سلول‌های زیر زمین چگونه بدون نور «اکسیژن تاریک» تولید می‌کنند

در دنیایی که نور خورشید بر آن می‌تابد، فتوسنتز اکسیژن مورد نیاز حیات را فراهم می‌کند. اما در اعماق زمین، زندگی راه‌های دیگری برای ادامه دادن پیدا می‌کند.

دانشمندان دریافته‌اند که در خاک و صخره‌های زیر پای ما زیست‌کره‌ای وسیع وجود دارد. درباره‌ی این موجودات زیرزمینی که بیشتر توده میکروبی سیاره را تشکیل می‌دهند و تنوعشان ممکن است از تنوع اشکال حیات ساکن در سطح زمین بیشتر باشد، اطلاعات کمی وجود دارد.

وجود میکروب‌های زیرزمینی با معمای بزرگی همراه است: پژوهشگران غالبا تصور می‌کردند که بیشتر قلمروهای زیرزمینی، نواحی مرده‌ای هستند که کمبود اکسیژن دارند و فقط میکروب‌های اولیه‌ای در آن‌ها زندگی می‌کنند که به کمک مواد مغذی ناچیز خود را حفظ می‌کنند. این تصور وجود داشت که با کاهش منابع و در اعماق بیشتر، محیط زیرزمینی باید فاقد حیات باشد. اما در پژوهشی که در مجله‌ی Nature Communications منتشر شده است، فرضیات یادشده به چالش کشیده می‌شود.

دانشمندان در مخازن آب زیرزمینی در عمق ۲۰۰ متری زیر میدان‌های سوخت فسیلی آلبرتا در کانادا، میکروب‌های فراوانی را کشف کردند که حتی در غیاب نور مقادیر زیادی اکسیژن تولید می‌کنند. مقدار گاز منتشرشده از این سلول‌ها آنقدر زیاد است که شرایط مساعدی برای زندگی وابسته به اکسیژن در آب‌های زیرزمینی و لایه‌های اطراف ایجاد می‌کند.

پژوهش‌های گذشته اغلب مکانیسم‌هایی را بررسی کرده‌اند که می‌توانند هیدروژن و برخی از مولکول‌های حیاتی دیگر را تولید کنند که برای زندگی زیرزمین مورد نیاز است، اما تولید مولکول‌های حاوی اکسیژن تا حد زیادی نادیده گرفته شده است، زیرا چنین مولکول‌هایی در محیط زیرزمین به سرعت مصرف می‌شوند.

امیل راف، پژوهشگر آزمایشگاه زیست‌شناسی دریا در وودز هول ماساچوست و همکارانش پس از نمونه‌گیری از آب‌های زیرزمینی از ۹۵ چاه در آلبرتا بررسی میکروسکوپی اولیه را شروع کردند: آن‌ها میکروب‌های موجود در نمونه‌های آب زیرزمینی را با رنگ مخصوص اسید نوکلئیک رنگ‌آمیزی و از میکروسکوپ فلوئورسانس برای شمارش آن‌ها استفاده کردند. پژوهشگران همچنین به کمک تاریخ‌گذاری پرتوسنجشی ماده آلی موجود در نمونه‌ها و بررسی عمقی که از آن جمع‌آوری شده بودند، قدمت سفره‌های آب زیرزمینی را تعیین کردند.

بسیاری از میکروب‌های موجود در نمونه‌ها آرکئاهای متانوژن‌ (متان‌زا) بودند: میکروب‌های ساده تک‌سلولی که پس از مصرف هیدروژن و کربنی که از سنگ‌ها یا مواد آلی پوسیده تراوش می‌کند، متان تولید می‌کنند. باکتری‌هایی فراوانی نیز وجود داشتند که از متان یا مواد معدنی موجود در آب تغذیه می‌کردند.

آنچه منطقی به‌نظر نمی‌رسید، حضور باکتری‌های هوازی فراوان بود، یعنی میکروب‌هایی که برای مصرف متان و ترکیبات دیگر به اکسیژن نیاز دارند. چگونه میکروب‌های هوازی می‌توانند در آب‌های زیرزمینی که به علت ناممکن‌بودن فتوسنتز نباید اکسیژن داشته باشند، رشد کنند؟ تجزیه‌و‌تحلیل‌های شیمیایی، اکسیژن محلول فراوانی را در نمونه‌های آب‌های زیرزمینی در عمق ۲۰۰ متری نیز آشکار کرد. باورکردنی نبود. دانشمندان فکر کردند نمونه آلوده شده است.

راف ابتدا سعی کرد نشان دهد اکسیژن محلول موجود در نمونه‌ها حاصل بی‌دقتی در فرایند نمونه‌برداری است. اگرچه محتوای اکسیژن محلول در بین صدها نمونه ثابت به‌نظر می‌رسید، بنابراین فرضیه آلوده‌شدن نمونه‌ها نمی‌توانست درست باشد. اگر اکسیژن محلول نتیجه‌ی آلوده‌شدن نمونه‌ها نیست، پس از کجا آمده است؟ راف متوجه شد در آستانه کشف مهمی است. بسیاری از نویسندگان همکار او نیز مردد بودند، زیرا این یافته تصور دانشمندان از اکوسیستم‌های زیرسطح زمین را دگرگون می‌کرد.

در تئوری اکسیژن محلول در آب‌های زیرزمینی می‌تواند از گیاهان، میکروب‌ها یا از فرایندهای زمین‌شناسی منشا گرفته باشد.

پژوهشگران از طیف‌سنجی جرمی استفاده کردند که می‌تواند جرم ایزوتوپ‌ها را اندازه‌گیری کند. به‌طور معمول، اتم‌های اکسیژن متعلق به منابع زمین‌شناسی سنگین‌تر از اکسیژنی هستند که از منابع زیستی منشا گرفته است. اکسیژن موجود در آب‌های زیرزمینی سبک بود که نشان می‌داد باید از موجود زنده‌ای منشا گرفته باشد. محتمل‌ترین کاندیداها میکروب‌ها بودند.

پژوهشگران ژنوم جامعه میکروبی موجود در نمونه آب‌های زیرزمینی را توالی‌یابی کردند و مسیرهای بیوشیمیایی و واکنش‌هایی را ردیابی کردند که برای تولید اکسیژن وجود داشت. پاسخ‌ها به کشفی اشاره داشت که بیش از یک دهه پیش مارک استروس از دانشگاه کلگری به آن دست پیدا کرده بود.

استروس در اواخر دهه ۲۰۰۰ هنگام کار در آزمایشگاهی در هلند متوجه شد نوعی باکتری مصرف‌کننده متان که اغلب در رسوبات دریاچه‌ها و لجن فاضلاب‌ها یافت می‌شود، روش عجیبی برای زندگی کردن دارد.

باکتری مذکور به‌جای اینکه مانند سایر میکروب‌های هوازی اکسیژن محیط خود را جذب کند، با استفاده از آنزیم‌هایی برای تجزیه نیتریت‌ها (ترکیبات حاوی نیتروژن و دو اتم اکسیژن) اکسیژن خود را تولید می‌کند. این باکتری از اکسیژنی که خودش تولید می‌کند، برای شکستن متان و تولید انرژی استفاده می‌کند. فرایند تجزیه ترکیبات به این شکل گسست ناهمگن (dismutation) نامیده می‌شود.

درحالی‌که قبلا تصور می‌شد تولید اکسیژن به روش گسست ناهمگن در طبیعت نادر باشد، آزمایش‌های اخیر روی جوامع میکروبی مصنوعی نشان داده است اکسیژن تولیدشده طی فرایند گسست ناهمگن می‌تواند از سلول‌ها بیرون بیاید و وارد محیط اطراف شود تا سایر ارگانیسم‌های وابسته به اکسیژن آن را مصرف کنند. راف فکر می‌کند این فرایند همان چیزی است که جوامع میکروبی میکروب‌های هوازی را قادر می‌سازد در آب‌های زیرزمینی و احتمالا در خاک‌های اطراف رشد کنند.

یافته راف و همکارانش درک دانشمندان از نحوه تکامل زیست‌کره عظیم زیرزمین و همچنین نقش گسست ناهمگن در چرخه ترکیبات درحال حرکت جهان را افزایش می‌دهد. به‌گفته‌ی راف، این موضوع درک ما از گذشته، حال و آینده حیات زیرزمینی را دگرگون می‌سازد.

درک حیات زیر سطح زمین ازنظر حیات خارج از زمین نیز می‌تواند مهم باشد. به‌عنوان مثال، خاک مریخ حاوی ترکیبات پرکلرات است که برخی از میکروب‌های زمین می‌توانند آن را به کلرید و اکسیژن تبدیل کنند. اروپا (قمر مشتری) اقیانوسی عمیق و یخ‌زده دارد. نور خورشید ممکن است به درون آن نفود نکند، اما در آنجا اکسیژن ممکن است طی فرایند گسست ناهمگن میکروبی تولید شود.

دانشمندان توده‌هایی از بخار آب را مشاهده کرده‌اند که همچون فواره از سطح انسلادوس، قمر زحل خارج می‌شود. این توده‌ها احتمالا از اقیانوس زیرسطحی آن سرچشمه می‌گیرند. شاید موجودات دنیاهای دیگر به کمک فرایند گسست ناهمگن به زندگی ادامه دهند.