منفس مائي حراري

المنفس الحرمائي أو الفوهة الحرمائية أو الفتحة الحرارية المائية أو الفتحة الحرمائية (بالإنجليزية: Hydrothermal vent) فتحة تشبه المدخنة في قاع المحيط تنفث المياه المعدنية الحارة. وقد لاحظ العلماء المنافس الحارة لأول مرة عام 1977م في صدع جلاباجوس، وهي منطقة تقع في قاع المحيط الهادئ وتبعد نحو 1000كم غربي الإكوادور. 
تتشكل المنافس الحرمائية عن عملية يطلق عليها الدورة الحرارية المائية. يزود مصدر للحرارة في باطن الأرض مثل الصخر الحار أو المنصهر هذه العملية بالطاقة اللازمة. وعندما تتسرب مياه البحر إلى قاع المحيط تصبح ساخنة، وتتفاعل كيميائيًا مع الصخور التي تمر من خلالها، وتتحول إلى سائل حمضي غني بالمعادن المذابة وغاز كبريتيد الهيدروجين.
يرتفع هذا السائل الحار إلى قاع البحر، ويتفرغ في المحيط عند درجة حرارة تصل إلى 400°م، وعندما يختلط السائل الحار بماء البحر البارد تتكون جسيمات الكبريتيد المعدنية. وتجعل هذه الجسيمات الماء أسود، ولذلك يطلق على المنافس الحارة في بعض الأحيان المُدخِّنات السوداء. تترسب الكبريتدات المعدنية مشكلة فتحة تشبه المدخنة، وتكون ترسبات معدنية غنية بالحديد والنحاس والزنك (الخارصين). وتعتبر مواقع الفتحات الحرارية المائية واحات للحياة تسكنها مخلوقات غريبة.

مواصفاتها

يخرج من المدخنات ماء وغازات غنية بالسلفيد وأملاح أخرى ذائبة للحديد والمنجنيز والنحاس والزنك . ساخنة ، تخرج من الفوهات عند نحو 400 درجة مئوية في بعض الحالات ،
وتقابل تلك المياه المعدنية الساخنة بماء قيعان البحر الذي تبلغ درجة حرارته 2 درجة مئوية، فعندما تنخفض حرارتها يترسب منها معادن تكوّن فوهات قمعية وتتصاعد منها أدخنة في الماء.
إذا كانت ترسيبات الادخنة غنية بأملاح الحديد ، مثل البايريت ، فتكون الأدخنة رمادية سوداء ، وإذا كانت الأدخنة غنية بمركبات كبريتية (مثل أنهايدريت والجبس) أو ديوكسيد السيليكون فتكون الأدخنة بيضاء.
تبلغ أعلى درجة حرارة تم قياسها للمتنفسات السوداء من 298 إلى 464 لفوهة تو بوتس Two Boats وفوهة الأخت Sister Peaks في قاع المحيط الأطلسي على عمق نحو 3000 متر .
ويصل ارتفاع فوهة المتنفسات السوداء من 20 إلى 25 متر في المتوسط . كما يمكن أن يصل ارتفاع مداخن ذات تركيبات اخرى إلى نحو 60 متر ، مثل الحقل المائي الحراري "لوست سيتي" في قاع المحيط الأطلنسي (بواقع عام 2001).

افتراض نشأة الحياة في المدخنات

تماثل الظروف البيئية التي تسود في الحقول المائية الحرارية في أعماق المحيطات بالقرب من الفوهات المائية الحرارية الظروف التي كانت عليها الأرض في الدهور القديمة التي يرى فيها علماء الجيولوجيا الحيوية نشأة للحياة على الارض. براكين مرتفعة الحرارة وضغوط عالية ، ضوء شمس ضعيف ، وتركيز عالي لمحاليل معدنية جعلت علماء مثل "جونتر واخترهويزر" يميلون إلى فكرة أن المدخنات السوداء لها دور في تطور الحياة على الارض .
وقد حللت جينات البكتيريا النشطة والعتائق (أركيان) التي تقوم بانتاج مركبات كيميائية عند المدخنات المائية الحرارية ، وهي تشير إلى ذلك. يلعب دورا في ذلك أنها لا تحتاج إلى الهواء أو الأكسجين في طريقة حياتها ، وفي استطاعتها اكتساب الطاقة من دون الاحتياج لضوء الشمس ، وكذلك بيئتها التي يرى فيها بعض الباحثون أنها تماثل ظروف الحياة على الأرض في الدهور السحيقة القديمة . ويتوقع بعض علماء الأحياء وجود حياة مماثلة لها على أقمار للكواكب الغازية ، مثل قمر المشتري أوروبا حيث يعتقد في وجود محيط ماء تحت طبقة الجليد التي تغطي هذا التابع والذي قد يحتوي في العمق على فوهات مائية حرارية.
كائنات اخرى تعيش على الفوهات المائية الحرارية مثل تلك التي تعيش في الأنابيب الطويلة لديدان اللحية وديدان بومبي ذات أعضاء هضم مختزلة ، أو صدفيات مثل كاليبتوجينا ماجنيفيكا Calyptogena magnifica
التي تتعايش مع بكتيريا الكبريت ، فهي أنواع كائنات متوافقة بصفة خاصة وتبدو أنها ناتجة عن عملية تطور طويل الأمد .
اقترح "كونتر واخترهويزر" نظرية عالم الحديد والكبريت وهي تقول أنه ربما كانت الحياة قد بدأت على فوهات مائية حرارية . وافتراض واخترهويزر أنه ربما أن يكون نوع من التغير العضوي قد سبق البنية الجينية . ويعني بالتغير العضوي دورة تفاعلات كيميائية تصدر طاقة في هيئة يمكن أن تتواصل في عمليات أخرى .
واقترح أنه ربما تم تركيب حمض الأمين في أماكن عميقة من قشرة الارض ،ان تلك الأحماض الأمينية قد تراكمت بواسطة ما تخرجه الفوهات المائية الحرارية في مياه باردة ، حيث درجات حرارة منخفضة وطمي يحتوي على معادن مما يكون قد أدى إلى وجود ببتيد وخلايا بدائية . 
هذا الافتراض ربما كان جذابا نظرا لكثرة تواجد الميثان والأمونيا في مناطق الفوهات المائية الحرارية ، وهي ظروف لم تكن موجودة في الغلاف الجوي القديم . ولكن نقطة الضعف في هذا الافتراض هو أن استقرار المواد العضوية ليس مكفولا في درجات حرارة عالية ، ولهذا يعتقد البعض أن الحياة ربما نشأت خارج تلك المناطق ذات الحرارة العالية . وتوجد أنواع من الأحياء مثل "إكستريموفيل" وميكروبات أخرى تعيش حول فوهات مائية حرارية ، مما يجعل تلك الافتراضات شيئا محتملا.
وقد أدى اكتشاف المدخنات السوداء وما ينتمي إليها من بيئة خاصة وأنواع أحياء تعيش عليها إلى مناقشات عميقة بين الباحثين ويقوم علماء في تخصصات متعددة ، وعلى الأخص علوم البحار والجيولوجيا ، وكذلك علماء الجينات ، وعلم الأحياء الميكروبي وعلم الأحياء والعلوم الطبية بأبحات في تلك المجالات .

تجمعات حيوية في قاع البحر

بينما تبدو الحياة معتمدة على طاقة الشمس إلا أنه توجد في أعماق المحيطات أحياء لا تصلها أشعة الشمس . بالتالي تعتمد تلك الأحياء في غذائها على رواسب كيميائية ومحاليل حرارية في بيئتها . كان علماء البحار في الماضي يعتقدون أن الأحياء التي تعيش على الفوهات المائية الحرارية تعتمد على "جليد بحري" ، ولكن ذلك يجعلهم محتاجون إلى أشعة الشمس. تنتشر في قاع البحار مناطق لفوهات مائية حرارية تحتوي على كائنات حية أكثر من تلك التي تعيش على الجليد البحري 10,000 إلى 100,000 مرة.
تستطيع أحياء الفوهات المائية الحرارية شغل هذا الانتشار الحيوي الكبير بسبب أن تلك الاحياء تعتمد على بكتيريا تكون مركبات كيميائية بما يعرف "بالتمثيل الكيميائي" ليناسب معيشتها . نجد ان الماء في الفوهات المائية الحرارية غني بمواد معدنية ذائبة وهي الأساس الذي تعيش عليه تلك البكتيريا. تستخدم تلك البكتيريا (وتسمى خضربيات) مركبات الكبريت ، وعلى الأخص كبريتيد الهيدروجين ، وهو مادة سامة لمعظم الأحياء ، ولكنها تستخدمه لانتاج مواد عضوية عن طريق التمثيل الكيميائي.
وتعتمد تلك البيئة الحيوية على استمرار وجود حقول الفوهات المائية الحرارية كمصدر للطاقة ، وهذا يختلف تماما عن الحياة فوق سطح الأرض التي تعتمد على الطاقة الشمسية . وبينما نعرف ان تلك التجمعات لا تعتمد في معيشتها على الشمس إلا أنه يوجد منها ما يعيش على الأكسجين ومنها مالا يحتاج إلى الأكسجين.
تنشأ البكتيريا التي باستطاعتها التمثيل الكيميائي في وسط كثيف يجذب كائنات اخرى ، مثل "أمفيبودا" و"كوبود" التي تتغذى على تلك البكتريا. كما تجتذب أحياء أكبر من ذلك مثل الجمبري والديدان الأنبوبية واسماك واخطبوطات ، تعتمد من غذائها على بعض كما تعيش على البكتيريا . ومعظم عائلات الكائنات التي تعيش على فوهات مائية حرارية في قاع البحر هي "أنيليد" و"بوجونوفوران " و"جاستروبود " و"كروستاسيان" وجمبري من دون أعين ، وهي جميعها أحياء كبيرة وليست بكتيريا.
تكون الديدان الأنبوبية - التي يصل طولها إلى مترين - جزءا كبيرا من مستعمرات الأحياء حول الفوهات المائية الحرارية . وليس لها فم أو أعضاء هضم ولكنها تمتص الغذاء الذي تكونه بكتيريا تعيش في داخلها . تحتوي الديدان الأنبوبية على حبيبات حمراء تحتوي على هيموجلوبين . ويتحد الهيموجلوبين مع سلفيد الهيدروجين وينقله إلى البكتريا التي تعيش في أحشاء الديدان الأنبوبية .وتغذي البكتيريا وتمده بمركبات الكربون . وقد اكتشفت مستعمرة حيوية تسمى إيل ستي أو " مدينة ثعبان السمك" يغلب فيها تواجد ثعابين السمك . وتقع "مدينة ثعابين السمك" بالقرب من فوهة بركان نافونوا ، سموا الأمريكية.
مثال آخر عن تلك الأحياء الغريبة التي تعيش في مثل تلك البيئة هو الجاستروبود Crysomallon squamiferum، وهو نوع من القواقع له أقدام مقواة بمواد عضوية وحديد ، وكذلك ديدان بومبي Alvinella pompejana،التي تستطيع تحمل درجات حرارة تصل إلى 80 درجة مئوية.
بينما كان عدد انواع الجاستروبودا المعروفة لنا في 1993 نحو 100 نوع ، وكلها تعيش بالقرب من فوهات مائية حرارية ،  فقد اكتشفت حتى الآن نحو 300 نوع أخر يعيش على المدخنات السوداء.
وكثير من تلك الانواع تعتبر متآخية "sister species" ، ونجدها مشابهة لأنواع توجد في مناطق بعيده عن بعضها البعض جغرافيا . ويعتقد أنه قبل انزياح صفيحة أمريكا الشمالية كان وسط المحيط مكون من وسط حيوي كبير في منطقة شرق المحيط الهادي.
وبعد انعزال القارة بدأ تطور الكائنات واختلفت عن بعضها البعض باختلاف مواقعها وبيئتها . وتظهر امثلة على تغير التطور بين الفوهات المائية الحرارية وهي تؤيد نظرية البقاء للاصلح ونظرية التطور.
ومع أن الحياة نادرة في تلك الأعماق ، فتعتبر المدخنات السوداء هي مراكز تلك البيئات . لا تصلها أشعة الشمس ، وتقوم أحياء فيها مثل أركيا و"أكستريموفيل " بتحويل الميثان والكبريت وما تصدره الفوهات من حرارة إلى ما يسمى "تمثيل كيميائي" - أي تكوين مركبات كيميائية . كما تتغذى بعض الأحياء المعقدة مثل "كالم" والديدان الأنبوبية الكبيرة بتلك الكائنات الميكروبية . وتقوم تلك الكائنات الميكروبية بترسيب المعادن والمركبات الكيميائية في قواعد الفوهات المائية الحرارية للمدخنات السوداء ، وبذلك تتم الدورة الحياتية لكائنات هذه البيئة .
كما اكتشفت بكتيريا تعمل نوعا من التمثيل الضوئي وهي تعيش بالقرب من مدخنة سوداء عند ساحل المكسيك على عمق نحو 2.500 متر . لا تصلها أشعة الشمس على هذا العمق ، ولكنها نوع من بكتيريا كبريت أخضر وتستغل الضياء الضعيف الذي تنتجه المدخنة السوداء في تمثيلها الغذائي . وهي أول كائن حي يكتشف في الطبيعة يستغل ضوءا غير أشعة الشمس في تمثيله الضوئي.