السيليكات في المحيطات حوالي 10000-15000 سنة. هذه الفترة القصيرة نسبيًا تجعل تركيزات وتدفقات السيليكات في المحيطات حساسة للاضطرابات الجليدية وما بين الجليدية ، وبالتالي فهي مؤشر ممتاز لتقييم التغيرات المناخية. [ 3 ] [ 5 ]

يتزايد استخدام تحليل نسب نظائر الأكسجين (O 18 :O 16 ) والسيليكون (Si 30 :Si 28 ) في السيليكا الحيوية المحفوظة في رواسب البحيرات والبحار لاستخلاص سجلات لتغير المناخ ودورة المغذيات في الماضي (دي لا روشا، 2006؛ لينغ وباركر، 2006). ويُعدّ هذا النهج ذا قيمة خاصة بالنظر إلى دور الدياتومات في دورة الكربون العالمية. إضافةً إلى ذلك، تُفيد تحليلات النظائر في السيليكا الحيوية في تتبع تغيرات المناخ السابقة في مناطق مثل المحيط الجنوبي ، حيث تقلّ رواسب الكربونات الحيوية المحفوظة.

أحواض السيليكا البحرية

الطمي السيليسي

توجد بقايا الدياتومات والكائنات الحية الأخرى التي تستخدم السيليكا، على شكل رواسب أوبال ضمن رواسب أعماق البحار. وتُعرف رواسب أعماق البحار ، التي تحتوي على كميات كبيرة من البقايا البيولوجية السيليسية، باسم الطمي السيليسي . ويكثر الطمي السيليسي بشكل خاص في المحيطات الحديثة عند خطوط العرض العليا في نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي. ومن السمات البارزة لتوزيع الطمي السيليسي وجود  حزام يمتد لمسافة 200 كيلومتر تقريبًا عبر المحيط الجنوبي . كما تتميز بعض المناطق الاستوائية ذات التيارات الصاعدة ، حيث تكون المغذيات وفيرة والإنتاجية عالية، بوجود الطمي السيليسي محليًا. [ 2 ]

تتكون الرواسب السيليسية بشكل أساسي من بقايا الدياتومات والشعاعيات، ولكنها قد تشمل أيضًا كائنات سيليسية أخرى، مثل السيليكو فلاجيلات وشويكات الإسفنج . وتوجد رواسب الدياتومات بشكل رئيسي في المناطق ذات خطوط العرض العليا وعلى طول بعض الهوامش القارية، بينما تُعد رواسب الشعاعيات أكثر شيوعًا في المناطق الاستوائية. وتخضع الرواسب السيليسية لتعديلات وتحولات أثناء الدفن لتكوين صخور صوانية طبقية . [ 2 ]

رواسب المحيط الجنوبي

تُعدّ رواسب المحيط الجنوبي مستودعًا رئيسيًا للسيليكا الحيوية (50-75% من إجمالي السيليكا في المحيط البالغ 4.5 × 10¹⁴ غرام من السيليكا سنويًا ؛ ديماستر ، 1981)، ولكنها مستودع ثانوي للكربون العضوي (أقل من 1% من إجمالي الكربون العضوي في المحيط البالغ 2 × 10¹⁴ غرام سنويًا ). وتعود هذه المعدلات المرتفعة نسبيًا لتراكم السيليكا الحيوية في رواسب المحيط الجنوبي (وخاصةً تحت الجبهة القطبية) مقارنةً بالكربون العضوي (60:1 وزنيًا) إلى الحفاظ التفضيلي للسيليكا الحيوية في عمود الماء في القطب الجنوبي.

خلافاً لما كان يُعتقد سابقاً، فإن هذه المعدلات المرتفعة لتراكم السيليكا الحيوية ليست ناتجة عن معدلات إنتاج أولي مرتفعة . فالإنتاج البيولوجي في المحيط الجنوبي محدود بشدة بسبب انخفاض مستويات الإشعاع الشمسي، بالإضافة إلى الطبقات المختلطة العميقة، و/أو بسبب محدودية كميات المغذيات الدقيقة ، مثل الحديد . [ 6 ]

يتجلى هذا الحفظ التفضيلي للسيليكا الحيوية مقارنةً بالكربون العضوي في الزيادة المطردة لنسبة السيليكا إلى الكربون العضوي مع ازدياد العمق في عمود الماء. ينجو حوالي 35% من السيليكا الحيوية المُنتجة في المنطقة الضوئية من الذوبان في الطبقة السطحية، بينما لا ينجو سوى 4% من الكربون العضوي من التحلل الميكروبي في هذه المياه القريبة من السطح.

ونتيجةً لذلك، يحدث انفصال كبير بين الكربون العضوي والسيليكا أثناء ترسبها في عمود الماء. يُمثل تراكم السيليكا الحيوية في قاع البحر 12% من الإنتاج السطحي، بينما لا تتجاوز نسبة تراكم الكربون العضوي في قاع البحر 0.5% من الإنتاج السطحي. وبالتالي، تُشكل الرواسب القطبية الجزء الأكبر من تراكم السيليكا الحيوية في المحيط، ولكنها لا تُساهم إلا بنسبة ضئيلة من تدفق الكربون العضوي الرسوبي. [ 6 ]

تأثير دوران المحيطات على مصارف السيليكا

تؤثر حركة المحيطات واسعة النطاق تأثيرًا مباشرًا على ترسب الأوبال . فدوران المحيط الهادئ (الذي يتميز بمياه سطحية فقيرة بالمغذيات، ومياه عميقة غنية بالمغذيات) ودوران المحيط الأطلسي يُفضّلان إنتاج / حفظ السيليكا والكربونات على التوالي. فعلى سبيل المثال، تزداد نسبتا Si/N وSi/P من المحيط الأطلسي إلى المحيط الهادئ ثم إلى المحيط الجنوبي، مما يُرجّح كفة الأوبال على حساب مُنتجي الكربونات . ونتيجةً لذلك، أدى التكوين الحالي لحركة المحيطات واسعة النطاق إلى تمركز مناطق دفن الأوبال الرئيسية في المحيط الهادئ الاستوائي، وفي أنظمة التيارات الصاعدة على الحدود الشرقية، والأهم من ذلك كله، في المحيط الجنوبي. [ 5 ]

المحيط الهادئ والمحيط الجنوبي

تشهد مياه المحيط الهادئ والمحيط الجنوبي في العصر الحديث عادةً زيادة في نسبة السيليكون إلى النيتروجين (Si/N) على أعماق متوسطة، مما يؤدي إلى زيادة تصدير الأوبال (أي زيادة إنتاجه). في المحيط الجنوبي وشمال المحيط الهادئ، تتحول هذه العلاقة بين تصدير الأوبال ونسبة Si/N من خطية إلى أسية عند نسب Si/N أكبر من 2. لهذه الزيادة التدريجية في أهمية السيليكات (Si) مقارنةً بالنيتروجين (N) آثارٌ بالغة على الإنتاج البيولوجي للمحيطات. يُسهم التغير في نسب المغذيات في اختيار الدياتومات كمنتجين رئيسيين، مقارنةً بالكائنات الحية الأخرى (مثل الكائنات المُكلسة). على سبيل المثال، أظهرت تجارب النظم البيئية المصغرة أن الدياتومات تُنافس بشدة على السيليكون الذائب (DSi) وتُهيمن على المنتجين الآخرين عند تركيزات أعلى من 2 ميكرومول من DSi. ونتيجةً لذلك، يُفضّل تصدير الأوبال على تصدير الكربونات، مما يؤدي إلى زيادة إنتاج الأوبال. يُظهر المحيط الجنوبي وشمال المحيط الهادئ أيضًا أعلى نسب تدفق السيليكات الحيوية/الكربون العضوي ، مما يؤدي إلى زيادة في السيليكات الحيوية مقارنةً بتدفق الكربون العضوي المُصدَّر. هذه الزيادة المُجتمعة في حفظ الأوبال وتصديره تجعل المحيط الجنوبي أهم مُستودع للسيليكون الذائب اليوم. [ 5 ]

المحيط الأطلسي

في المحيط الأطلسي، تتميز المياه المتوسطة والعميقة بانخفاض محتواها من السيليكا الذائبة (DSi) مقارنةً بالمحيطين الهادئ والجنوبي الحاليين. ويؤدي هذا التفاوت الأقل بين الأحواض في محتوى السيليكا الذائبة إلى تقليل إمكانية حفظ الأوبال في المحيط الأطلسي مقارنةً بنظيريه في المحيطين الهادئ والجنوبي. وتميل المياه الأطلسية الفقيرة بالسيليكا الذائبة إلى إنتاج كائنات حية أقل تسيليكا ، مما يؤثر بشكل كبير على حفظ هياكلها . ويتضح هذا الأمر جليًا عند مقارنة أنظمة التيارات الصاعدة في بيرو وشمال غرب أفريقيا. فنسبة الذوبان إلى الإنتاج أعلى بكثير في التيارات الصاعدة في المحيط الأطلسي منها في التيارات الصاعدة في المحيط الهادئ. ويعود ذلك إلى أن مياه مصادر التيارات الصاعدة الساحلية أغنى بكثير بالسيليكا الذائبة قبالة بيرو منها قبالة شمال غرب أفريقيا. [ 5 ]

ميزانية السيليكا البيولوجية البحرية

تُزوّد ​​الأنهار والينابيع الحرارية المائية تحت سطح البحر البيئة البحرية بـ 6.1 × 10¹⁴ غرام من ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) سنويًا . ويُخزّن ما يقارب ثلثي هذه الكمية من السيليكا في رواسب الهوامش القارية وأعماق البحار . وتستضيف رواسب السيليكا في أعماق البحار، الواقعة أسفل منطقة التقارب القطبي الجنوبي، حوالي 25% من السيليكا التي تصل إلى المحيطات (أي 1.6 × 10¹⁴ غرام من ثاني أكسيد السيليكون سنويًا ) ، وبالتالي تُشكّل أحد أهم مصارف السيليكا على سطح الأرض. وتُسجّل أعلى معدلات تراكم السيليكا الحيوية في هذه المنطقة في جنوب المحيط الأطلسي، حيث تصل إلى 53 سم/ ألف سنة خلال الـ 18 ألف سنة الماضية. علاوة على ذلك، سُجّل تراكم واسع النطاق للسيليكا الحيوية في رواسب أعماق البحار في بحر بيرينغ وبحر أوخوتسك وشمال المحيط الهادئ شبه القطبي . تبلغ معدلات تراكم السيليكا البيولوجية الإجمالية في هذه المناطق ما يقرب من 0.6 × 10 14 جم SiO 2 سنة −1 ، وهو ما يعادل 10٪ من مدخلات السيليكا المذابة إلى المحيطات. 

تتميز مناطق التيارات الصاعدة على هوامش القارات، مثل خليج كاليفورنيا وسواحل بيرو وتشيلي، ببعض أعلى معدلات تراكم السيليكا الحيوية في العالم. فعلى سبيل المثال، سُجلت معدلات تراكم للسيليكا الحيوية تصل إلى 69 غرامًا من ثاني أكسيد السيليكون لكل سنتيمتر مربع لكل ألف سنة في خليج كاليفورنيا. ونظرًا للطبيعة المحدودة لهذه المناطق ذات التراكم السريع للسيليكا الحيوية، فإن مناطق التيارات الصاعدة لا تُمثل سوى 5% تقريبًا من السيليكا الذائبة التي تصل إلى المحيطات. وأخيرًا، لوحظت معدلات تراكم منخفضة للغاية للسيليكا الحيوية في رواسب أعماق البحار الواسعة في المحيطات الأطلسي والهندي والهادئ، مما يجعل هذه المحيطات ضئيلة الأهمية في ميزانية السيليكا البحرية العالمية. [ 7 ]

إنتاج السيليكا الحيوية

التراب الدياتومي كما يُرى تحت إضاءة المجال الساطع باستخدام المجهر الضوئي . يتكون التراب الدياتومي من جدران خلايا الدياتومات ، وهو مثال على السيليكا الحيوية . تُصنّع السيليكا في خلية الدياتوم عن طريق بلمرة حمض السيليسيك . هذه الصورة لجزيئات التراب الدياتومي في الماء بمقياس 6.236 بكسل/ ميكرومتر ، وتغطي الصورة بأكملها منطقة تبلغ مساحتها حوالي 1.13 × 0.69 مليمتر.

يعتمد متوسط ​​معدل مؤشر كتلة الجسم اليومي بشكل كبير على المنطقة:

وبالمثل، يعتمد الإنتاج السنوي المتكامل من السيليكون الحيوي بشكل كبير على المنطقة:

  • تيارات الصعود الساحلية: 3 تريليون مول/سنة
  • المحيط الهادئ شبه القطبي: 8 تريليون مول/سنة
  • المحيط الجنوبي: 17 37 تريليون مول/سنة
  • الدوامات في منتصف المحيط: 26 تريليون مول/سنة

يتم التحكم في إنتاج السيليكون الحيوي بواسطة:

انحلال السيليكا الحيوية

يتم التحكم في ذوبان السيليكا الحيوية بواسطة:

حفظ السيليكا الحيوية

يتم قياس الحفاظ على BSi بواسطة:

يتم التحكم في الحفاظ على BSi بواسطة:

  • معدل الترسيب؛
  • تركيز السيليكا المذابة في المياه المسامية : التشبع عند 1.100 ميكرومول/لتر؛
  • الطلاءات السطحية: يعمل الألومنيوم المذاب على تعديل قابلية ذوبان جزيئات السيليكا البيولوجية المترسبة، ويمكن أن تترسب السيليكا المذابة أيضًا مع الألومنيوم على شكل طين أو طلاءات من الألومنيوم والسيليكون.

السيليكا الأوبالينية على سطح المريخ

في فوهة غوسيف على سطح المريخ، اكتشف مسبار استكشاف المريخ "سبيريت" عن غير قصد سيليكا أوبالين. كانت إحدى عجلاته قد تعطلت سابقًا، مما أدى فعليًا إلى حفر خندق في تربة المريخ أثناء جرها خلف المسبار. أظهر تحليل لاحق أن السيليكا دليل على وجود ظروف حرارية مائية. [ 8 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. كورادين، تي.، لوبيز، بي جيه (2003). "تشكيل السيليكا الحيوي: كيمياء بسيطة أم بيولوجيا دقيقة؟" ChemBioChem 3: 1-9.
  2. 1 2 3 4 بوغز، س. (2005). "مبادئ علم الرسوبيات وعلم الطبقات (الطبعة الرابعة)". بيرسون للتعليم، 662 صفحة.
  3. 1 2 3 4 ديماستر، دي جيه (1981). "إمداد وتراكم السيليكا في البيئة البحرية". مجلة جيوكيميكا إت كوزموكيميكا أكتا 45: 1715-1732.
  4. 1 2 3 إيرليخ وآخرون (2010). "وجهات نظر حديثة حول إزالة السيليكا: ذوبان السيليكا الحيوية وغير الحيوية في البيئات الطبيعية والاصطناعية". مجلة الكيمياء 110: 4656-4689.
  5. 1 2 3 4 كورتيز، جي.، جيرسوندي، آر. (2004). "تحولات ترسب الأوبال في المحيط العالمي على مدى الـ 15 مليون سنة الماضية". رسائل علوم الأرض والكواكب 224: 509-527.
  6. 1 2 ديماستر، د. (1992). "دورة وتراكم السيليكا الحيوية والمواد العضوية في بيئات خطوط العرض العليا: بحر روس". علم المحيطات 5(3): 147-153
  7. ديماستر، دي جيه (2002). "تراكم وتدوير السيليكا الحيوية في المحيط الجنوبي: إعادة النظر في ميزانية السيليكا البحرية". أبحاث أعماق البحار، الجزء الثاني، 49: 3155-3167
  8. مؤرشف بتاريخ 26 أكتوبر 2012 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine ). راف، إس دبليو، وآخرون (2011). "خصائص وتوزيع وأصل وأهمية السيليكا الأوبالية التي رصدها مسبار سبيريت في فوهة جوسيف، المريخ". مجلة البحوث الجيوفيزيائية، 116، E00F23.
  • برزيزينسكي، ماجستير (1985). "نسبة السيليكون إلى الكربون إلى النيتروجين في الدياتومات البحرية: التباين بين الأنواع وتأثير بعض المتغيرات البيئية." مجلة علم الطحالب 21(3): 347-357.
  • دي لا روشا، سي إل (2006). "مؤشرات قائمة على الأوبال للظروف البيئية القديمة." دورات الجيوكيمياء العالمية 20. doi : 10.1029/2005GB002664 .
  • دوجديل، آر سي و إف بي ويلكرسون (1998). "تنظيم السيليكات للإنتاج الجديد في تيارات الصعود الاستوائية في المحيط الهادئ." مجلة نيتشر 391(6664): 270.
  • دوجديل، آر سي، إف بي ويلكرسون، وآخرون (1995). "دور مضخة السيليكات في دفع الإنتاج الجديد." أبحاث أعماق البحار I 42(5): 697-719.
  • لينغ، إم جيه وباركر، بي إيه (2006). "مراجعة لتكوين نظائر الأكسجين في سيليكا الدياتومات البحيرية لإعادة بناء المناخ القديم." مراجعات علوم الأرض 75: 5-27.
  • راغينو، أو.، ب. تريغير، وآخرون (2000). "مراجعة لدورة السيليكون في المحيط الحديث: التقدم الأخير والثغرات المفقودة في تطبيق الأوبال الحيوي كمؤشر للإنتاجية القديمة." التغير العالمي والكوكبي 26: 317-365.
  • تاكيدا، س. (1998). "تأثير توافر الحديد على نسبة استهلاك المغذيات للدياتومات في المياه المحيطية." الطبيعة 393: 774-777.
  • فيرنر، د. (1977). بيولوجيا الدياتومات. بيركلي ولوس أنجلوس، مطبعة جامعة كاليفورنيا.