فنا ناپذیری میکروب ها

به گزارش تیترشهر؛ در ماه گذشته، رصدخانه کربن عمیق یک واقعیت شگفت‌انگیز را اعلام کرد: مجموع جرم میکروب‌هایی که در زیر سطح زمین زندگی می‌کنند، به ۱۵ تا ۲۳ میلیارد تن کربن می‌رسد که این عدد معادل با ۲۴۵ تا ۳۸۵ مرتبه بزرگ‌تر از جرم کربن همه‌ی انسان‌های روی کره‌ی زمین است. این کشف فوق‌العاده در حالی اعلام می‌شود که ما تا چند وقت پیش اصلاً نمی‌دانستیم امکان وجود حیات در اعماق زمین وجود دارد!

اما به نظر می‌رسد واقعیت تکان‌دهنده‌ای که در هیاهوی انتشار این خبر گم شد و بسیار مهم‌تر از جرم این زیست‌توده بوده است، طول عمر این اکوسیستم عجیب است.

در اواخر دهه‌ی ۱۹۲۰، دانشمندی به‌نام چارلز لیپمن، یک استاد دانشگاه کالیفرنیا در برکلی این فرضیه را مطرح کرد که درون صخره‌های عمق زمین، باکتری‌ها زندگی می‌کنند. البته منظور وی باکتری‌های فسیل‌شده نبود، بلکه باکتری‌هایی کاملاً زنده بود.

او به این حقیقت فکر می‌کرد که چگونه باکتری‌های موجود در آزمایشگاه او نتوانسته بودند پس از ۴۰ سال تحمل شرایط خاک خشک درون بطری‌هایی مهروموم‌شده بار دیگر به زندگی بازگردند. اگر این موجودات بتوانند برای چهار دهه در چنین شرایطی دوام بیاورند، آیا واقعاً می‌توان محدودیتی برای عمر آن‌ها درنظر گرفت؟

او زغال‌سنگ حاصل از لجن‌های باتلاقی را برای آزمایش‌های خود برگزید، شروع به خردکردن تکه‌های زغال‌سنگ کرد تا ببیند آیا می‌تواند ارگانیسمی را بیابد که قابلیت رشد در چنین محیطی را داشته باشد یا خیر.

زمانی‌که او گردی از زغال‌سنگ را در آب استریل به حال خود رها کرد، در عرض دو یا سه هفته کم‌کم چیزی در آن مشاهده کرد که شبیه باکتری به نظر می‌رسید. این بار او مواد مورد آزمایش را در بستر محلولی غنی از نوعی غذای باکتریایی با نام «پپتون» قرار داد و در کمال شگفتی دید در عرض چند ساعت باکتری‌ها ظاهر شدند.

او دریافت که برای بازگرداندن باکتری‌ها به حیات، حداقل یک دوره‌ی هیدراسیون چندروزه در مایع ضروری است. اگر پودر زغال پس از خیساندن، بلافاصله درون ظرفی حاوی آگار ژلاتینی قرار گیرد، هیچ‌چیز در آن رشد نخواهد کرد.

لیپمن در آزمایش خود از نمونه‌های کنترلی استفاده کرد و تمامی اقدامات احتیاطی لازم را برای حصول اطمینان از عدم دخالت سایر آلاینده‌ها در فرایند کشت به‌کار گرفت. روش‌های سختگیرانه‌ی تمیزسازی و استریلیزاسیون او برای توده‌های خردشده زغال‌سنگ شامل تمامی مراحل خردایش، خیساندن، پخت و فشرده‌سازی تکه‌های زغال برای چند ساعت‌ یا چند روز قبل از پودرکردن بود. در حقیقت، او حتی دریافت که حرارت دادن نمونه‌ها در دمای ۱۶۰ درجه‌ی سانتی‌گراد نیز هرگز منجر به مرگ باکتری‌های موجود در دل نمونه‌های زغال‌سنگ‌ نشده و برعکس، حتی موجب افزایش تحرک آن‌‌ها نیز می‌‌شد. به نظر می‌‌رسد که هرچه نمونه‌‌ها بیشتر پخته می‌شدند (تا مدت ۵۰ ساعت)، شرایط برای رشدونمو باکتری‌‌ها مساعدتر می‌‌شد.

لیپمن معتقد بود باکتری‌هایی که وی از زغال‌‌سنگ استخراج کرده، مشابه باکتری‌‌های موجود در روده‌‌های ما نیستند. او بر این باور بود که طی فرایند تشکیل زغال‌سنگ، باکتری‌ها خشک شده‌ و به‌‌نوعی وارد حالت انگیختگی تعلیق‌‌یافته می‌‌شوند. او در ژورنال علمی باکتریولوژی می‌‌نویسد:

میکروارگانیسم‌های یافت‌شده در زغال‌سنگ درواقع تنها بازماندگانی هستند که از زمان تشکیل زغال‌‌سنگ در آن محبوس شده‌اند. این زغال‌‌سنگ‌‌ها در ابتدای پیدایش خود سرشار از انواع مختلف میکروارگانیسم‌‌ها بوده‌‌اند.

این شرایط سخت برای بقا با نام Anhydrobiosis شناخته می‌‌شود و در حقیقت همان شرایطی است که برخی موجودات زنده مانند خرس آبی توانسته‌‌اند در محیط‌‌ خلأ یا در معرض تشعشعات شدید نیز مقاومت کنند.

زغال‌سنگ‌‌های لیپمن از کشور ولز و نیز از پنسیلوانیای آمریکا استخراج شده‌‌ و برخی از آن‌‌ها از عمقی در حدود ۵۵۰ متری زمین به‌‌دست آمده بودند. تلاش‌‌های صورت‌‌گرفته طی مطالعات زغال‌سنگ استخراج‌‌شده از ایالت پنسیلوانیا منجر به معرفی یک دوره‌‌ی زمین‌‌شناسی جدیدی با نام «پنسیلوانیان» شد. قدمت این دوره حداقل به یک میلیون سال قبل بازمی‌گردد.

بد نیست بدانید این پژوهش‌‌ها در سال ۱۹۳۱ انجام شد. احتمالاً در آن زمان همکاران لیپمن تصور می‌کردند که او مشاعر خود را از دست است. اما حالا پس از طی این سال‌‌ها، به نظر می‌رسد لیپمن آن‌‌چنان هم بیراه نمی‌‌گفته است. احتمالاً آن‌‌طور که پیش‌‌ازاین تصور می‌‌کردیم، مسن‌‌ترین ارگانیسم‌‌های روی کره‌‌ی زمین، درختان کاج زبرمیوه یا کلونی‌‌های صنوبر لرزان نبوده‌‌اند؛ بلکه این عنوان متعلق به میکروب‌های کوچکی است که در عمق چند کیلومتری سطح زمین زندگی می‌‌کنند؛ میکروب‌‌هایی که هدف آن‌‌ها برخلاف سایر موجودات زنده، رشد یا تکثیر نبوده و تنها می‌‌خواهند در حداکثر زمان ممکن زنده بمانند.

تعداد فزاینده‌‌ای از مقالات منتشرشده طی دهه‌‌ی اخیر نشان می‌دهد باکتری‌هایی که در رسوبات، صخره‌ها و شکاف‌های زیر زمین مدفون شده‌‌اند، عمری بسیار طولانی‌‌تر از تصورات ما داشته‌‌اند.

برای مثال، در اوایل دهه‌‌ی ۱۹۷۰ دانشمندان نشان دادند که سرعت تنفس باکتری‌‌هایی که در آبخوان‌ها و رسوبات زندگی می‌کرده‌اند، بسیار آهسته‌تر از سرعت تنفس میکروب‌های موجود در سطح زمین بوده است و نیز طی پژوهش‌های آن سال، نرخ گردش زیست‌توده (یا به‌‌عبارتی زمان لازم برای فرایند جایگزینی مولکول‌ها در یک سلول) چیزی حدود صدها تا هزاران سال تخمین زده شد.

فردریک کلول و استیون دی‌‌هونت در نشریه‌‌ای با نام Nature and Extent of the Deep Biosphere در سال ۲۰۱۳ این‌‌گونه می‌‌نویسند:

ما هنوز نمی‌دانیم که آیا میکروب‌های موجود در این محیط‌های زیرزمینی قادر هستند علی‌‌رغم این نرخ آهسته از گردش زیست‌توده، همچنان تکثیر شوند یا خیر.

نتایج یک مقاله‌ی منتشرشده در ژورنال آکادمی ملی علم در سال ۲۰۱۷، حاکی از چگالی کم باکتری‌‌های موجود در زغال‌‌سنگ‌‌ها و بسترهای سنگی ۵ الی ۳۰ میلیون ساله‌‌ای بود که در عمق دو کیلومتری بستر اقیانوس آرام در ساحل ژاپن یافت شده بودند.

آن‌ها هنوز هم به‌‌صورت فعالانه‌‌ای به زندگی خود ادامه می‌‌دادند؛ هرچند که جریان زندگی آن‌‌ها به‌صورت حیرت‌‌انگیزی کند پیش می‌‌رود. دوره‌‌ی تکثیر این موجودات از ماه‌ها تا بیش از صد سال به درازا می‌‌کشد و نویسندگان تصدیق کردند که این برآوردها احتمالاً کوچک‌‌تر از حد واقعی تخمین زده شده‌اند؛ این در حالی است که دوره‌‌ی تکثیر باکتری ای.کولی چیزی حدود ۱۵ الی ۲۰ دقیقه برآورد شده است.

مطالعه‌‌ی دیگری درمورد میکروب‌های ساکن در رسوبات دریایی نواحی عمیق  اقیانوس آرام جنوبی نشان می‌‌دهد که هدف سازگاری‌پذیری موجودات در چنین محیط‌‌هایی «رشدونمو» نیست بلکه هدف تنها «زنده ماندن» است. نویسندگان چنین استنباط کردند که منبع غذایی چنین میکروب‌هایی تنها همان موادی است که همراه‌با آن‌ها در این بسترها دفن شده‌‌اند. حیرت‌‌انگیز اینکه میزان کربن مصرفی این باکتری‌‌ها در هر سال فقط دو درصد مقدار کربن موجود در سلول آن‌‌ها است. نویسندگان می‌‌نویسند:

کشف سلول‌های میکروبی سالم در این زیستگاه باستانی نشان‌‌دهنده‌‌ی حقایق قابل‌توجهی درمورد ویژگی انطباق‌‌پذیری این موجودات است.

در مدل‌های رایانه‌‌ای این پژوهشگران شبیه‌‌سازی‌‌هایی با دوره‌‌های چند میلیون‌‌ساله صورت گرفت. نتایج نشان می‌‌داد که پس از گذشت ۴ میلیون سال، روند رشد تمام این سلول‌ها متوقف شده بود و از آن پس، این موجودات تمام توان خود را به‌‌کار می‌‌گرفتند تا بتوانند ماشین زیستی فرسوده‌‌ی خود را (مانند بازماندگان نومید در فیلم Mad Max) فقط زنده نگاه دارند.

این زندگی بی‌‌حاصل چقدر طول می‌کشد؟ آیا آن‌ها درنهایت از گرسنگی خواهند مرد؟ آیا همان‌‌گونه که چارلز لیپمن درمورد کشفیات خود درباره‌‌ی زغال‌سنگ‌‌های پنسیلوانیا ادعا می‌کند، این موجودات واقعاً به حالت تعلیق‌یافته‌ای از زندگی درآمده‌‌اند؟ چطور می‌توان فهمید که بقای این‌گونه‌‌ها تنها وابسته به شرایط خاص تولید زغال‌‌سنگ‌‌ها نبوده است؟

شواهد همچنین نشان می‌‌دهند که این باکتری‌های محروم از مواد مغذی، درواقع «زامبی‌‌های میکروبی» نیستند. برعکس، مطالعات متعدد نشان داده‌اند که وقتی این میکروب‌های زیرزمینی در محیط‌های مساعدتری قرار می‌گیرند، به‌سرعت احیا می‌شوند.

به‌‌طور کلی، این یافته‌ها آن‌‌قدرها هم که به نظر می‌‌رسد غیرمنطقی نیستند؛ چراکه میکروب‌های مدفون در زیر سطح زمین از گزند تابش‌های کیهانی نیز مصون هستند. این نکته از آن جهت اهمیت دارد که بدانیم این تابش‌‌ها همواره به‌‌عنوان یکی از عوامل مرگبار برای حیات باکتری‌‌ها محسوب می‌‌شوند. وجود لایه‌‌ی ضخیم از آب، رسوبات و صخره‌‌ها مانع از رسیدن این تشعشعات به محل زیست این باکتری‌ها می‌‌شود (تشعشعات کیهانی که به سطح زمین می‌‌رسند تنها می‌‌تواند به عمق چند ده متری بسترهای سنگی نفوذ کنند). تشعشعات رسیده به سطح زمین، به‌‌صورت مداوم DNA ارگانیسم‌‌های ساکن روی سطح زمین را دستخوش جهش‌‌های ژنتیکی پی‌‌در‌‌پی می‌‌کند.

بد نیست بدانید که مطابق فرضیه پان‌‌اسپرمیا، بذر اولیه‌‌ی زندگی در جهان توسط خرده سیاره‌ها در نقاط مختلف جهان منتشر شده است. این فرضیه همواره با مخالفت‌‌های بسیاری مواجه بوده است؛ بااین‌حال، یافته‌‌های اخیر همراه‌با کشفیات پیشین درمورد قدمت بسیار زیاد حیات روی سیاره‌‌ی زمین، شاید موجب تقویت چنین فرضیه‌‌ی بنیادینی شود. به هر حال، فضا بسیار گسترده است و حیات نیز اشکال بسیار مقاومی دارد.

در مجموع، این‌‌گونه به نظر می‌رسد که پوسته‌‌ی زمین آکنده از باکتری‌‌های باستانی هستند که گویی در حالت «صرفه‌جویی انرژی» به خوابی عمیق فرو رفته‌‌اند تا اینکه بتوانند در موعد مقرر بار دیگر به زندگی بازگردند. شگفت‌‌انگیز است؛ موجوداتی فناناپذیر مدفون در اعماقی تاریک، بدون هوا، در سکوت و با حداقل مواد غذایی و اکسیژن همچنان زنده‌‌اند.

اگر حق با چارلز لیپمن باشد، این بدان معنی است که هنوز انواعی از سلول‌های باکتریایی در دل سیاره‌‌ی ما حضور دارند که احتمالاً زندگی خود را در ۵۰ میلیون سال قبل از پیدایش دایناسورها آغاز کرده‌‌اند؛ سلول‌‌هایی که بالاخره روزی به حیات بازخواهند گشت. این می‌‌تواند حقیقتی نفس‌‌گیر برای تمام پژوهشگران تاریخ علم حیات باشد.

اما این موجودات برای رسیدن به چنین قابلیت حیرت‌‌انگیزی، تاوان سختی پرداخته‌‌اند. فراموش نکنید این فناناپذیری به‌‌بهای تحمل محدودیتی سخت، خارج از تصور و بی‌پایان تمام شده است.