تستخدم البكتيريا مصدر الطاقة الأصلي للحياة لتزدهر في أعماق المحيط الخالية من الضوء

يوجد أكثر من مليار بكتيريا في لتر واحد فقط من مياه البحر. كيف تجد كل هذه الكائنات الطاقة والمواد الغذائية التي تحتاجها للبقاء على قيد الحياة؟

في المياه الغنية بالمغذيات بالقرب من سطح المحيط ، مصدر الطاقة الأساسي هو ضوء الشمس ، الذي يدفع عملية التمثيل الضوئي ، وتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. ومع ذلك ، في كثير من المحيطات المفتوحة ، يؤدي نقص العناصر الغذائية إلى الحد من عملية التمثيل الضوئي ، وفي أعماق المحيطات ، يتوقف ذلك تمامًا نظرًا لعدم وجود ضوء الشمس.

على الرغم من ذلك ، وجدت الميكروبات طريقة للعيش في جميع أنحاء المحيط الشاسع والمظلم. كيف يفعلون ذلك؟

كما ذكرنا في Nature Microbiology ، فإن العديد من بكتيريا المحيط في الواقع تكتسب الطاقة من اثنين من الغازات المذابة ، الهيدروجين وأول أكسيد الكربون ، في عملية تسمى التخليق الكيميائي. تساعد هذه العملية الخفية ولكن القديمة في الحفاظ على تنوع وإنتاجية محيطاتنا.

عندما تنطفئ الأنوار ، يسود التخليق الكيميائي

كنا نهدف إلى تحديد مصادر الطاقة المفضلة للميكروبات في محيطات العالم.

يعتمد البشر والحيوانات الأخرى على تناول الأطعمة العضوية ، بينما تعتمد النباتات على التمثيل الضوئي. في المقابل ، تستخدم الميكروبات عددًا لا يحصى من مصادر الطاقة: الشمسية ، والعضوية ، وغير العضوية.

يأكل الكثيرون غازات عالية الطاقة مثل الهيدروجين وحتى أول أكسيد الكربون ، وهي سامة بالنسبة لنا. يفعلون ذلك عن طريق استخدام إنزيمات خاصة تسمى هيدروجينازات وأول أكسيد الكربون نازعة الهيدروجين.

اقرأ المزيد: تعيش بكتيريا القطب الجنوبي على الهواء وتنتج مياهها باستخدام الهيدروجين كوقود

تحتوي محيطات العالم على قدر كبير من الهيدروجين المذاب وأول أكسيد الكربون بسبب عمليات بيولوجية وجيولوجية مختلفة. بالنظر إلى هذا ، توقعنا أن تكون هذه الغازات مصادر طاقة أساسية لميكروبات المحيطات.

خلال دراستنا التي استمرت خمس سنوات ، قمنا بمسح قدرات وأنشطة الميكروبات الموجودة في محيطات العالم. أخذنا عينات من مياه البحر من مواقع متنوعة ، من الجزر الاستوائية إلى المياه الواقعة تحت القطب الجنوبي. كما تم تحليل البيانات العامة من دراسة تارا للمحيطات العالمية.

باستخدام تقنية تسمى التسلسل الميتاجينومي ، اكتشفنا المخططات الجينية لجميع الميكروبات في عينات المحيطات لدينا. أخذنا أيضًا قياسات كيميائية أثناء الرحلات الاستكشافية ، وقمنا بتحليل الثقافات البكتيرية ، واستخدمنا النمذجة الرياضية لفهم كيفية حصول البكتيريا على طاقتها.

في جميع العينات التي قمنا بتحليلها ، كانت الميكروبات تستخدم الإنزيمات للحصول على الطاقة من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون. كما توقعنا ، كان التمثيل الضوئي هو المصدر الرئيسي للطاقة في المياه السطحية الساحلية – لكن الميكروبات الآكلة للغازات نمت بشكل أكبر بعيدًا عن الشاطئ وفي أعماق المحيط.

في المياه التي تفتقر إلى المغذيات ، قد يكون التركيب الكيميائي هو الاستراتيجية الرئيسية للحصول على الطاقة.

صنعت ثماني مجموعات من البكتيريا ذات صلة بعيدة ، أو شُعبة ، الإنزيمات لاستخدام الهيدروجين وأول أكسيد الكربون. من الواضح أن التخليق الكيميائي هو إستراتيجية أكثر انتشارًا في المحيطات مما كان يُعتقد سابقًا!

الهيدروجين وأول أكسيد الكربون ليسا مصادر الطاقة الكيميائية الوحيدة التي تدعم بكتيريا المحيط. بناءً على الأعمال السابقة التي قام بها آخرون ، وجدنا أن الأمونيا والكبريتيد والثيوسلفات تستخدم أيضًا على نطاق واسع.

تسمح كل مصادر الطاقة غير العضوية هذه معًا للميكروبات المتنوعة بالازدهار حتى في أحلك مناطق المحيط وأكثرها فقرًا بالمغذيات. كما ذكرنا سابقًا ، يسمح التركيب الكيميائي لـ “الغابة الميكروبية” بالتشكل تحت الصفائح الجليدية في القارة القطبية الجنوبية.

سمة قديمة لا تزال منتشرة بشكل مدهش اليوم

يعتبر التركيب الكيميائي أقل شهرة من التمثيل الضوئي ، ولكن له جذور أقدم بكثير. تشير النظريات الرائدة حول أصل الحياة إلى أن الهيدروجين – المنتج في فتحات حرارية مائية خالية من ضوء الشمس – كان أول مصدر للطاقة للحياة. من المحتمل أن تكون عملية التمثيل الضوئي قد تطورت في وقت لاحق ، مما يوفر الأكسجين في الغلاف الجوي الذي يدعم حياة الإنسان.

لا تزال بعض النظم البيئية موجودة اليوم مدفوعة في المقام الأول بالتخليق الكيميائي ، وأبرزها “المدخنون السود”. هنا ، مصادر الطاقة غير العضوية المنبعثة من البراكين تحت الماء تدعم النظم البيئية المعقدة التي تحركها الميكروبات ، والتي تشمل الديدان الأنبوبية العملاقة (ربما تكون قد شاهدتها على الكوكب الأزرق لديفيد أتينبورو). لكن يُعتقد تقليديًا أن معظم النظم البيئية اليوم مدفوعة بشكل مباشر أو غير مباشر بعملية التمثيل الضوئي.

تشير النتائج التي توصلنا إليها إلى أن الوضع أكثر تعقيدًا. من خلال تقديم التقرير الأول عن استهلاك الهيدروجين في المحيطات المفتوحة ، نكشف عن أوجه تشابه غير متوقعة للكائنات الحية الدقيقة البحرية اليوم مع أسلافها القدامى.

لا يزال التخليق الكيميائي نشطًا للغاية اليوم ويوفر شريان حياة للميكروبات المحيطية عندما يكون التمثيل الضوئي منخفضًا.

يبدو أن الهيدروجينازات التي تستخدمها البكتيريا البحرية الحديثة لاستهلاك الهيدروجين تنحدر مباشرة من المحفزات القديمة التي دعمت الحياة الأولى. لكن خلال مليارات السنين من التطور ، تكيفوا مع مستويات الهيدروجين المنخفضة والأكسجين الأعلى اليوم.

ومن المثير للاهتمام ، يبدو أن الهيدروجين وأول أكسيد الكربون لهما أدوار مميزة لبكتيريا المحيطات.

تنمو الميكروبات المستهلكة للهيدروجين باستخدام التغذية البطيئة والثابتة للطاقة التي يوفرها هذا الغاز. غالبًا ما تكون هذه البكتيريا صغيرة جدًا وتتكيف مع الحياة بأقل قدر من الطاقة ، كما يتضح من تجاربنا مع البكتيريا القطبية Sphingopyxis alaskensis.

في المقابل ، يعتبر أول أكسيد الكربون في المقام الأول مصدر طاقة “الملاذ الأخير” للبكتيريا التي تفتقر إلى الضوء أو الكربون العضوي. يوفر طاقة كافية للبقاء على قيد الحياة حتى وجبة أفضل ، لكنه لا يسمح بالكثير من النمو. يتفق هذا مع العمل السابق الذي أظهر أن نازعة هيدروجين أول أكسيد الكربون يدعم بقاء البكتيريا المختلفة ، ولكن ليس نموها.

بقاء البكتيريا في عالم متغير

من خلال دراساتنا للمحيطات والعديد من البيئات الأخرى ، أصبح من الواضح الآن أن التخليق الكيميائي هو عملية عالمية وأن الميكروبات في الواقع مرنة جدًا في وجباتها الغذائية. تعمل هذه الأفكار على تحسين فهمنا لكيفية بقاء ميكروبات المحيط ، وإنتاج واستهلاك العناصر الغذائية ، والتكيف مع بيئتها.

في المقابل ، نحن قادرون بشكل أفضل على التنبؤ بكيفية استجابتهم لتغير المناخ والضغوط الأخرى. لا شك أن المحيط العميق ، الذي يُعتبر غالبًا “الحدود النهائية” للأرض ، يحمل العديد من الأسرار الأخرى الكبيرة والصغيرة.

اقرأ المزيد: يقولون إننا نعرف المزيد عن القمر أكثر من معرفة أعماق البحار. إنهم مخطئون