زیستن در عمق تاریک زمین: رازهای زیست‌مایکروبی در زیرسطح زمین

میکروب‌های پنهان در اعماق زمین

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

این مطالعه که به رهبری امیل روف، دانشمند همکار MBL، انجام شده، این هفته در نشریه Science Advances منتشر شده است. روف می‌گوید: “به‌طور معمول فرض می‌شود که هرچه عمیق‌تر به زیر سطح زمین بروید، انرژی کمتری در دسترس است و تعداد سلول‌هایی که می‌توانند زنده بمانند، کمتر می‌شود. در حالی که هرچه انرژی بیشتر باشد، تنوع بیشتری می‌تواند تولید و حفظ شود – مانند جنگل‌های گرمسیری یا صخره‌های مرجانی که در آن‌ها نور و گرما فراوان است.”

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

تفاوت‌های میکروبیوم‌های دریایی و زمینی

روف می‌گوید: “به گیاهان و حیوانات نگاه کنید – تعداد بسیار کمی از آن‌ها به هر دو محیط دریایی و زمینی سازگار شده‌اند. یک استثنا می‌تواند ماهی سالمون باشد.” او می‌افزاید: “سوالی جالب این است که آیا این موضوع برای میکروب‌ها نیز صادق است؟” بله، آن‌ها به این نتیجه رسیدند که میکروبیوم‌های دریایی و زمینی از نظر ترکیب بسیار متفاوت هستند، در حالی که سطح تنوع آن‌ها مشابه است. روف می‌گوید: “این به نظر می‌رسد یک اصل بوم‌شناختی جهانی باشد. یک تقسیم واضح بین موجودات زنده در محیط‌های دریایی و زمینی وجود دارد، نه تنها در سطح بلکه همچنین در زیرسطح. فشارهای انتخابی در خشکی و دریا بسیار متفاوت‌اند و این فشارها موجودات مختلفی را انتخاب می‌کنند که در هر دو محیط زندگی سختی دارند.”

زندگی در اعماق، تاریکی و آرامش

روف می‌گوید: “اولین بار که دانشمندان به‌طور گسترده متوجه شدند که یک مخزن بزرگ از میکروب‌ها درست زیر پاهای ما، کیلومترها عمق در سنگ و زیر کف دریا وجود دارد، در اواسط دهه ۱۹۹۰ بود.” اکنون دانشمندان 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، روف می‌گوید: “ما اکنون می‌توانیم درک کنیم که شاید نیمی از تنوع میکروبی زمین در زیرسطح وجود دارد. و جالب است که در این محیط‌های با انرژی کم، به نظر می‌رسد زندگی به حداقل مطلق می‌رسد.”

یادگیری از میکروب‌های زیرسطحی

بر اساس برآوردها، برخی از سلول‌های زیرسطحی به طور متوسط هر ۱۰۰۰ سال یک بار تقسیم می‌شوند. بنابراین، این میکروب‌ها زمان‌های زندگی کاملاً متفاوتی دارند و ما می‌توانیم از آن‌ها درباره پیری چیزهایی یاد بگیریم. راوف می‌گوید: “برای زنده ماندن در زیرسطح، منطقی است که به طور تکاملی سازگار شوید تا نیازهای انرژی و قدرت خود را به حداقل برسانید و هر بخش از متابولیسم خود را به گونه‌ای بهینه کنید که تا حد ممکن انرژی کارآمد باشد.” او همچنین می‌افزاید: “ما می‌توانیم از این موضوع بیاموزیم: چگونه می‌توان در شرایطی که تقریباً هیچ چیزی ندارید، به شدت کارآمد باشید.”

اگر مریخ یا سیارات دیگر در برخی از دوره‌های تاریخی خود آب مایع داشته‌اند – و شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهد مریخ چنین بوده است – در این صورت اکوسیستم‌های سنگی در عمق ۳ کیلومتری سطح آن بسیار شبیه به اکوسیستم‌های روی زمین خواهند بود، راوف می‌گوید. “انرژی در آنجا بسیار پایین خواهد بود و زمان‌های نسل موجودات 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 به‌ویژه کم نیستند. اما راوف می‌گوید داده‌های این مطالعات به دلیل ناهماهنگی در روش‌های تحقیقاتی که گروه‌های مختلف استفاده کرده‌اند، دشوار و حتی غیرممکن برای ترکیب بودند. در مقابل، مطالعه حاضر از سال ۲۰۱۶ آغاز شد، زمانی که راوف، که آن زمان محقق پسادکترا بود، در یک جلسه از سرشماری زندگی عمیق شرکت کرد. این پروژه پیشگام به ارزیابی زندگی میکروبی زیرسطحی پرداخته و به‌طور مشترک توسط میتچل سوگین، دانشمند ارشد MBL، رهبری می‌شد.

برای 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 (این بخش از کار توسط هیلاری موریسون، دانشمند MBL، رهبری می‌شد). این برای اولین بار یک مجموعه داده سازگار فراهم کرد که امکان مقایسه بیش از ۱۰۰۰ نمونه از ۵۰ اکوسیستم دریایی و زمینی را فراهم می‌کرد و راوف به ایده انجام این مقایسه بزرگ‌مقیاس علاقه‌مند شد. “برای اولین بار، ما می‌توانستیم میکروبیوم‌ها را به طور مستقیم مقایسه کنیم، به عنوان مثال، رسوبات سطح دریاچه‌های بزرگ را با رسوبات دو کیلومتر زیر بستر دریا مقایسه کنیم.” راوف می‌گوید: “این‌جاست که زیبایی این مقاله ترکیبی به وجود می‌آید.”

مطالعات بزرگ‌مقیاس مانند این به همکاری‌های زیادی نیاز دارند، به‌ویژه نویسنده اول مشترک ایزابل هراپه د آنجلیس از موسسه ماکس پلانک برای شیمی، که مهارت‌های بیوانفورماتیک او برای این مطالعه حیاتی بود. علاوه بر این، دانشمندان دیگری از آزمایشگاه بیولوژیکی دریایی (میتچل سوگین، هیلاری موریسون، آنا شیپونووا و الکسی مورو زوف) نیز در این مقاله مشارکت داشتند، همچنین دانشمندان از دانشگاه آلاباما جنوبی، دانشگاه ایالت اورگان، ETH زوریخ، دانشگاه تنسی-ناکسویل، دانشگاه مینه‌سوتا-دولوت، آزمایشگاه دریایی جزیره دوفین، دانشگاه تولون، دانشگاه کوئین ماری لندن، دانشگاه ساووی مونت بلان، دانشگاه ایالت میشیگان، دانشگاه جورجیا، موسسه اقیانوش‌شناسی وودز هول، دانشگاه دویسبورگ-اسن و دانشگاه کالیفرنیا-سان‌فرانسیسکو و آروای اینتلیجنس.