میکروب‌های «زامبی» محدودیت‌های انرژی زندگی را بازتعریف می‌کنند

منتشرشده در Quanta Magazine به تاریخ ۱۲ آگوست ۲۰۲۰
لینک مقاله اصلی: ‘Zombie’ Microbes Redefine Life’s Energy Limits

یک مدل جدید نشان می‌دهد که ساکنان یک بیوم عظیم و باستانی زیر کف دریا به سختی از انرژی کافی برای زنده ماندن استفاده می‌کنند-و درک گسترده از این که زندگی چه شکلی می‌تواند باشد را گسترش می‌دهند.

انرژی سیاره را می‌راند؛ این ارزی است که همه موجودات زنده برای رشد، توسعه و عملکرد از آن استفاده می‌کنند. اما سلول‌ها به چه مقدار انرژی نیاز دارند؟ میکروب‌های رسوبی ساکن در زیر کف دریا-که ممکن است تعداد سلول‌های میکروبی که در خود اقیانوس‌ها یافت می‌شوند بیشتر باشد-پاسخ‌های شگفت‌انگیزی را فراهم می‌کنند. موجودات زنده نه تنها آنچه را که دانشمندان در مورد نیازهای انرژی زندگی می‌دانند به چالش می‌کشند، بلکه به روش‌های جدیدی برای تعریف این که زندگی چیست و کجا ممکن است آن را پیدا کنیم نیز اشاره می‌کنند.

هفته گذشته در Science Advances، محققان کامل‌ترین تصویر تا به امروز را از بیوسفر پنهان و عجیب در زیر کف دریا ارائه دادند. سفرهای حفاری در اقیانوس بارها آن اعماق بی‌نور و سلول‌های بدون پوشش را بررسی کرده‌اند که تقریبا در حالت معلق زنده می‌مانند و انرژی کمتری نسبت به همسایگان خود در سطح زمین مصرف می‌کنند. اما مدل ارائه‌شده در مطالعه جدید نشان می‌دهد که این حالت نهفته احتمالا در مورد اکثر میکروب‌های موجود در رسوبات اقیانوس صدق می‌کند-و اینکه آن‌ها معمولا در بودجه‌های انرژی که به حداقل نظری برای زندگی می‌رسد، زندگی می‌کنند.

جیمز بردلی، یک زمین‌شناس در دانشگاه کویین‌مری لندن و نویسنده ارشد مطالعه مدل‌سازی جدید، گفت: «کل این بیوسفر از سلول‌ها، که معادل اندازه خاک‌های جهان است، به سختی انرژی کافی برای زنده ماندن دارد.»

برای یادگیری در مورد میکروب‌هایی که در رسوبات زیر دریا زندگی می‌کنند، دانشمندان معمولا باید به سفرهای حفاری برای بازیابی نمونه‌های آن‌ها بپردازند. جان امند، مدیر مرکز تحقیقات بیوسفر انرژی تاریک در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی و یکی از نویسندگان این مقاله، گفت: «اما این ماموریت‌ها دشوار و پرهزینه هستند-و به این دلیل که ۷۰ درصد از سطح کره زمین توسط اقیانوس‌ها پوشانده شده‌است، ما به سرعت متوجه شدیم که قصد نداریم تعداد نمونه‌هایی که واقعا برای نقشه‌برداری رسوبات دریایی مورد نیاز است را به دست آوریم. بنابراین ما باید از داده‌هایی که وجود دارند استفاده کنیم و آن‌ها را با روش‌های مدل‌سازی بسط دهیم.»

برای رسیدن به این هدف، آمند، بردلی و بقیه اعضای تیم آن‌ها صدها هزار بخش را در اقیانوس‌ها کشف کردند و از داده‌های چندین دهه سفر، آزمایش‌های آزمایشگاهی و مدل‌های نظری برای برون یابی نیم‌رخ دقیقی از رسوبات جوان‌تر در هر بخش استفاده کردند. مقادیری که آن‌ها تخمین زدند شامل سن رسوبات، تراکم و توزیع سلول‌ها در آن‌ها، این که چگونه آن سلول‌ها انرژی خود را به دست آوردند و میزان سوخت و ساز مواد مغذی موجود توسط سلول‌ها بود.

از آن مقادیر، محققان مصرف نیروی سلول‌ها در هر منطقه را محاسبه کردند-نرخی که سلول‌ها انرژی را به دست می‌آورند و از آن استفاده می‌کنند، نه فقط مقدار خود انرژی. کارن لوید، یک میکروبیولوژیست در دانشگاه تنسی، نوکسویل که در این مطالعه شرکت نداشت، گفت: «این مهم است، زیرا راه دقیق تری برای صحبت در مورد انرژی‌بخش‌های زندگی است. زمان واقعا برای زندگی اهمیت دارد.»

یک زپتووات از زندگی

آن‌ها دریافتند که سلول‌های مدفون در رسوبات اقیانوسی در سطوح توان بسیار پایین عمل می‌کنند. در کل، میکروب‌ها در آن رسوبات، که در برخی مکان‌ها ممکن است کیلومترها زیر کف دریا گسترش یابند، مجموعا از یک دهم یک درصد از نیروی مصرف‌شده در ۲۰۰ متر بالایی اقیانوس استفاده می‌کنند. به طور متوسط، هر سلول از دفن رسوبات خود در سطحی بسیار پایین‌تر از «برخی از انرژی‌برترین چیزهای جهان» جان سالم به در می‌برد و میزان آن کم‌تر از میزان آن در هر موجود زنده اندازه‌گیری شده در آزمایشگاه است.

این محاسبات در راستای کارهای نظری قبلی توسط اعضای تیم بود که در سال ۲۰۱۵ تلاش کردند تا کم‌ترین مقدار نیروی مورد نیاز برای زندگی را تخمین بزنند؛ براساس این فرض که حتی سلول‌های عمیقا خفته باید آسیب تصادفی به مولکول‌های اساسی خود را برای زنده ماندن تعمیر کنند. آن‌ها دریافتند که برای سلول‌های فردی، این حداقل توان حدودا یک زپتوات یا ۱۰ به توان ۲۱- وات است. این تقریبا نیروی لازم برای بلند کردن یک هزارم دانه نمک به میزان یک نانومتر در روز است. (برای اینکه درک بهتری داشته باشید، بدن انسان به طور متوسط در حدود ۱۰۰ وات نیرو استفاده می‌کند، معادل نیروی یک چراغ مطالعه). مدل جدید نشان می‌دهد که سلول‌هایی که در رسوبات زیر دریا زندگی می‌کنند تنها کمی بیشتر از آن نیرو جذب می‌کنند.

اگر چه این نوع اندازه‌گیری‌ها قبلا برای مناطق زیر دریا انجام شده‌اند، اما تا حدی در انزوا نیز وجود دارند. لوید گفت: «ما هرجایی چندین سوراخ ایجاد کرده‌ایم، اما این مقاله در واقع آن‌ها را کنار هم قرار داده و در یک چشم‌انداز جهانی قرار می‌دهد.»

بیوسفر ایستایی

مفهوم برآوردهای این مطالعه این است که این بیوم زیرزمینی تقریبا هیچ تقسیم سلولی ندارد: برخی از سلول‌های آن پایین ممکن است ۱۰۰ میلیون سال سن داشته باشند. هم چنین به این معنی است که در تمام این مدت، این سلول‌ها ممکن است به هیچ وجه رشد و یا تغییر نکرده باشند. این یک بیوسفر است که با ایستایی مشخص می‌شود. امند گفت: «در واقع، بیشتر سلول‌ها به سختی در حال باقی مانده‌اند. مفهوم ما از چگونگی تکامل سلول‌ها برای این بیوسفر فوق‌العاده بزرگ، از بین می‌رود.»

و با این حال، به خاطر تعداد آن‌ها و هزاران سالی که جان سالم به در برده‌اند، این سلول‌های تقریبا، اما نه کاملا، مرده نقش مهمی در تولید متان، تجزیه بزرگ‌ترین مخزن کربن آلی و دیگر فرایندها دارند. لوید گفت: «آن‌ها موجودات بسیار ضعیفی هستند، اما در واقع اثر بزرگی روی زمین دارند.»

در مجموع، او افزود: « برای ادامه زندگی به قدرت زیادی نیاز ندارید.» و این احتمال وجود دارد که حیات در قلمروهایی وجود داشته باشد که دانشمندان ممکن است قبلا آن‌ها را در نظر نگرفته باشند-از جمله در سیاره‌هایی که به نظر مهمان‌نواز نمی‌آیند. شاید، برای مثال، سلول‌ها توانسته‌اند در دنیاهایی زنده بمانند که زمانی اقیانوس‌هایی داشته‌اند و منتظر مانده‌اند تا شرایط بهبود پیدا کند.

اگرچه این مدل جامع است، اما هنوز کامل نیست: این مدل بر روی رسوبات زیرسطحی جوان‌تر تمرکز می‌کند که قدمت آن به حدود ۲.۶ میلیون سال می‌رسد. میکروب‌های در رسوبات عمیق‌تر ممکن است حتی از قدرت کمتری استفاده کنند در حالی که سلول‌های دیگر در زیستگاه‌های زیر دریایی مثل سنگ‌های پوسته زمین ممکن است قدرت بیشتری استفاده کنند.

فرضیات نیز در این مدل نیازمند بررسی بیشتر هستند. استیو دی هونت، اقیانوس شناس دانشگاه رود آیلند که در این مطالعه شرکت نداشته می‌گوید: «جزئیات زیادی در اینجا وجود دارد که ارزش سرک کشیدن را دارند.» او می‌گوید که، برای مثال، برخی از برآوردهای کار جدید از توزیع جغرافیایی متابولیت‌های هوازی و بی‌هوازی کاملا با یافته‌های قبلی همخوانی ندارند.

اما این انتظار می‌رود، دی هونت افزود: مدل‌ها الگوها را کشف می‌کنند و برای تست بیشتر پیش‌بینی می‌کنند. یوکی مورونو، میکروبیولوژیست در آژانس علوم و فن‌آوری دریایی-زمین ژاپن، دریافت که کار مدل‌سازی توسط بردلی و همکارانش، یافته‌های او را در مورد زندگی عمیق رسوبی تکمیل می‌کند-و ممکن است به پر کردن برخی جاهای خالی کمک کند.

بقا در حدها

مورونو و دی هونت رهبران گروهی از محققان بودند که دو هفته پیش اعلام کردند که باکتری‌های به‌دام‌افتاده در یک خواب ۱۰۰ میلیون ساله را در زیر کف دریا احیا کرده‌اند. آن‌ها با زحمت زیاد بیشتر سلول‌های خفته در آن رسوبات را به حالت رشدی که به طور قابل درکی زنده بود، باز می‌گرداندند. با این حال، وقتی آن‌ها همان چیز را در مطالعه قبلی با رسوبات جوان‌تر و غنی از مواد مغذی امتحان کرده بودند، می‌توانستند تنها بخش کوچکی از میکروب‌ها را احیا کنند-یک نتیجه متناقض، چون آن سلول‌ها در محیطی به ظاهر سخت‌تر باقی مانده بودند.

این مدل در مقاله جدید بردلی به یک توضیح احتمالی اشاره می‌کند: هنگامی که رسوبات ۱۰۰ میلیون ساله برای اولین بار شکل گرفتند، ممکن است میکروب‌های به‌دام‌افتاده انرژی یا قدرت بیشتری داشتند. به گفته مورونو، شاید آن شرایط اولیه و به دنبال آن کاهش سریع‌تر در سطوح انرژی، با مدفون شدن سلول‌ها در اعماق بیشتر، احتمال بقای طولانی‌مدت را بیشتر کند.

او امیدوار است که محققان به یکپارچه‌سازی اطلاعات از مطالعات بیشتر در مدل‌ها ادامه دهند تا این نوع بینش‌ها را به دست آورند. اما به نظر می‌رسد که تاکنون مدل‌سازی به تایید چیزی کمک کرده‌است که بسیاری از دانشمندان به آن مشکوک شده‌اند. لوید گفت «حدهای زندگی چیستند؟ برای زندگی به چه چیزی نیاز دارید؟ معلوم شد که به چیز زیادی نیاز نداریم.»

این متن با استفاده از ربات ترجمه مقاله علمی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.