راز حیات؛ مدفون در قلب زمین

به گزارش گروه "رسانه‌های دیگر" خبرگزاری تسنیم، زمانی تصور می‌شد انرژی لازم برای تمام اشکال حیات صرفا از جانب خورشید تامین می‌شود یا به عبارت دیگر اگر خورشید نباشد، حیات هم نخواهد بود، اما چند دهه پیش که زیست‌شناسان مطالعه روی نقاط دورافتاده زمین و محیط‌های خشن را آغاز کردند، دریافتند جدا از نقش انکارناپذیر خورشید، واکنش‌های شیمیایی نیز می‌تواند بخصوص در اعماق دریاها و برای موجودات ریزمیکروسکوپی نقش حیاتی ایفا کند.

پیشرفت‌های علمی نشان داده میکروب‌های زیادی در طبیعت وجود دارند که انرژی لازم را برای ادامه بقای خود از طریق انجام واکنش‌های شیمیایی و نه لزوما خورشید به دست می‌آورند. این میکروب‌ها یا میکروارگانیسم‌های افسانه‌ای را می‌توان براحتی در محیط‌های گوناگون از رسوبات بخش‌های تاریک و تحتانی اقیانوس‌ها گرفته تا به اصطلاح ذخایر میکروسکوپی آب در درون صخره‌های سخت و جامد پیدا کرد. با وجود این هنوز پرسش‌های زیادی درباره اکوسیستم‌های خرد میکروبی باقی‌مانده است. به‌عنوان مثال این‌که اساسا چگونه میکروب‌ها وارد لایه‌های عمیق و زیرین زمین شده‌اند؟ آیا اجتماعات میکروبی مذکور قابلیت رشد دارند یا صرفا حاصل بازیافت مواد غذایی موجود در صخره‌ها و کربن سلول‌های مرده هستند؟ این موجودات میکروسکوپی تا چه اندازه در بخش‌های عمیق زیست‌ کره یا بیوسفر (قسمتی از کره زمین که حیات در آن یافت می‌شود) نفوذ کرده‌اند؟ چه مقدار از آنها صرفا بقایای بیجانی هستند که در دام پروسه‌های کند زمین‌شناسی افتاده و چرخ فرسایش طبیعی در حال نابودی آنهاست؟ مطالعات میدانی گسترده نشان داده برخی میکروب‌ها حتی با وجود آن‌که کیلومترها در زیرزمین مدفون شده‌اند، اما باز هم حیات دارند. دانشمندان هنوز بدرستی نمی‌دانند این موجودات ریز میکروسکوپی چه سطحی از زیست‌ کره را اشغال کرده‌اند یا دقیقا تا چه عمقی می‌توانند به بقای خود ادامه دهند؟

مطالعات پیشین: نمونه‌برداری از برخی اجتماعات میکروبی

نمونه‌برداری، یکی از راه‌های تشخیص میکروب‌های زیرزمینی است. معمولا دانشمندان پس از نمونه‌برداری میکروب‌ها، آنها را زیر میکروسکوپ بررسی می‌کنند، اما مشکل اینجاست که باوجود تشخیص میکروب‌ها بسختی می‌توان گفت آیا آنها روی زمین فعال می‌شوند یا عکس‌العمل آنها در محیط‌زیست طبیعی‌شان نیز عینا مشابه رفتاری است که زیر میکروسکوپ دارند؟ سابق بر این دانشمندان تلاش می‌کردند بسته به محدودیت‌های زیست‌محیطی از جمله درجه حرارت، عمقی را برای فعالیت میکروارگانیسم‌ها تعریف کنند، اما به دلایل متعدد هنوز نتوانسته‌اند عمق مشخصی برای این منظور تعریف کنند. به طور کلی با نزدیک شدن به هسته زمین، درجه ‌حرارت بیشتر می‌شود و طبیعتا امکان بقای میکروب‌ها در جاهایی که درجه حرارت از حد متعارف بالاتر باشد، وجود ندارد. با وجود این هنوز بسیار سخت است بتوان مرزی مشخص را برای ادامه حیات موجودات ریز میکروسکوپی تعیین کرد.

محدودیت‌های بقا

پروفسور تولیس اونستوت ـ که استاد علوم زمین‌شناسی از دانشگاه پرینستون است ـ درباره محدودیت‌های بقای موجودات میکروسکوپی می‌گوید: «میکروب‌ها برای ادامه حیات در درجه‌حرارت‌های بالا باید الزاما پروتئین‌های خود را به طور مدام جایگزین کنند. اگر میکروب‌ها انرژی متابولیک کافی (انرژی لازم برای سوخت و ساز بدن) برای چنین جایگزینی نداشته باشند، قطعا ادامه بقای آنها نیز میسر نخواهد بود.» درجه‌ حرارت‌های بالای محیط یک چالش بزرگ برای ادامه حیات میکروب‌ها تلقی می‌شود، چراکه از طرفی اجزای سازنده سلولی تحت این شرایط بسرعت شکسته و تجزیه می‌شوند و چنانچه حتی یک سلول نتواند آسیب وارده را اصلاح کند، شرایط بسرعت آن سلول و دیگر سلول‌ها را به سمت نیستی سوق می‌دهد. از طرف دیگر اگر در عملکرد پروتئین‌ها اختلال ایجاد شود، متابولیسم هم به دست‌انداز می‌افتد و در نهایت متوقف می‌شود. بدیهی است غشاء و دیواره‌های سلولی و حتی DNA در این شرایط نمی‌توانند مدت زیادی دوام داشته باشند، لذا این تنها درجه‌ حرارت نیست که شرایط زیست‌پذیری را برای میکروب‌ها محدود می‌کند، بلکه ناتوانی موجودات ریزمیکروسکوپی در اصلاح خرابی‌های ناشی از درجه‌ حرارت نیز می‌تواند یک فاکتور محدودکننده باشد.

پروفسور اونستوت می‌افزاید: «باید توجه داشت میکروب‌ها در درجه ‌حرارت‌های پایین نیز از بین می‌روند، در حالی که در درجه‌ حرارت‌های بالاتر، اگر شرایط تغذیه مناسب و انرژی برای آنها فراهم باشد، توانایی بیشتری برای اصلاح و حتی زادآوری دارند. بقای میکروب‌ها بیشتر از هر چیز دیگر تابع منابع و انرژی است. مطالعات پیشین اغلب بر مساله منابع خصوصا منبع کربن آلی تاکید داشتند، در حالی که اولویت‌های تحقیقاتی اکنون کمی متفاوت است.»

انرژی فرشته

بدیهی است میکروب‌ها علاوه بر منابع به انرژی هم نیاز دارند. انرژی در سطوح زیرین زیست‌ کره و آن هم جایی که نور خورشید در دسترس نیست، تنها به مواد معدنی یا شیمیایی محدود می‌شود که در واکنش‌های شیمیایی درون‌سلولی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این واکنش‌ها و انرژی تولید شده قطعا می‌تواند فرشته نجات دانشمندان باشد، چراکه از این طریق می‌توان مطالعات بیشتری روی سرعت تکثیر میکروب‌ها انجام داد. دانشمندان به منظور برآورد سرعت متابولیسم سلول‌های میکروبی در زیر سطح زمین نوسانات برخی از ترکیبات معدنی و شیمیایی را که در فرآیند تولید انرژی به کار می‌روند، مورد مطالعه قرار دادند. میکروب‌ها نیز درست مانند ما چیزهایی می‌خورند تا انرژی لازم را به دست بیاورند و سپس مواد زاید را دفع می‌کنند، اما غذای ایده‌آل میکروب‌ها می‌تواند چیزی شبیه مولکول‌های اکسید آهن باشد. همین نوع خاص تغذیه نیز باعث می‌شود ترکیب مواد معدنی و شیمیایی در محیط تغییر کند. دانشمندان از روی سرعت متابولیسم میکروب‌ها به این جمع‌بندی رسیده‌اند که ساخت ترکیبات کمپلکس در طبیعت توسط میکروب‌ها زمانی دو برابر سوخت و ساز لازم دارد. این مدت زمان طولانی به این جهت است که کربن کافی باید بتواند با بیومس یا همان ماده آلی مورد استفاده برای تولید انرژی، بخوبی در هم بیامیزد. این مهم را دانشمندان در دهه 1990 میلادی (1369 تا 1379 هـ .ش) و زمانی کشف کردند که توانستند از آبی به عمق 200 متر، نمونه‌هایی با قدمت 400‌‌1 تا ‌150 هزار سال بردارند. سال 2005 میلادی (1384 هـ .ش) یک مطالعه تحقیقاتی دیگر همین مدت زمان را آن هم در رسوبات 34 متری زیر سطح دریا تائید کرد. بعلاوه در این مورد آخر دانشمندان تخمین زدند سرعت ساخت ترکیبات کمپلکس در میکروب‌های این رسوبات چیزی حدود ده ماه است.

روش جدید

تحقیقات تازه‌ای در همین زمینه از سوی موسسه اختر زیست‌شناسی ناسا در دست انجام است که در آن رویکردی متفاوت نسبت به مطالعات قبلی در پیش گرفته شده است. دانشمندان در تحقیقات تازه به جای بررسی وضعیت مواد معدنی و شیمیایی محیط، تصمیم دارند آسیب‌های وارده و ترمیم‌های داخل سلولی را مورد مطالعه قرار دهند. این تیم تحقیقاتی روشی را براساس مفهوم استفاده از آمینواسید خاصی به نام اسیداسپارتیک (یکی از 20 اسید آمینه اصلی یاخته‌های زنده) طرح‌ریزی کرده. اسید اسپارتیک یک مولکول چیرال است، یعنی در طبیعت به دو شکل وجود دارد که هر دوی آنها تصاویر آینه‌ای یکدیگر هستند. نمونه بارز مفهوم چیرال را می‌توان در دست‌های انسان جستجو کرد، چراکه هر دو دست انسان نیز تصاویر آینه‌ای اما غیرانطباق‌ بر یکدیگر هستند. سلول‌های موجودات زنده نیز مشخصا توانایی تولید تعداد زیادی اسیداسپارتیک نوع ال یا همان اسید اسپارتیک موسوم به دست چپ را دارند. این در حالی است که در طبیعت اسیداسپارتیک نوع د یا همان اسیداسپارتیک موسوم به دست راست هم وجود دارد. از نظر تئوری اگر در محیطی مقادیر مساوی از هر دو وجود داشته باشد یعنی در آن محیط حیات وجود ندارد، اما زمانی که اسیداسپارتیک نوع ال در نمونه‌های برداشت شده از محیط بیشتر باشد، این مساله می‌تواند نشانه خوبی دال بر حضور سلول‌های زنده باشد، چراکه این سلول‌ها هستند که اسیداسپارتیک نوع ال را می‌سازند. در هر صورت فشارهای وارده از محیط همیشه در تلاش هستند تا میزان این دو را در یک حد تعادل نگه دارند و این فرآیندی است که در دنیای علم از آن با عنوان راسمیک شدن یاد می‌شود.

پروفسور اونستوت در تشریح این مساله می‌افزاید: «از میان تمام اسیدهای آمینه، اسیداسپارتیک سریع‌تر به تعادل می‌رسد یعنی سرعت راسمیک شدن آن بیشتر است. مشخصا فراوانی این اسیدآمینه در پروتئین‌های پروکاریوتی (سلول‌های فاقد هسته و غشای هسته‌ای) بین 6 تا 7 درصد است و این حتی درباره ژنوم باکتری‌های زیرزمینی صادق است.» جالب است بدانید پروسه راسمیک شدن یا رسیدن به تعادل برای سلول‌ها خطرناک است. پروفسور اونستوت می‌افزاید: «نظر به این‌که پروتئین‌های پروکاریوتی متضاد پپتیدها (پلیمرهای کوچک حاصل از به هم پیوستن اسیدهای آمینه با ترتیب مشخص) هستند، پس طبیعتا به نوع ال اسیداسپارتیک نیاز دارند. اگر حتی یک شکست کوچک در نوع ال اسیداسپارتیک پدید آید، آن مولکول بسرعت تبدیل به نوع د خواهد شد و پروتئین سلولی نیز شروع به غیرفعال شدن می‌کند. لایه تحتانی که نقش مولد دارد، با غیرفعال شدن پروتئین شروع به ساخت پروتئین‌های دیگری می‌کند تا جای پروتئین‌های آسیب‌دیده را بگیرد. این فرآیند برای میکروب‌ها نه‌تنها انرژی‌بر است، بلکه حتی منابع لازم را از آنها می‌گیرد.» در بسیاری از محیط‌های زمینی با توجه به در دسترس بودن منابع کافی آن هم در اطراف، این مساله طبعا مشکل‌ساز نخواهد بود، اما برای میکروارگانیسم‌هایی که در زیرزمین و با وجود فقدان منابع برای بقا در حال جنگی دائمی هستند، قطعا مساله‌ساز است.

محاسبات کلیدی

به گفته پروفسور اونستوت، پروتئین‌ها نیمی از بیومس سلولی (ماده آلی مورد استفاده برای تولید انرژی) را تشکیل می‌دهند. بنابراین جایگزینی پروتئین‌های غیرفعال مستلزم صرف انرژی زیادی در هر نوع محیط حتی محیط‌های گرم است. در برخی محیط‌های خاص نظیر چشمه‌های آب گرم یا مجراهای دریایی عمیق، جریان انرژی به حدی است که بتواند جبران این شرایط را بکند، اما درباره اکوسیستم‌های زیرزمینی چنین مساله‌ای مصداق ندارد. دانشمندان موسسه اختر زیست‌شناسی ناسا معتقدند سرعت راسمیک شدن را براساس شرایط زیست‌ محیطی می‌توان تخمین زد، چراکه این سرعت اغلب به درجه حرارت بستگی دارد. در نتیجه برآورد میزان پروتئین‌های آسیب‌دیده یک سلول در درازمدت نیز بر این اساس عملی است. حتی دانشمندان معتقدند برآورد میزان انرژی که صرف تجدید پروتئین‌های آسیب‌دیده می‌شود، نیز امکان دارد. مجموع این محاسبات به دانشمندان کمک می‌کند تا بتوانند حداقل انرژی را که توده‌های میکروبی برای جایگزین کردن پروتئین‌های مرده و ادامه بقا لازم دارند، محاسبه کنند.

جاری کردن نور در تاریکی

روش جدیدی که امروز برای ارزیابی امکان بقای میکروبی در بخش‌های زیرسطحی و عمیق به کار گرفته می‌شود، به طور مشخص از روش‌های قدیمی پیشرفته‌تر است. این مساله هم به این دلیل است که روش‌های ارزیابی دانشمندان امروز باید بیشتر منطبق بر واقعیت باشد و طبیعتا فرضیه‌پردازی در آن کمتر دیده شود. پروفسور اونستوت می‌گوید در روش‌های قدیمی بی‌اطمینان زیاد بود، چراکه در گذشته دانشمندان نمی‌توانستند تخمین بزنند دقیقا چه نسبتی از کل جمعیت سلولی زنده است و این مساله طبیعتا عدم قطعیت‌های دیگری را هم درباره میزان تغییرات بیوژئوشیمیایی، فرآیند اصلی سوخت و ساز، متوسط حجم توده سلولی و میزان رشد به دنبال داشت. این اطلاعات را امروزه می‌توان به دست آورد، اما این کار مستلزم انجام برنامه‌های حفاری گرانقیمت یا حداقل دسترسی به تونل‌های عمیق است که بتوان از طریق آنها هسته میکروارگانیسم‌ها را مستقیم و بدون هیچ تغییری استخراج کرد. مشکل دیگری که در این زمینه وجود دارد، کوچک بودن حجم نمونه‌هاست. به گفته برخی دانشمندان ممکن است حجم ناچیز نمونه‌ها نتواند بیانگر دقیق شرایط محیطی باشد.

پروفسور اونستوت افزود: «رویکرد فعلی ما مشخصا مبتنی بر اندازه‌گیری مستقیم زمان مضاعف شدن پروتئین‌ها و تعیین بیومس یا ماده آلی فعال است. این روش اندازه‌گیری نه‌تنها برای محیط‌های مزوفیلیک (با درجه‌ حرارت متوسط) بلکه حتی برای محیط‌های با دمای بالا (فوق گرم) نیز کاربرد دارد. این در حالی است که در گذشته تعیین نرخ تغییرات بیوژئوشیمیایی در چنین محیط‌هایی عملا غیرممکن بود.»

گرمای اعماق

دانشمندان روش جدید را روی نمونه‌های پلانکتونی میکروسکوپی برداشت شده از شکاف‌های عمیق بخش‌های زیرزمینی در آفریقای جنوبی آزمایش کردند.

اسیداسپارتیک موجود در این نمونه‌ها به شکلی کاملا بارز گرایش به نوع ال داشت و این مساله چنانچه پیش‌تر به آن اشاره شد، حاکی از حضور حیات میکروسکوپی است. محققین در عین حال متوجه تغییر و تبدیل اسیدهای آمینه در داخل سلول‌ها شدند و تحقیقات بعدی نشان داد چنین تغییراتی در عمق یک کیلومتری زمین و جایی که دما به 27 درجه سلسیوس می‌رسد، می‌تواند قریب 89 سال طول بکشد در حالی که در عمق سه کیلومتری و در درجه حرارت 57 درجه سلسیوس مدت زمان این تغییر کمتر از یک یا دو سال خواهد بود. ارقام به دست آمده در مقایسه با الگوهای بیوژئوشیمیایی، مشخصا زمانی بسیار کوتاه‌تر را نشان می‌دهد. این در حالی است که در روش جدید حتی می‌توان پتانسیل میکروب‌های ساکن در محیط‌های فوق گرم (حدود 85 درجه سلسیوس) را نیز برآورد کرد. دکتر اونستوت افزود تحقیقات اخیر نشان می‌دهد احتمالا میزان بیومس موجودات میکروسکوپی (در اینجا وزن یا جرم موجودات ریز میکروسکوپی در واحد سطح یا حجم) احتمالا بسیار کمتر از میزانی است که پیشتر تصور می‌شد.»

جمع‌بندی

باوجود تمام پیشرفت‌های به دست آمده، دانشمندان اعتقاد دارند سطوح زیرین و گرم زمین کماکان اکوسیستم‌های رمزآلودی هستند. دانشمندان در حال حاضر صرفا تلاش دارند از نحوه زیست موجودات ریزمیکروسکوپی اطلاعاتی به دست آورند و این در حالی است که دامنه فرضیات روز به روز گسترده‌تر می‌شود.

مدل‌های بیوژئوشیمیایی

از آنجا که کربن یک عنصر حیاتی روی کره زمین است، میکروب‌ها نیز برای آن‌که بتوانند تکثیر شوند و میکروب‌های دیگری تولید کنند، به این عنصر شیمیایی نیاز دارند. میکروب‌ها کربن را از محیط اطراف می‌گیرند، اما طبیعتا کربن نیز همچون دیگر منابع در سطوح زیرین زیست‌ کره محدود است و در نتیجه میکروب‌ها برای برداشت کربن نیازمند صرف انرژی و سوخت و ساز بالایی هستند. یکی از زیربناهای اصلی تحقیقات روی سطوح زیرین زیست‌ کره، استفاده از مدل‌های بیوژئوشیمیایی به منظور تخمین یا برآورد سرعت سوخت و ساز میکروب‌هاست. از روی سرعت سوخت و ساز می‌توان سرعت ساخت ترکیبات کمپلکس از ترکیبات شیمیایی ساده را در بدن میکروب‌ها تخمین زد. پروفسور اونستوت افزود: «تعیین سرعت مستقیم آنابولیک یا همان سرعت ساخت ترکیبات کمپلکس از ترکیبات شیمیایی ساده به دو دلیل اهمیت دارد؛ نخست این‌که این سرعت بیانگر سرعت تقسیم سلولی است و لذا می‌تواند سرعت تکثیر میکروب‌ها در زیر زمین را نیز مشخص کند.

دوم این‌که این سرعت به‌طور غیرمستقیم به دانشمندان می‌گوید سرعت سوخت و ساز میکروب‌ها چقدر است. تعیین سرعت متابولیسم می‌تواند در مدل‌های بیوژئوشیمیایی جوابگوی بسیاری از سوالات باشد، اما این مورد آخر را خیلی بسختی می‌توان در محدوده‌های سنگی از هم گسیخته تخمین زد.» یک مشکل اساسی دیگر اینجاست که برآورد سرعت ساخت ترکیبات کمپلکس توسط جوامع میکروبی در محیط طبیعی عملا کار بسیار دشواری است. پیشتر دانشمندان صرفا میکروب‌ها را از محیط اولیه نمونه‌برداری کرده و سپس در آزمایشگاه کشت می‌دادند. از آنجا که تحت شرایط آزمایشگاهی امکان زیست برای میکروب‌ها بیشتر است، پس آنها نیز در آزمایشگاه بسرعت رشد می‌کنند و تکثیر می‌شوند و لذا این مساله نمی‌تواند ارزیابی درستی از وضعیت زیست میکروب‌ها ارائه دهد، چراکه واقعیت در دنیای طبیعی قطعا با شرایط آزمایشگاهی متفاوت است. پروفسور اونستوت در تشریح این مساله افزود: «باید بدانید سرعت ساخت ترکیبات کمپلکسی که در آزمایشگاه به دست می‌آید، قطعا از مقدار واقعی بسیار فراتر است.»

منبع: جام جم
انتهای پیام/
خبرگزاری تسنیم: انتشار مطالب خبری و تحلیلی رسانه‌های داخلی و خارجی لزوما به معنای تایید محتوای آن نیست و صرفا جهت اطلاع کاربران از فضای رسانه‌ای بازنشر می‌شود.