زیست اسرارآمیز میکروبی‌ها در اعماق زمین: کشف جدید جهانی

میکروب‌های پنهان در اعماق زمین

کدام میکروب‌ها در اعماق زمین، در تاریکی، در معادن طلا، در سفره‌های آب زیرزمینی و در چاه‌های عمیق کف دریا زندگی می‌کنند و چگونه با میکروبیوم‌هایی که سطح زمین را در بر گرفته‌اند، مقایسه می‌شوند؟ یک مطالعه جهانی که به این سؤال بزرگ پرداخته، در آزمایشگاه زیست‌شناسی دریایی (MBL) در وودز هول انجام شده و تنوع میکروبی شگفت‌انگیزی را در برخی محیط‌های زیرسطحی (تا ۴۹۱ متر زیر کف دریا و تا ۴۳۷۵ متر زیر زمین) نشان می‌دهد. این کشف به وجود مخازن وسیع و دست‌نخورده‌ای از تنوع برای جستجوی ترکیبات جدید و داروها، درک چگونگی سازگاری سلول‌ها با محیط‌های با انرژی بسیار پایین و روشن کردن جستجو برای زندگی فرازمینی اشاره دارد.

این مطالعه که به رهبری امیل راف، دانشمند همکار MBL انجام شده، این هفته در نشریه Science Advances منتشر شده است. راف می‌گوید: “به طور معمول فرض می‌شود که هر چه به عمق زمین بروید، انرژی کمتری در دسترس است و تعداد سلول‌هایی که می‌توانند زنده بمانند، کمتر می‌شود. در حالی که هر چه انرژی بیشتر باشد، تنوع بیشتری می‌تواند تولید و حفظ شود – مانند جنگل‌های گرمسیری یا صخره‌های مرجانی که نور و گرمای زیادی دارند.”

او ادامه می‌دهد: “اما ما نشان می‌دهیم که در برخی محیط‌های زیرسطحی، تنوع می‌تواند به راحتی با تنوع در سطح رقابت کند و حتی آن را فراتر ببرد. این به ویژه در مورد محیط‌های دریایی و میکروب‌های حوزه آرکئا صادق است.” این مطالعه وسیع که ۸ سال طول کشیده، همچنین یکی از نخستین مطالعاتی است که تنوع میکروبی و ترکیب جامعه را در محیط‌های دریایی و زمینی مقایسه می‌کند.

تفاوت‌های میکروبیوم‌های دریایی و زمینی

راف می‌گوید: “به گیاهان و جانوران نگاه کنید – تعداد بسیار کمی از آن‌ها به هر دو محیط دریایی و زمینی سازگار هستند. یک استثنا می‌تواند ماهی سالمون باشد.” او می‌افزاید: “سؤال جالب این است که آیا این موضوع برای میکروب‌ها نیز صدق می‌کند؟” پاسخ آن مثبت است. آن‌ها دریافتند که میکروبیوم‌های دریایی و زمینی از نظر ترکیب، تفاوت‌های زیادی دارند، در حالی که سطح تنوع آن‌ها مشابه است. راف می‌گوید: “بنابراین، به نظر می‌رسد که این یک اصل اکولوژیکی جهانی است. یک تقسیم‌بندی بسیار واضح بین اشکال زندگی در محیط‌های دریایی و زمینی وجود دارد، نه تنها در سطح بلکه در زیر سطح نیز. فشارهای انتخابی در زمین و دریا بسیار متفاوت هستند و آن‌ها موجودات مختلفی را انتخاب می‌کنند که در هر دو محیط زندگی دشواری دارند.”

زندگی در اعماق، در تاریکی و آرامش

راف می‌گوید: “بار اولی که دانشمندان به طور گسترده متوجه شدند یک مخزن بزرگ از میکروب‌ها درست زیر پاهای ما، در عمق کیلومترها در سنگ و زیر کف دریا وجود دارد، به اواسط دهه ۱۹۹۰ برمی‌گردد.” دانشمندان اکنون تخمین می‌زنند که بین ۵۰ تا ۸۰ درصد از سلول‌های میکروبی زمین در زیرسطح زندگی می‌کنند، جایی که دسترسی به انرژی می‌تواند به مراتب کمتر از سطح آفتابی باشد. با این مطالعه، راف می‌گوید: “ما اکنون می‌توانیم درک کنیم که شاید نیمی از تنوع میکروبی زمین در زیرسطح باشد.” او ادامه می‌دهد: “و جالب است که در این محیط‌های با انرژی پایین، به نظر می‌رسد زندگی کاهش یافته و گاهی به حداقل مطلق می‌رسد.”

یادگیری از میکروب‌های زیرسطحی و زمان‌های زندگی آن‌ها

بر اساس برآوردها، برخی از سلول‌های زیرسطحی به‌طور میانگین هر ۱۰۰۰ سال یک بار تقسیم می‌شوند. بنابراین، این میکروب‌ها زمان‌های زندگی کاملاً متفاوتی دارند و ما می‌توانیم از آن‌ها در مورد پیری چیزهایی بیاموزیم. او می‌گوید: “برای زنده ماندن در زیرسطح، معقول است که به‌طور تکاملی خود را به گونه‌ای سازگار کنیم که نیازهای انرژی و قدرت خود را به حداقل برسانیم و هر بخش از متابولیسم خود را به گونه‌ای بهینه کنیم که تا حد امکان انرژی کارآمد باشد.” همچنین می‌توانیم از این مسئله بیاموزیم که چگونه در شرایطی که تقریباً هیچ چیزی نداریم، بسیار کارآمد باشیم. اگر در تاریخ مریخ یا سیارات دیگر در مقطعی آب مایع وجود داشته است – و شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهد مریخ چنین حالتی داشته است – اکوسیستم‌های سنگی در عمق ۳ کیلومتری زیر سطح آن، بسیار شبیه به اکوسیستم‌های روی زمین خواهند بود، راف می‌گوید. “انرژی در آنجا بسیار کم خواهد بود و زمان‌های تولید ارگانیسم‌ها بسیار طولانی خواهد بود. درک زندگی عمیق در زمین می‌تواند مدلی برای کشف این باشد که آیا زندگی در مریخ وجود داشته و آیا هنوز هم زنده مانده است.”

چگونه این مطالعه موفق شد در حالی که دیگران نتوانستند

مطالعات زندگی میکروبی در نقاط مختلف سطح و زیرسطح زمین جدید نیستند و به‌طور خاصی کم نیستند. اما، راف می‌گوید، داده‌های این مطالعات به دلیل ناهماهنگی در روش‌های تحقیقاتی که گروه‌های مختلف استفاده کرده بودند، دشوار و حتی غیرممکن برای ترکیب بودند. در مقابل، مطالعه حاضر در سال ۲۰۱۶ آغاز شد، زمانی که راف، که آن زمان محقق پسادکترا بود، در جلسه‌ای از سرشماری زندگی عمیق شرکت کرد؛ تلاشی پیشگامانه برای ارزیابی زندگی میکروبی زیرسطحی که به‌طور مشترک توسط میچل سوگین، دانشمند ارشد متمایز MBL رهبری می‌شد. در این سرشماری، گروه‌های تحقیقاتی در سرتاسر جهان نمونه‌های زیرسطحی را به MBL ارسال کردند، جایی که دانشمندان از همان روال‌ها برای توالی‌یابی و تحلیل DNA میکروبی نمونه‌ها استفاده کردند (هیلاری موریسون، دانشمند MBL، این بخش از کار را رهبری کرد). این برای اولین بار یک مجموعه داده منسجم فراهم کرد که امکان مقایسه بیش از ۱۰۰۰ نمونه از ۵۰ اکوسیستم دریایی و زمینی را فراهم می‌کرد. و راف به ایده انجام این مقایسه بزرگ‌مقیاس علاقه‌مند شد. “برای اولین بار، ما می‌توانستیم میکروبیوم‌ها را به‌طور مستقیم با هم مقایسه کنیم، به‌عنوان مثال، رسوبات سطح دریاچه‌های بزرگ را با رسوبات دو کیلومتر زیر بستر دریا،” راف می‌گوید. “این جایی است که زیبایی این مقاله ترکیبی به وجود می‌آید.”

مطالعات بزرگ‌مقیاس مانند این به همکاری‌های زیادی نیاز دارند، به‌ویژه نویسنده اول مشترک ایزابل هرابه د آنجلیس از مؤسسه ماکس پلانک برای شیمی، که مهارت‌های بیوانفورماتیک او برای این مطالعه حیاتی بود. علاوه بر این، دانشمندان دیگری از آزمایشگاه زیست‌شناسی دریایی (میچل سوگین، هیلاری موریسون، آنا شیپونووا و الکسی موروزوف) به این مقاله کمک کردند، همچنین دانشمندان از دانشگاه‌های مختلف از جمله آلاباما جنوبی، ایالت اورگان، ETH زوریخ، تنسی-ناکسویل، مینه‌سوتا-دولوت، آزمایشگاه دریایی جزیره دوفین، تولون، کین ماری لندن، ساووا مونت بلان، میشیگان، گورجیا، مؤسسه اقیانوس‌شناسی وودز هول، دویسبورگ-اسن و کالیفرنیا-سان‌فرانسیسکو و آروای اینتلیجنس.