کد خبر: ۸۳۴۸۱
تاریخ انتشار: ۱۱ ارديبهشت ۱۳۹۴ - ۱۹:۵۸
printنسخه چاپی
sendارسال به دوستان
تعداد بازدید: ۲۱۴۵

راز حيات در اعماق زمين!

زماني تصور مي‌شد انرژي لازم براي تمام اشکال حيات صرفا از جانب خورشيد تامين مي‌شود يا به عبارت ديگر اگر خورشيد نباشد، حيات هم نخواهد بود، اما چند دهه پيش که زيست‌شناسان مطالعه روي نقاط دورافتاده زمين و محيط‌هاي خشن را آغاز کردند، دريافتند جدا از نقش انکارناپذير خورشيد، واکنش‌هاي شيميايي نيز مي‌تواند بخصوص در اعماق درياها و براي موجودات ريزميکروسکوپي نقش حياتي ايفا کند.

پيشرفت هاي علمي نشان داده ميکروب هاي زيادي در طبيعت وجود دارند که انرژي لازم را براي ادامه بقاي خود از طريق انجام واکنش هاي شيميايي و نه لزوما خورشيد به دست مي آورند. اين ميکروب ها يا ميکروارگانيسم هاي افسانه اي را مي توان براحتي در محيط هاي گوناگون از رسوبات بخش هاي تاريک و تحتاني اقيانوس ها گرفته تا به اصطلاح ذخاير ميکروسکوپي آب در درون صخره هاي سخت و جامد پيدا کرد. با وجود اين هنوز پرسش هاي زيادي درباره اکوسيستم هاي خرد ميکروبي باقي مانده است. به عنوان مثال اين که اساسا چگونه ميکروب ها وارد لايه هاي عميق و زيرين زمين شده اند؟ آيا اجتماعات ميکروبي مذکور قابليت رشد دارند يا صرفا حاصل بازيافت مواد غذايي موجود در صخره ها و کربن سلول هاي مرده هستند؟ اين موجودات ميکروسکوپي تا چه اندازه در بخش هاي عميق زيست کره يا بيوسفر (قسمتي از کره زمين که حيات در آن يافت مي شود) نفوذ کرده اند؟ چه مقدار از آنها صرفا بقاياي بيجاني هستند که در دام پروسه هاي کند زمين شناسي افتاده و چرخ فرسايش طبيعي در حال نابودي آنهاست؟ مطالعات ميداني گسترده نشان داده برخي ميکروب ها حتي با وجود آن که کيلومترها در زيرزمين مدفون شده اند، اما باز هم حيات دارند. دانشمندان هنوز بدرستي نمي دانند اين موجودات ريز ميکروسکوپي چه سطحي از زيست کره را اشغال کرده اند يا دقيقا تا چه عمقي مي توانند به بقاي خود ادامه دهند؟

مطالعات پيشين: نمونه برداري از برخي اجتماعات ميکروبي
نمونه برداري، يکي از راه هاي تشخيص ميکروب هاي زيرزميني است. معمولا دانشمندان پس از نمونه برداري ميکروب ها، آنها را زير ميکروسکوپ بررسي مي کنند، اما مشکل اينجاست که باوجود تشخيص ميکروب ها بسختي مي توان گفت آيا آنها روي زمين فعال مي شوند يا عکس العمل آنها در محيط زيست طبيعي شان نيز عينا مشابه رفتاري است که زير ميکروسکوپ دارند؟ سابق بر اين دانشمندان تلاش مي کردند بسته به محدوديت هاي زيست محيطي از جمله درجه حرارت، عمقي را براي فعاليت ميکرو ارگانيسم ها تعريف کنند، اما به دلايل متعدد هنوز نتوانسته اند عمق مشخصي براي اين منظور تعريف کنند. به طور کلي با نزديک شدن به هسته زمين، درجه حرارت بيشتر مي شود و طبيعتا امکان بقاي ميکروب ها در جاهايي که درجه حرارت از حد متعارف بالاتر باشد، وجود ندارد. با وجود اين هنوز بسيار سخت است بتوان مرزي مشخص را براي ادامه حيات موجودات ريز ميکروسکوپي تعيين کرد.

محدوديت هاي بقا
پروفسور توليس اونستوت ـ که استاد علوم زمين شناسي از دانشگاه پرينستون است ـ درباره محدوديت هاي بقاي موجودات ميکروسکوپي مي گويد: «ميکروب ها براي ادامه حيات در درجه حرارت هاي بالا بايد الزاما پروتئين هاي خود را به طور مدام جايگزين کنند. اگر ميکروب ها انرژي متابوليک کافي (انرژي لازم براي سوخت و ساز بدن) براي چنين جايگزيني نداشته باشند، قطعا ادامه بقاي آنها نيز ميسر نخواهد بود.» درجه حرارت هاي بالاي محيط يک چالش بزرگ براي ادامه حيات ميکروب ها تلقي مي شود، چراکه از طرفي اجزاي سازنده سلولي تحت اين شرايط بسرعت شکسته و تجزيه مي شوند و چنانچه حتي يک سلول نتواند آسيب وارده را اصلاح کند، شرايط بسرعت آن سلول و ديگر سلول ها را به سمت نيستي سوق مي دهد. از طرف ديگر اگر در عملکرد پروتئين ها اختلال ايجاد شود، متابوليسم هم به دست انداز مي افتد و در نهايت متوقف مي شود. بديهي است غشاء و ديواره هاي سلولي و حتي DNA در اين شرايط نمي توانند مدت زيادي دوام داشته باشند، لذا اين تنها درجه حرارت نيست که شرايط زيست پذيري را براي ميکروب ها محدود مي کند، بلکه ناتواني موجودات ريزميکروسکوپي در اصلاح خرابي هاي ناشي از درجه حرارت نيز مي تواند يک فاکتور محدودکننده باشد.


بديهي است ميکروب ها علاوه بر منابع به انرژي هم نياز دارند. انرژي در سطوح زيرين زيست کره و آن هم جايي که نور خورشيد در دسترس نيست، تنها به مواد معدني يا شيميايي محدود مي شود که در واکنش هاي شيميايي درون سلولي مورد استفاده قرار مي گيرد. اين واکنش ها و انرژي توليد شده قطعا مي تواند فرشته نجات دانشمندان باشد، چراکه از اين طريق مي توان مطالعات بيشتري روي سرعت تکثير ميکروب ها انجام داد.

روش جديد
تحقيقات تازه اي در همين زمينه از سوي موسسه اختر زيست شناسي ناسا در دست انجام است که در آن رويکردي متفاوت نسبت به مطالعات قبلي در پيش گرفته شده است. دانشمندان در تحقيقات تازه به جاي بررسي وضعيت مواد معدني و شيميايي محيط، تصميم دارند آسيب هاي وارده و ترميم هاي داخل سلولي را مورد مطالعه قرار دهند. اين تيم تحقيقاتي روشي را براساس مفهوم استفاده از آمينواسيد خاصي به نام اسيداسپارتيک (يکي از ۲۰ اسيد آمينه اصلي ياخته هاي زنده) طرح ريزي کرده. اسيد اسپارتيک يک مولکول چيرال است، يعني در طبيعت به دو شکل وجود دارد که هر دوي آنها تصاوير آينه اي يکديگر هستند. نمونه بارز مفهوم چيرال را مي توان در دست هاي انسان جستجو کرد، چراکه هر دو دست انسان نيز تصاوير آينه اي اما غيرانطباق بر يکديگر هستند. سلول هاي موجودات زنده نيز مشخصا توانايي توليد تعداد زيادي اسيداسپارتيک نوع ال يا همان اسيد اسپارتيک موسوم به دست چپ را دارند.

محاسبات کليدي
به گفته پروفسور اونستوت، پروتئين ها نيمي از بيومس سلولي (ماده آلي مورد استفاده براي توليد انرژي) را تشکيل مي دهند. بنابراين جايگزيني پروتئين هاي غيرفعال مستلزم صرف انرژي زيادي در هر نوع محيط حتي محيط هاي گرم است. در برخي محيط هاي خاص نظير چشمه هاي آب گرم يا مجراهاي دريايي عميق، جريان انرژي به حدي است که بتواند جبران اين شرايط را بکند، اما درباره اکوسيستم هاي زيرزميني چنين مساله اي مصداق ندارد. دانشمندان موسسه اختر زيست شناسي ناسا معتقدند سرعت راسميک شدن را براساس شرايط زيست محيطي مي توان تخمين زد، چراکه اين سرعت اغلب به درجه حرارت بستگي دارد. در نتيجه برآورد ميزان پروتئين هاي آسيب ديده يک سلول در درازمدت نيز بر اين اساس عملي است. حتي دانشمندان معتقدند برآورد ميزان انرژي که صرف تجديد پروتئين هاي آسيب ديده مي شود، نيز امکان دارد. مجموع اين محاسبات به دانشمندان کمک مي کند تا بتوانند حداقل انرژي را که توده هاي ميکروبي براي جايگزين کردن پروتئين هاي مرده و ادامه بقا لازم دارند، محاسبه کنند.

جاري کردن نور در تاريکي
روش جديدي که امروز براي ارزيابي امکان بقاي ميکروبي در بخش هاي زيرسطحي و عميق به کار گرفته مي شود، به طور مشخص از روش هاي قديمي پيشرفته تر است. اين مساله هم به اين دليل است که روش هاي ارزيابي دانشمندان امروز بايد بيشتر منطبق بر واقعيت باشد و طبيعتا فرضيه پردازي در آن کمتر ديده شود. پروفسور اونستوت مي گويد در روش هاي قديمي بي اطمينان زياد بود، چراکه در گذشته دانشمندان نمي توانستند تخمين بزنند دقيقا چه نسبتي از کل جمعيت سلولي زنده است و اين مساله طبيعتا عدم قطعيت هاي ديگري را هم درباره ميزان تغييرات بيوژئوشيميايي، فرآيند اصلي سوخت و ساز، متوسط حجم توده سلولي و ميزان رشد به دنبال داشت. اين اطلاعات را امروزه مي توان به دست آورد، اما اين کار مستلزم انجام برنامه هاي حفاري گرانقيمت يا حداقل دسترسي به تونل هاي عميق است که بتوان از طريق آنها هسته ميکروارگانيسم ها را مستقيم و بدون هيچ تغييري استخراج کرد. مشکل ديگري که در اين زمينه وجود دارد، کوچک بودن حجم نمونه هاست. به گفته برخي دانشمندان ممکن است حجم ناچيز نمونه ها نتواند بيانگر دقيق شرايط محيطي باشد.

پروفسور اونستوت افزود: «رويکرد فعلي ما مشخصا مبتني بر اندازه گيري مستقيم زمان مضاعف شدن پروتئين ها و تعيين بيومس يا ماده آلي فعال است. اين روش اندازه گيري نه تنها براي محيط هاي مزوفيليک (با درجه حرارت متوسط) بلکه حتي براي محيط هاي با دماي بالا (فوق گرم) نيز کاربرد دارد. اين در حالي است که در گذشته تعيين نرخ تغييرات بيوژئوشيميايي در چنين محيط هايي عملا غيرممکن بود.»

گرماي اعماق
دانشمندان روش جديد را روي نمونه هاي پلانکتوني ميکروسکوپي برداشت شده از شکاف هاي عميق بخش هاي زيرزميني در آفريقاي جنوبي آزمايش کردند. اسيداسپارتيک موجود در اين نمونه ها به شکلي کاملا بارز گرايش به نوع ال داشت و اين مساله چنانچه پيش تر به آن اشاره شد، حاکي از حضور حيات ميکروسکوپي است. محققين در عين حال متوجه تغيير و تبديل اسيدهاي آمينه در داخل سلول ها شدند و تحقيقات بعدي نشان داد چنين تغييراتي در عمق يک کيلومتري زمين و جايي که دما به ۲۷ درجه سلسيوس مي رسد، مي تواند قريب ۸۹ سال طول بکشد در حالي که در عمق سه کيلومتري و در درجه حرارت ۵۷ درجه سلسيوس مدت زمان اين تغيير کمتر از يک يا دو سال خواهد بود.

ارقام به دست آمده در مقايسه با الگوهاي بيوژئوشيميايي، مشخصا زماني بسيار کوتاه تر را نشان مي دهد. اين در حالي است که در روش جديد حتي مي توان پتانسيل ميکروب هاي ساکن در محيط هاي فوق گرم (حدود ۸۵ درجه سلسيوس) را نيز برآورد کرد. دکتر اونستوت افزود تحقيقات اخير نشان مي دهد احتمالا ميزان بيومس موجودات ميکروسکوپي (در اينجا وزن يا جرم موجودات ريز ميکروسکوپي در واحد سطح يا حجم) احتمالا بسيار کمتر از ميزاني است که پيشتر تصور مي شد.»

جمع بندي
باوجود تمام پيشرفت هاي به دست آمده، دانشمندان اعتقاد دارند سطوح زيرين و گرم زمين کماکان اکوسيستم هاي رمزآلودي هستند. دانشمندان در حال حاضر صرفا تلاش دارند از نحوه زيست موجودات ريزميکروسکوپي اطلاعاتي به دست آورند و اين در حالي است که دامنه فرضيات روز به روز گسترده تر مي شود.