Hydraty metanu

Czy nieprzebrane zasoby hydratów metanu na dnie mórz staną się kiedyś źródłem klimatycznego kataklizmu czy raczej paliwem przyszłości?

Prawie jedna trzecia żywej masy na Ziemi to bakterie anaerobowe, żyjące pod dnem oceanów w mrocznym świecie, poza zasięgiem tlenu, który by je zabił. Wytwarzają one tam ogromne ilości metanu, tak wielkie, że gdyby nawet niewielka jego część uwolniła się w jakimś Wielkim Beknięciu, świat przeżyłby gigantyczne fale tsunami, skokowy wzrost temperatury, masowe wymieranie zwierząt i zakłócenia o skali kataklizmu.

      Kiedy latem 2001 roku statek badawczy niemieckiej ekspedycji „Profesor Logatschew” pobrał z dna Morza Czarnego na głębokości ok. 300 m jednotonową próbkę osadów dennych, okazało się że nie było w niej żadnych osadów ani żadnych cząstek mineralnych. Była to tona żywych bakerii, intensywnie śmierdzących siarkowodorem. W kilka dni później w to samo miejsce opuszczono batyskaf Jago, i w świetle jego reflektorów dno okazało się bulgoczącym w ciemnościach lasem czarnych, gruźlastych „stalagmitów”, wyrastających na kilka metrów, miękkich i dających się powalać jak drzewa. Na przekroju, pod czarną korą, była w nich gęsta różowa masa, a w samym środku stosunkowo twardy oliwkowo-szary rdzeń.  

         Podwodne pnie były w całości zbudowane z jednokomórkowych organizmów. Tylko ów rdzeń był materiałem, który wydzielały. Badacze wydobyli żywy plon: dowód, że na w zupełnych ciemnościach największych głębin wrze życie. Bakterie, które żyją najgłębiej, wytwarzają metan, który te z płytszych warstw pochłaniają. Dla wszystkich z nich tlen jest śmiertelną trucizną. Bakterie te są świadkami bardzo wczesnego okresu życia na ziemi, kiedy metan występował w obfitości i nie było roślin zielonych, które w procesie fotosyntezy uwalniały tlen. Być może cała ziemia była wtedy pokryta takim czarniawo-różowym mułem.

       Dziś te archaiczne organizmy zostały zepchnięte do ostatnich nisz, dokąd na ziemi nie dociera tlen. Na ogół oznacza to kryjówki pod dnem oceanów, ale Morze Czarne jest tu wyjątkiem. Połączone z oceanem tylko przez wąską cieśninę Bosforu jest ono rzadko obmywane prądami głębinowymi i przy dnie raczej nieruchome. W jego głębinach nie ma żadnych ryb. Ale żyją tam mikroby, żywiące się metanem, który słupami bąbelków stale wydobywa się spod dna, gdzie wytwarzają go jeszcze inne mikroby, żyjące tam w ogromnych ilościach. Całkowitą masę tych archaicznych bakterii anaerobowych (czyli beztlenowych) żyjących pod dnem mórz i oceanów ocenia się na jedną trzecią całej biomasy naszej planety. Całkowita masa wytworzonego przez nie metanu, zalegającego w głębinach jako zmrożony hydrat metanu, jest prawdopodobnie większa niż łączna masa wszystkich znanych rezerw węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego we wszystkich postaciach razem wziętych. Metan jest gazem dającym potężny efekt cieplarniany, około 25x większy niż dwutlenek węgla, i to jemu, okazyjnie uwalnianemu w postaci potężnych „odbeknięć” z dna oceanów przypisuje się wiele z okresowych zmian klimatycznych na ziemi. Prawie na pewno to właśnie bąble metanu zakończyły epokę paleoceńską ok. 55 milionów lat temu, kiedy to nastąpiło nagłe ocieplenie klimatu. Uwalniany z kieszeni dna metan jest prawdopodobnie odpowiedzialny także za inne zjawiska: masowe wymieranie zwierząt morskich, podobne do lawin osuwy mas na dnie, które wywołują wielkie fale tsunami, a zapewne także można mu przypisać niejedno tajemnicze zniknięcie statku nie tylko w Trójkącie Bermudzkim.

         Wydobywana także z innych głębin, cuchnąca siarkowodorem, mazista, brązowawa masa ma dziwne właściwości: kipi choć jest lodowato zimna, a rozłupana jest w środku czysto biała niczym warstwa jądra w orzechu kokosowym. Ta biała masa, porównywana do lodów, to właśnie hydrat metanu. Daje się ona kroić i łatwo się zapala pomarańczowym płomieniem. Składa się z cząsteczek metanu uwięzionych w klatkach, każda z sześciu cząstek wody powiązanych na podobieństwo kryształu. Strukturę taką nazywa się klatratem (ang. clathrate)od łacińskiego słowa oznaczającego klatkę. Tylko pod bardzo wysokim ciśnieniem metan daje się wepchnąć do takiej wodnej klatki. Właśnie takie warunki – ciśnienie ponad 30 atmosfer panują pod szelfem kontynentalnym, tysiące metrów pod wodą. Warunki zaistnienia hydratu metanu określa bardzo precyzyjna krzywa dla ciśnienia i temperatury, która pozwala określić gdzie znajdują się jego pokłady. Od spodu ich granicę wyznacza temperatura z wnętrza ziemi, zbyt wysoka dla utrzymania struktury hydratu, a od góry granicę wyznacza ciśnienie zbyt niskie aby metan dał się utrzymać w wodnej klatce. Kawałek hydratu wydobyty na powierzchnię szybko roztapia się w rękach niczym bryłka lekkiego lodu: woda ścieka przez palce, a gaz niewidocznie ulatnia się do atmosfery.

          Hydraty metanu stanowią znane curiosum już od 200 lat. W naturalnej formie znaleźli je Rosjanie w wiecznej zmarzlinie Syberii, a marynarze wielokrotnie obserwowali je na Morzu Czarnym, i to czasem w takich ilościach, że powierzchnia morza ulegała zapłonowi! Dopiero jednak w latach 1980-ych dzięki wierceniom dna uświadomiono sobie, że hydraty są wszędzie. Większość wydobywanych w ten sposób próbek ma wielkość i wygląd jakby uczniowskiej gumki do wycierania śladów ołówka. Często są one wyciskane pod ciśnieniem z dna niczym woda z gąbki, w niektórych miejscach także w dużo większych kawałkach i w wielkiej ilości, jak np. u wybrzeży Oregonu na Pacyfiku. Miejsc takich jest bardzo wiele. Pokłady hydratów wykrywa się dosyć dobrze echosondą, gdyż dają zawsze bardzo jednolity rezonans. Ponieważ metan jest produktem organicznym, najwięcej pokładów wykrywa się tam, gdzie jest także najwięcej podwodnych złóż ropy lub gazu, a także najwięcej ryb, czyli niedaleko brzegów, gdzie jest najwięcej składników odżywczych, a martwy plankton i masa organicznych odpadów np. wynoszona przez uchodzące rzeki opada niczym śnieg odżywiając podłoże. Kiedyś sądzono, że metan, najmniejszy z węglowodorów, powstaje w hydratach po prostu przez rozłamanie większych węglowodorów wskutek temperatury wnętrza ziemi na głębokości ponad 1500 m pod dnem oceanu. Potem jednak stwierdzono, że w hydratach dominuje lekki izotop węgla C-12, a nie C-13 znajdywany w innych osadach organicznych. Gdyby metan ten powstawał wskutek działania temperatury, nie różniłby się od otoczenia. Taka selekcja izotopów jest dziełem żywych organizmów, które selektywnie wybierają C-12, a odrzucają C-13. Oznacza to, że metan w hydratach jest produktem bakterii. Tworzą one ogromne jego ilości od milionów lat, ale system nie pęka, bo metan ulega także uwalnianiu. Ponadto, nie wszędzie tworzy się z jednakową intensywnością.

      Życie na dnie mórz jest ogólnie biorąc dość ubogie, ponieważ musi korzystać z odpadów organicznych z powierzchni, na której zachodzi fotosynteza. Wyjątkiem są jednak gorące źródła podmorskie oraz tzw. zimne wysączyny. W przypadku gorących źródeł, występujących najgęściej w pobliżu wielkich podmorskich rowów tektonicznych życie jest podtrzymywane przez chemosyntezę. Źródłem energii jest tam nie słońce, tylko siarkowodór wytwarzany przez gorącą wodę obmywającą skały wulkaniczne. Żywiące się siarkowodorem bakterie używają tej energii do wytwarzania węglowodoru i budowania swoich tkanek, które potem służą następnym organizmom w górę łańcucha pokarmowego. Na całym świecie odkryto jednak bogate oazy podmorskiego życia w tzw. zimnych wysączynach, gdzie takiej energii nie ma. Skąd bierze się tam siarkowodór?

        Wiąże się to z jeszcze innym pytaniem: gdzie podziewa się metan? Większość metanu wytwarzanego przez mikroby w głębokich warstwach pod dnem nigdy nie wydobywa się wyżej. Od dawna geolodzy stwierdzają, że koncentracja metanu maleje w miarę jak osady denne są płytsze. Ze związkami siarki jest jednak odwrotnie: dużo jest ich w samej wodzie morskiej, ale im głębiej wgryzamy się w dno, tym jest ich mniej. Prowadzi to do wniosku, ze musi istnieć strefa, gdzie obie substancje uczestniczą w tym samym procesie, i jedna zużywa się, aby druga mogła ilościowo wzrastać. Sugestia geologów była następująca: istnieją widocznie mikroby, które zjadają metan poprzez jego oksydację siarką, bo tlenu na tej głębokości nie ma. To by także wyjaśniało redukcję siarczanów do postaci siarkowodoru. Problem w tym, że takich bakterii, mimo wielu prób i badań nigdzie nie wykryto. Postawiono więc inną tezę (Tori Hoehler, NASA Ames Research Center, 1994), że istnieją dwa odrębne gatunki bakterii – zjadacz metanu i reduktor siarczanów – żyjące w symbiozie pod dnem oceanu. Holenderska badaczka Antje Boetius z Instytutu Maxa Plancka wykryła wkrótce bakterie od redukcji siarczanów, stosując metodę FISH (fluorescence in situ hybridization), gdzie cząsteczka świecącego barwnika przyczepia się tylko do określonego genu u mikroba. Druga strona równania okazała się jednak jeszcze ciekawsza. Zjadaczem metanu były archaiczne mikroby Archarea, które oddzieliły się od bakterii miliardy lat temu i są od nich genetycznie tak odległe jak, nie przymierzając, ludzie. Próbując je policzyć Boetjus odkryła, że zbite w grudki Archarea są z reguły otoczone skorupkami bakterii redukujących siarczany. To był dowód na ich symbiozę i potwierdzenie teorii Hoehlera. Nie było to łatwe do wykrycia, ponieważ jedna taka grudka miała mniej niż 1/1000 cala średnicy, a w jednej uncji masy było ich średnio ok. 900 milionów. Nie wiadomo jeszcze jaki jest mechanizm tej symbiozy i co Archarea mają z tego w zamian. Wiadomo natomiast, że korzystają z tego wszystkie wyższe ogniwa łańcucha żywieniowego w miejscach, gdzie proces ten buja najobficiej. Zdumiewające, że organizmy tak niskie w hierarchii systematycznej potrafią budować struktury wspomagające przepływ substancji odżywczych, z których korzystają wszystkie, tak jak wspomniane ‘stalagmity’ na dnie Morza Czarnego.

    Jak wyglądałaby ziemia, gdyby tych organizmów nie było? Gdyby cały metan znalazł się w atmosferze byłoby nie tylko niemożliwie gorąco, ale i atmosfera byłaby właściwie z metanu. Jeśli z jednej strony nie wyobrażamy sobie ziemi bez roślin wytwarzających tlen, to z drugiej trudno byłoby sobie wyobrazić ziemię bez tandemu bakterii Boetjus i Archarea, więżących metan pod dnem oceanów.

              Wpływ mikrobów na zasoby metanu ma także wymiar apokaliptyczny. Geofizycy podejrzewają, że wiele części dna oceanu, jak np. ‘wielka dziura’ Storegga w pobliżu Norwegii, struktury w pobliżu przylądka Hatteras lub na Morzu Barentsa, powstały w wyniku wielkich podmorskich pęknięć dna, które miało charakter kataklizmów. Wielka katastrofa u schyłku Permu ok. 250 milionów lat temu, połączona z masowym wymieraniem zwierząt, to również wynik uwolnienia się ogromnych mas metanu, których chmury najpierw powodowały uduszenie zwierząt, a potem silne ocieplenie klimatu. Są i tacy, którzy całą historię klimatu ziemi, jego ociepleń i ochłodzeń, chcieliby przypisać właśnie uwalnianiu metanu. W świetle obecnej paniki spowodowanej efektem cieplarnianym sprawa staje się szczególnie interesująca. Pytanie, które się przy tym zadaje brzmi jednak: „Czy metan spod dna oceanów może rzeczywiście przedostać się do atmosfery i utworzyć tam gazowa pierzynę nad ziemią?”. Gerald Dickens, czołowy światowy ekspert od hydratów metanu wątpi w zjawisko o takiej skali. Bańki metanu stale rozpuszczają się w wodzie morskiej i tam zjadają go także bakterie aerobowe (tlenowe). Problemem może być co najwyżej dopiero dwutlenek węgla, które one potem wydalają, ale jako się rzekło  CO2 jest dużo mniej skuteczny jako gaz cieplarniany niż metan. Dickens przypuszcza, że ocieplenie klimatu spowodowane uwolnieniem ok. 2000 gigaton metanu pod koniec paleocenu 55 milionów lat temu, najwyżej dołożyło się do ocieplenia o jakieś 2-3 stopnie, ale ono samo zostało wywołane wcześniejszym długotrwałym wzrostem temperatury i to o ok. 7 stopni. Możliwe jest zatem, że także obecne stopniowe ocieplanie się klimatu może z czasem wywołać podobne masowe uwolnienie się (kolejne Wielkie Beknięcie) metanu spod dna mórz  i spowodować podobny zabójczy efekt.  

Bogusław Jeznach