احتمالات جدید برای حیات در اعماق اقیانوس زمین و شاید در اقیانوس‌های سیارات دیگر

ساختار دودکشی که بیش از 8800 فوت (2700 متر) زیر سطح دریا در مرز زیردریایی صفحات تکتونیکی اقیانوس آرام و گوردا قرار دارد. اعتبار Ocean Exploration Trust

در دنیای عجیب و تاریک کف اقیانوس، شکاف‌های زیر آب که دریچه‌های گرمابی نامیده می‌شوند، میزبان جوامع پیچیده زندگی هستند. این دریچه‌ها مایعات داغ را به آب دریای بسیار سرد می‌رسانند و نیروهای شیمیایی لازم را برای موجودات کوچکی ایجاد می‌کنند که در این محیط شدید زندگی می‌کنند.

جفری دیک و اورت شاک، دانشمندان زیست زمین‌شناسی در مطالعه‌ای که به تازگی منتشر شده است، مشخص کرده‌اند که محیط‌های هیدروترمال خاص بستر دریا، زیستگاه منحصربه‌فردی را فراهم می‌کنند که در آن ارگانیسم‌های خاصی می‌توانند رشد کنند. با انجام این کار، آنها فرصت‌های جدیدی را برای زندگی در تاریکی در کف اقیانوس‌های روی زمین و همچنین در سراسر منظومه شمسی باز کرده‌اند.

در خشکی، وقتی موجودات زنده از غذایی که می‌خورند انرژی دریافت می‌کنند، این کار را از طریق فرآیندی به نام تنفس سلولی انجام می‌دهند که در آن اکسیژن دریافت و دی‌اکسید کربن آزاد می‌شود. از نظر بیولوژیکی، مولکول‌های موجود در غذای ما در حضور اکسیژن ناپایدار هستند و این بی‌ثباتی است که توسط سلول‌های ما برای رشد و تولید مثل مهار می‌شود، فرآیندی که بیوسنتز نامیده می‌شود.

اما برای موجوداتی که در بستر دریا زندگی می‌کنند، شرایط زندگی به طور چشمگیری متفاوت است.

شاک از دانشکده زمین و اکتشاف فضایی دانشگاه ایالتی آریزونا و دانشکده علوم مولکولی گفت: در خشکی، در جو غنی از اکسیژن زمین، ساخت مولکول‌های حیات به انرژی نیاز دارد.  در تضاد خیره کننده، در اطراف دریچه‌های هیدروترمال در کف دریا، سیالات داغ با آب دریای بسیار سرد مخلوط می‌شوند تا شرایطی ایجاد کنند که در آن مولکول‌های حیات انرژی آزاد می‌کنند.

در اکوسیستم‌های میکروبی اعماق دریا، موجودات زنده در نزدیکی دریچه‌هایی رشد می‌کنند که مایع گرمابی با آب دریا مخلوط می‌شود. تحقیقات قبلی به رهبری شاک نشان داد که بیوسنتز بلوک‌های ساختمانی سلولی پایه، مانند اسیدهای آمینه و قندها، به ویژه در مناطقی مطلوب است که دریچه‌ها از سنگ‌های اولترامافیک (سنگ‌های آذرین و متا آذرین با محتوای سیلیس بسیار کم) تشکیل شده‌اند. سنگ‌ها بیشترین هیدروژن را تولید می‌کنند.

علاوه بر بلوک‌های ساختمانی اولیه مانند اسیدهای آمینه و قندها، سلول‌ها نیاز به تشکیل مولکول‌های بزرگ‌تر یا پلیمرهایی دارند که به نام بیوماکرومولکول‌ها نیز شناخته می‌شوند. پروتئین‌ها فراوان‌ترین این مولکول‌ها در سلول‌ها هستند و واکنش پلیمریزاسیون (که در آن مولکول‌های کوچک با هم ترکیب می‌شوند تا یک بیومولکول بزرگ‌تر تولید کنند) خود تقریباً در همه محیط‌های قابل تصور به انرژی نیاز دارد.

دیک، نویسنده ارشد این مقاله، که در زمان شروع این تحقیق، محقق فوق دکتری در ASU بود، گفت: «به عبارت دیگر، جایی که حیات وجود دارد، آب نیز وجود دارد، اما آب باید از سیستم خارج شود تا پلیمریزاسیون مطلوب شود. در حال حاضر محقق ژئوشیمی در دانشکده علوم زمین و اطلاعات فیزیک در دانشگاه مرکزی جنوبی در چانگشای چین است. بنابراین، دو جریان انرژی مخالف وجود دارد: آزاد شدن انرژی توسط بیوسنتز بلوک‌های ساختمانی اساسی و انرژی مورد نیاز برای پلیمریزاسیون.

چیزی که دیک و شاک می‌خواستند بدانند این است که وقتی آنها را جمع می‌کنید چه اتفاقی می‌افتد: آیا پروتئین‌هایی دریافت می‌کنید که سنتز کلی آنها واقعاً در منطقه اختلاط مطلوب است؟

آنها با استفاده از ترکیبی منحصر به فرد از نظریه و داده به این مشکل نزدیک شدند.

از جنبه نظری، آنها از یک مدل ترمودینامیکی برای پروتئین‌ها به نام «افزایش گروهی» استفاده کردند که اسیدهای آمینه خاص در توالی‌های پروتئین و همچنین انرژی‌های پلیمریزاسیون را به حساب می‌آورد. برای داده‌ها، آن‌ها از تمام توالی‌های پروتئین در کل ژنوم یک ارگانیسم دریچه‌ای که به خوبی مطالعه شده بود به نام Methanocaldococcus jannaschii استفاده کردند.

با انجام محاسبات، آنها توانستند نشان دهند که سنتز کلی تقریباً همه پروتئین‌های ژنوم، انرژی را در منطقه اختلاط یک دریچه میزبان اولترامافیک در دمایی که این ارگانیسم سریع‌ترین رشد را دارد، در حدود 185 درجه فارنهایت، آزاد می‌کند (85 درجه سانتیگراد). در مقابل، در یک سیستم دریچه‌ای متفاوت که هیدروژن کمتری تولید می‌کند (یک سیستم میزبان بازالت)، سنتز پروتئین‌ها مطلوب نیست.

دیک گفت: «این یافته دیدگاه جدیدی را نه تنها در مورد بیوشیمی، بلکه همچنین بوم‌شناسی ارائه می‌کند، زیرا نشان می‌دهد که گروه‌های خاصی از موجودات ذاتاً در محیط‌های گرمابی خاص مورد علاقه‌تر هستند.» “مطالعات بوم‌شناسی میکروبی نشان داده‌اند که متانوژن‌ها که Methanocaldococcus jannaschii یکی از نمایندگان آن است، در سیستم‌های دریچه میزبان اولترامافیک نسبت به سیستم‌های میزبان بازالت فراوان‌تر است. انرژی مطلوب سنتز پروتئین در سیستم‌های میزبان اولترامافیک با این توزیع سازگار است. “

برای گام‌های بعدی، دیک و شاک به دنبال راه‌هایی برای استفاده از این محاسبات پرانرژی در درخت زندگی هستند که امیدوارند پیوند محکم‌تری بین ژئوشیمی و تکامل ژنوم ایجاد کند.

شاک گفت: «هنگامی که کاوش می‌کنیم، بارها و بارها به ما یادآوری می‌شود که هرگز نباید محل زندگی خود را با چیزی که برای زندگی قابل سکونت است برابر بدانیم.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

New possibilities for life at the bottom of Earth’s ocean, and perhaps in oceans on other planets

by Karin Valentine, Arizona State University  

NOVEMBER 23, 2021

https://phys.org/news/2021-11-possibilities-life-bottom-earth-ocean.html