هم‌زیستی شگفت‌انگیز در مرجان‌های باستانی

تحقیقات جدید درباره همزیستی در مرجان‌ها

یک تیم تحقیقاتی به رهبری پژوهشگران مؤسسه ماکس پلانک برای شیمی در ماینز، با استفاده از تحلیل ایزوتوپ‌های نیتروژن، نشان داده‌اند که مرجان‌های ۳۸۵ میلیون ساله از مناطق ایفل و زاورلند دارای همزیست‌هایی بوده‌اند. این یافته، قدیمی‌ترین شواهد همزیستی نوری در مرجان‌ها را نمایان می‌سازد. همزیستی نوری ممکن است توضیح دهد که چرا صخره‌های مرجانی باستانی با وجود قرار داشتن در محیط‌های کم‌مواد مغذی، به اندازه‌های عظیم رشد کرده‌اند.

صخره‌های مرجانی یکی از زیستگاه‌های با تنوع زیستی بالا در زمین به شمار می‌روند و اغلب به عنوان جنگل‌های بارانی دریا شناخته می‌شوند. مرجان‌های امروزی که صخره‌ساز هستند، در دوره تریاسیک حدود ۲۵۰ میلیون سال پیش تکامل یافته‌اند. این مرجان‌ها می‌توانند در همزیستی با موجودات ریز، اغلب جلبک‌ها، زندگی کنند که قادر به انجام فتوسنتز هستند. این همزیستی نوری به ویژه در آب‌های کم‌مواد مغذی مفید است زیرا به مرجان‌ها کمک می‌کند تا مواد مغذی کمیاب را بازیافت کنند.

شواهد زمین‌شناسی نشان می‌دهد که مرجان‌ها در دوره دوونین، بیش از ۳۸۵ میلیون سال پیش وجود داشته‌اند؛ به عنوان مثال، در مناطق ایفل و زاورلند در آلمان. مرجان‌های فسیل‌شده از رده‌های منقرض‌شده تابولاتا (“مرجان‌های لانه زنبوری”) و روگوزا (“مرجان‌های شاخی”) که در این مناطق یافت شده‌اند، نشان می‌دهد که ماسیو راینیش زمانی تحت پوشش دریای گرمسیری در دوره میانه دوونین بوده است، جایی که صخره‌های عظیم شکوفا شده بودند. با این حال، مشخص نیست که آیا گروه‌های منقرض‌شده مرجان‌های دوونین دارای همزیست‌های نوری بوده‌اند یا خیر.

تیمی از پژوهشگران به رهبری مؤسسه ماکس پلانک، دانشگاه گوته فرانکفورت و مؤسسه تحقیقاتی سنکنبرگ و موزه تاریخ طبیعی فرانکفورت، اکنون با استفاده از تحلیل ایزوتوپ‌های نیتروژن نشان داده‌اند که برخی از مرجان‌های منقرض‌شده از دوره میانه دوونین، در حال حاضر همزیست بوده‌اند. این یافته نشان‌دهنده شواهد ژئوشیمیایی از قدیمی‌ترین همزیستی نوری تأییدشده در مرجان‌ها است.

مقایسه مرجان‌های همزیست و غیرهمزیست

پژوهشگران توانستند همزیستی را با مقایسه مقادیر ایزوتوپ نیتروژن در مواد آلی مرجان‌های همزیست امروزی و مرجان‌های غیرهمزیست نشان دهند. مقادیر ایزوتوپ نیتروژن، به‌ویژه نسبت نیتروژن “سنگین” (۱۵N) به نیتروژن “سبک” (۱۴N)، برای تفکیک مراحل مختلف هرم غذایی مناسب است. به عنوان مثال، پژوهشگران می‌توانند ایزوتوپ‌های نیتروژن را تحلیل کنند تا تعیین کنند که آیا یک موجود زنده رژیم غذایی گیاهی یا گوشتی دارد. هرچه یک موجود در هرم غذایی بالاتر باشد، مقدار ایزوتوپ نیتروژن آن نیز بالاتر است. این به این دلیل است که موجودات نیتروژن سبک را سریع‌تر از نیتروژن سنگین متابولیزه می‌کنند و این امر منجر به دفع آسان‌تر ایزوتوپ سبک می‌شود.

تحلیل مرجان‌های مدرن نشان داد که تفاوت ثابتی وجود دارد: مرجان‌هایی که انرژی خود را عمدتاً از فتوسنتز جلبک‌های همزیست به دست می‌آورند، مقادیر ایزوتوپ نیتروژن کمتری دارند. در مقابل، مرجان‌هایی که با فعالانه شکار پلانکتون تغذیه می‌کنند، مقادیر ایزوتوپ نیتروژن بالاتری دارند. جاناتان یونگ از مؤسسه ماکس پلانک برای شیمی می‌گوید: “تفاوت ثابت در مقادیر ایزوتوپ نیتروژن با انتظارات ما همخوانی دارد و نشان‌دهنده جهش معمولی در زنجیره غذایی است زیرا مرجان‌های همزیست یک سطح پایین‌تر از مرجان‌های غیرهمزیست در این سلسله‌مراتب قرار دارند.”

تحقیقات جدید درباره زندگی مرجان‌ها در دوران دوونین

جنگ، شیمیدان دریایی و نویسنده اصلی مطالعه‌ای است که اکنون در نشریه Nature منتشر شده است. در این تحقیق، نمونه‌های فسیلی از مناطق زاورلند، ایفل، صحرای غربی و مراکش مورد بررسی قرار گرفته‌اند. سیمون فلیکس زوپ، نویسنده همکار و یکی از آغازکنندگان این تحقیق از دانشگاه گوته فرانکفورت می‌گوید: “بر اساس این دانش، توانستیم بررسی کنیم که مرجان‌ها در دوران دوونین چه نقشی داشتند.”

برای این منظور، محققان نمونه‌های تازه جمع‌آوری‌شده از مرجان‌های فسیلی در زاورلند و نمونه‌های موزه‌ای از ایفل، صحرای غربی و مراکش که در مجموعه مؤسسه تحقیقاتی سنکنبرگ و موزه تاریخ طبیعی فرانکفورت موجود بود، را تحلیل کردند. دشواری کار در این است که در فسیل‌ها، نسبت مواد آلی لازم برای تحلیل بسیار کم است. با این حال، تیمی به رهبری آلفردو مارتینز-گارسیا از آزمایشگاه مؤسسه ماکس پلانک از یک روش تحلیلی نوین استفاده کرد که تنها به چند میلی‌گرم از مواد فسیلی مرجان‌های آسیاب‌شده نیاز دارد.

این فسیل‌ها همچنین تفاوت‌های معناداری در مقادیر ایزوتوپ نیتروژن بین گونه‌های مختلف مرجان نشان دادند. به طور معمول، مرجان‌های کلونی‌ساز از رده Tabulata و Rugosa مقادیر ایزوتوپ نیتروژن به مراتب کمتری نسبت به مرجان‌های عمدتاً تنها از رده Rugosa داشتند. این نتایج به دانشمندان نشان داد که برخی از گونه‌های مرجان در دوران میانه دوونین به زندگی در فوتوسیمبیوز مشغول بوده‌اند. آلفردو مارتینز-گارسیا می‌گوید: “فوتوسیمبیوز می‌تواند توضیح دهد که چرا صخره‌های مرجانی با وجود محیط کم‌مواد مغذی، بسیار پربار و بزرگ بودند.”

این مطالعه آغازگر تحقیقی دقیق‌تر در مورد چرخه مواد مغذی در عصر پالئوزوئیک است که دوران دوونین را شامل می‌شود. این روش به درک این موضوع کمک می‌کند که تا چه حد انقراض جمعی مرجان‌ها و سایر ساکنان صخره‌ها در اواخر دوران دوونین به سطح مواد مغذی اقیانوس مرتبط است. ایبرهارد شیندلر از مؤسسه تحقیقاتی سنکنبرگ و موزه تاریخ طبیعی فرانکفورت اضافه می‌کند: “علاوه بر این، این بینش جدید امکان درک بهتری از زنجیره‌های غذایی صخره‌های اولیه را فراهم می‌کند.” این امر می‌تواند به نوبه خود بینش‌های ارزشمندی برای درک اکوسیستم‌های مرجانی معاصر ارائه دهد. همچنین، محققان امیدوارند که تحقیقات خود را به گذشته‌های زمین‌شناسی گسترش دهند.

دوران دوونین

دوران دوونین یک دوره زمین‌شناسی از عصر پالئوزوئیک است که حدود ۴۱۹ میلیون سال پیش آغاز و حدود ۳۵۹ میلیون سال پیش به پایان رسید. در دوران دوونین، صفحات تکتونیکی زمین بسیار فعال بودند و ابرقاره‌های لوروسیا و گوندوانا به یکدیگر نزدیک‌تر شدند. صخره‌های مرجانی عظیمی در میانه دوونین شکل گرفتند که بسیاری از آن‌ها به عنوان ساختارهای فسیلی در اروپا، آمریکای شمالی، شمال آفریقا، استرالیا، سیبری و چین حفظ شده‌اند.

تحلیل ایزوتوپ نیتروژن

هر چه نسبت ایزوتوپ‌های نیتروژن ۱۵N به ۱۴N در یک نمونه بیشتر باشد، موقعیت حیوان در زنجیره غذایی بالاتر است. متابولیسم حیوانی محصولات زائد نیتروژنی مانند آمونیوم یا اوره تولید می‌کند. دفع این محصولات متابولیک منجر به افزایش نسبت نیتروژن “سنگین” (۱۵N) به نیتروژن “سبک” (۱۴N) در موجود زنده نسبت به غذای آن می‌شود.