لقد أحببت فيكتوريا أورفان المحيط طالما أنها تستطيع تذكره. اعتادت الغطس في المحيط الهادئ بالقرب من منزل عائلتها في سان دييغو ، كاليفورنيا. كانت تأخذ قناعها وأنبوب الغطس لزيارة العالم الخفي من النباتات والحيوانات تحت سطح المحيط. ذهب اليتيم إلى الكلية في جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا في أوائل التسعينيات. هناك اكتشفت شيئًا غيّر طريقة تفكيرها بشأن المحيطات - والحياة على الأرض.
أظهر لها طالب آخر قنينة صغيرة من ماء البحر. لم يعتقد اليتيم أن الأمر يبدو ممتعًا إلى هذا الحد. كانت مجرد مياه قديمة. ثم أضاف الطالب الآخر مادة كيميائية فلورية إلى الماء وألقى ضوءًا فوق بنفسجيًا عليها. أضاء الأنبوب عندما بدأت ملايين البكتيريا الصغيرة في التوهج. قبل لحظات فقط ، كانت الميكروبات غير مرئية. يقول أورفان:"كانت هذه الكائنات الدقيقة منتشرة في كل مكان ، ومع ذلك لم نتمكن من رؤيتها. لم نكن نعرف شيئًا عنهم تقريبًا ".
تقضي الآن أيامها في استكشاف هذا العالم أحادي الخلية المخفي. بصفتها عالمة جيولوجيا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في باسادينا ، كاليفورنيا ، فهي تدرس كيف تشكل البكتيريا والحياة المجهرية الأخرى أعماق البحار.
تلعب البكتيريا دورًا مركزيًا في العديد من النظم البيئية. وتشمل هذه المحيطات والتربة والغلاف الجوي. هم أيضًا جزء كبير من شبكة الغذاء العالمية. تجعل البكتيريا من الممكن وجود جميع أشكال الحياة الأخرى على الأرض. لهذا السبب يقول العلماء إن هذه الكائنات وحيدة الخلية هي العمود الفقري غير المرئي لجميع أشكال الحياة - على الأقل على الأرض.
ومع ذلك ، هناك الكثير لا نعرفه عنهم. يعتقد العلماء أنهم حددوا أقل من واحد في المائة من جميع الأنواع البكتيرية. كان هذا يقود Orphan وآخرين لاستكشاف ألغاز عالمهم أحادي الخلية. إنهم يشتبهون في أن البكتيريا ستثبت أنها مفتاح فهم - وحماية - أهم الموارد الطبيعية للأرض.
أكلة الميثان
بعض البكتيريا تأكل أشياء غريبة حقًا. اكتشف العلماء بكتيريا تتغذى على الصخور ومياه الصرف الصحي - حتى النفايات النووية. يتيم يدرس نوعًا من البكتيريا التي تعيش في قاع البحر وتلتهم الميثان.
الشرح:أول أكسيد الكربون وغازات الاحتباس الحراري الأخرى
الميثان من غازات الدفيئة. مثل ثاني أكسيد الكربون وبعض غازات الدفيئة الأخرى ، فإنه يدخل الهواء عندما يحرق الناس النفط والغاز والفحم. هناك أيضًا مصادر طبيعية للميثان ، مثل الغاز الطبيعي وإنتاج الأرز وروث البقر. غازات الاحتباس الحراري تحبس الحرارة في الغلاف الجوي. أدى وجود فائض من هذه الغازات في الغلاف الجوي للأرض إلى ارتفاع درجة حرارة المناخ العالمي.
يمكن أن يتسرب الميثان من الأرض إلى قاع البحر. يقول بعض العلماء إن المزيد من غاز الميثان قد يتسرب إلى الغلاف الجوي لولا البكتيريا البحرية. بعض هذه البكتيريا تتغذى على الميثان. يسمح ذلك للمحيطات بحبس كمية هائلة من الغاز. هذه الكائنات الدقيقة هي حراس البوابة. إنها تمنع ميثان المحيط من الوصول إلى الغلاف الجوي حيث يمكن أن يغير مستويات غازات الاحتباس الحراري ، "يشرح أورفان.
يمكن أن يمثل العثور على كائنات وحيدة الخلية في قاع البحر الشاسع تحديًا. من خلال نافذة غواصة ، كانت تبحث عن مجموعات من المحار والديدان الأنبوبية العملاقة. تشير هذه الكائنات الحية إلى أن البكتيريا البحرية غير المرئية تعيش هناك أيضًا. أينما يعيش أولئك الذين يأكلون الميثان ، فإنهم يخلقون جزيئات جديدة أثناء تناولهم الطعام. تستخدم الكائنات الحية الأخرى تلك الجزيئات الجديدة كغذاء. تنبت شبكة طعام كاملة في قاع المحيط.
وجدت يتيمة وفريقها بكتيريا آكلة للميثان على طول شقوق في قاع البحر ، حيث يتسرب هذا الغاز. غالبًا ما تحدث هذه الشقوق حيث صفيحتان تكتونيتان تصطدم ببعضها البعض.
لقد تعلموا أن بعض البكتيريا لا يمكنها أن تأكل الميثان إلا من خلال الشراكة مع كائنات أخرى وحيدة الخلية تسمى العتائق (Ar-KEE-uh). قد تساعد هذه التفاصيل المهمة العلماء على التنبؤ بشكل أفضل بكمية الميثان التي تتسرب إلى الهواء ، كما يقول أورفان.
في الخنادق
ليست آكلات الميثان هي بكتيريا أعماق البحار الوحيدة التي تثير اهتمام العلماء. تقول جينيفر بيدل:"أعماق البحار هي موطن لبعض الميكروبات الرائعة". إنها عالمة الأحياء الدقيقة البحرية بجامعة ديلاوير في نيوارك. بيدل يدرس البكتيريا التي تعيش في خنادق أعماق المحيط.
هذه الأخاديد تحت الماء هي بعض الأماكن الأقل دراسة على الأرض. يصعب الوصول إليها بشكل لا يصدق. تشالنجر ديب يفوز بالرقم القياسي لأعمق بقعة على هذا الكوكب. في الجزء السفلي من خندق ماريانا ، في غرب المحيط الهادئ ، يقع تشالنجر ديب على بعد حوالي 11 كيلومترًا (أكثر من 7 أميال) تحت سطح المحيط. إذا جلس جبل إيفرست ، أعلى جبل في العالم ، في خندق ماريانا ، فستظل قمته على بعد أكثر من ميل تحت الأمواج.
يعتبر خندق ماريانا من أصعب الأماكن التي تعيش فيها الحياة. يصل إليها ضوء الشمس الصفري. درجات الحرارة متجمدة. لا تستطيع الحيوانات الكبيرة ، مثل الحيتان أو الأسماك ، زيارتها لأن الضغوط الشديدة هناك ستسحقها. لا عجب إذن أن معظم السكان المحليين مجهريون. لقد تكيفوا مع ظروفه القاسية.
تعاون بيدل وعلماء آخرون مع مستكشفي أعماق المحيطات لإرسال غواصة إلى تشالنجر ديب. قاد جيمس كاميرون السفينة. (إنه مخرج الفيلم المشهور بـ Avatar و تايتانيك ) زار كاميرون الجزء السفلي من Challenger Deep في مارس 2012 أثناء إنتاج فيلم وثائقي بعنوان Deepsea Challenge 3D . لكن الرحلة الفرعية لم تكن مجرد الحصول على فيديو آسر للشاشة الكبيرة. كما جلبت السفينة أيضا الرواسب من قاع الخندق.
فحص بيدل والعلماء الآخرون تلك الرواسب بحثًا عن الحمض النووي. كانوا يبحثون عن جينات البكتيريا المألوفة. وجدوا أدلة على بعض المعروف باسم Parcubacteria.
الشرح:صائدو الحمض النووي
لم يعرف العلماء حتى أن هذه المجموعة الكبيرة من البكتيريا كانت موجودة حتى عام 2011. في ذلك الوقت ، وجدوا بعضها في المياه الجوفية والأوساخ من أماكن قليلة على الأرض. لكن مجموعة بيدل أظهرت الآن أنها تعيش أيضًا في أحد أعماق المحيط التي يتعذر الوصول إليها.
هنا ، على أرضية الخندق ، كانت الميكروبات تتنفس النيتروجين ، وليس الأكسجين (كما فعلت على الأرض). وهذا منطقي. لقد تكيفوا مع النيتروجين لأن منزلهم لم يكن لديه سوى القليل من الأكسجين.
يقول بيدل إنه كلما اكتشفنا مثل هذه البكتيريا غير المعروفة كثيرًا ، زاد معرفتنا بما تفعله لأنظمتها البيئية.
القصة تستمر أسفل الفيديو.
من الخبز إلى الوقود الحيوي
حتى البكتيريا الموجودة في مطابخنا وأكوام السماد لدينا تثير اهتمام العلماء.
يحصل خبز العجين المخمر على نكهة لاذعة فريدة من نوعها عندما يمضغ مزيج من البكتيريا على السكريات الموجودة في دقيق الخبز. هذه البكتيريا تصنع ثاني أكسيد الكربون والأحماض ومركبات أخرى لذيذة. ولكن لكي تعمل بكتيريا العجين المخمر تحتاج إلى أصدقائها. اعزل نوعًا واحدًا من البكتيريا من الخليط ولن يحدث التفاعل الكيميائي. لا العجين المخمر.
يعيش عالم الأحياء الدقيقة ستيف سينغر بالقرب من سان فرانسيسكو ، وهي مدينة في كاليفورنيا تشتهر بخبز العجين المخمر. يعمل في قسم الطاقة في مختبر لورانس بيركلي الوطني. وكان يشك في أنه يستطيع استخدام دروس العجين المخمر لصنع وقود حيوي أفضل. يمكن لهذه الأنواع من الوقود النباتي تشغيل السيارات أو الشاحنات. تعتبر "خضراء" ، مما يعني أنها صديقة للأرض أكثر من الوقود الأحفوري.
لصنع الوقود الحيوي ، يجب على العلماء تقسيم النباتات إلى سكريات. يمكن بعد ذلك تحويل هذه السكريات إلى وقود مثل الإيثانول (نوع من الكحول). تتطلب التفاعلات الكيميائية التي تكسر النباتات مساعدة من الإنزيمات. هذه جزيئات تعمل على بدء التفاعلات الكيميائية أو تسريعها.
تعتبر الإنزيمات المستخدمة حاليًا في إنتاج الوقود الحيوي باهظة الثمن. كما يقول سينغر إنها لا تعمل بشكل جيد. لهذا السبب يبحث الباحثون في جميع أنحاء العالم عن إنزيمات قد تقلل من التكلفة وتسرع إنتاج الوقود الحيوي.
حول بحثه عنهم إلى كومة السماد. هناك ، كانت المجتمعات البكتيرية تعمل بجد لتفكيك الفواكه والخضروات المتعفنة.
أخذ سنجر عينة صغيرة من السماد إلى مختبره. هناك ، ترك البكتيريا من السماد تنمو في دورق. في وقت لاحق ، جمع الإنزيمات التي صنعتها هذه البكتيريا واختبرها على أجزاء نباتية أخرى. نجحت:إن الإنزيمات تكسر النباتات إلى سكريات.
مثلما تحتاج بكتيريا العجين المخمر لأصدقائها للعمل ، اكتشف سنجر أن هذه الميكروبات تنتج الإنزيمات المفيدة فقط عندما تكون جزءًا من مجتمعات قوية من بكتيريا السماد المختلفة. يقوم Singer الآن بتوسيع نطاق مشروعه. يقوم فريقه بزراعة البكتيريا في أحواض ضخمة تسمى المفاعلات الحيوية. بعد أن يصنع الكثير من الإنزيمات الجديدة ، يمكنه اختبار ما إذا كانت تعمل بشكل أفضل من تلك الموجودة لتحويل نفايات النباتات إلى وقود.
يقول سينغر:"أخذ شيء من البيئة ومحاولة اكتشاف كيفية عمله هو أحد أفضل أجزاء كونك عالمًا في علم الأحياء المجهرية".
الميكروبات الوصفية
يدرس سنجر إنزيماته الجديدة دون أن يعرف البكتيريا التي تصنعها. هذا ليس كل شيء غير عادي. البكتيريا غير مرئية بالعين المجردة. حتى باستخدام المجهر ، قد يكون من الصعب التمييز بين نوعين. لا تبدو مختلفة مثل نوعين من الطيور أو الزهور.
احتاج العلماء إلى طريقة مختلفة للتمييز بين البكتيريا ومعرفة متى عثروا على أنواع جديدة. مفتاح هذا التجسس:DNA.
جميع الكائنات الحية تلقي القليل من الحمض النووي في جميع أنحاء بيئتها. "إنها مثل بصمة الإصبع. تشرح كيلي راميريز "كل منها فريد من نوعه". تدرس البكتيريا في المعهد الهولندي للإيكولوجيا في Wageningen.
امسح منضدة مطبخك وقد تجد الحمض النووي البشري (منك ومن والديك). قد يكون هناك بعض الحمض النووي للنبات (من الخضار التي قطعتها للتو) ومن فطر أو اثنين. قد يكون هناك بعض الحمض النووي للكلاب أو القطط إذا كان لديك حيوان أليف. ستحصل أيضًا على مجموعة من الحمض النووي البكتيري لأن البكتيريا موجودة في كل مكان!
تُعرف جميع البتات الجينية المنبثقة باسم DNA البيئي ، أو eDNA.
يمكن للعلماء استخدام هذه البصمات الجينية لاكتشاف بكتيريا جديدة ، يلاحظ راميريز. إنهم يحتاجون فقط إلى إحضار أي القليل من الأوساخ أو مياه البحر أو السماد إلى المختبر ومعرفة ما بداخله.
يُطلق على مجموع كل المواد الجينية في البيئة اسم الميتاجينوم (MET-uh-GEE-noam). فكر في الأمر على أنه حساء الحمض النووي. يتم خلط جميع الجزيئات المستخدمة في بناء جينات الكائنات الحية المختلفة معًا.
يستخدم العلماء أجهزة الكمبيوتر لتفكيك الفوضى.
مثل الغربال ، تقوم برامج الكمبيوتر بتصفية الحساء. يبحثون عن أنماط مألوفة تعرف باسم التسلسلات الجينية . أنها تشكل بصمة الحمض النووي للكائن الحي. إذا وجد العلماء بصمة إصبع لا يتعرفون عليها ، فقد يكون ذلك بسبب أنها من بعض الأنواع الجديدة.
يمكن للعلماء مقارنة هذه الأنماط ببصمات أصابع البكتيريا المألوفة لمعرفة مكان سقوط البكتيريا الجديدة داخل شجرة الحياة. يوضح بيدل من جامعة ديلاوير:"يمكننا الآن اكتشاف ميكروبات جديدة دون رؤيتها أبدًا".
ينبت الطرف البكتيري لشجرة الحياة براعم وأغصان جديدة أسرع من أي وقت مضى في التاريخ. قبل ثلاثين عامًا ، كانت جميع الكائنات الحية وحيدة الخلية المعروفة على الكوكب تندرج في اثنتي عشرة مجموعة رئيسية. يوجد الآن حوالي 120 مجموعة معروفة ، أو الشعبة (FY-lah). وعدد البكتيريا المسماة في كل مجموعة ينمو يوميا.
حياة صغيرة ، بيانات ضخمة
ماذا تحصل عندما تضيف تسلسل الحمض النووي لملايين البكتيريا الجديدة؟ الكثير والكثير من البيانات.
يقول جاك جيلبرت ، يمكنك التفكير في الكوكب كآلة ، وجميع النظم البيئية على الأرض كأجزاء للآلة. كل هذه البيانات المتعلقة بالحمض النووي البكتيري هي مفتاح "لفهم الأجزاء التي تتكون منها الآلة وكيف تعمل جميعها معًا" ، على حد قوله. جيلبرت عالم ميكروبيولوجي في مختبر أرغون الوطني بالقرب من شيكاغو ، إلينوي.
يحاول فريقه تنظيم هذه البيانات في كتالوج افتراضي لجميع البكتيريا الموجودة على الأرض. يطلق عليه مشروع Earth Microbiome. يساعد أكثر من 1000 عالم حول العالم في جمع العينات. إنهم يبحثون في مجموعة من البيئات المختلفة ، ثم يختبرونها بحثًا عن الحمض النووي البكتيري.
حتى الآن جمع الباحثون 100000 عينة. لقد قاموا بفهرسة البكتيريا من أعمق المحيطات. لقد عثروا على بكتيريا في محطة الفضاء الدولية ، على بعد 350 كيلومترًا (220 ميلاً) فوق الأرض. لقد اكتشفوا البكتيريا في مواقع غريبة مثل غابات الأمازون المطيرة والأماكن العادية مثل المراحيض العامة.
أسئلة الفصل الدراسي
إن اكتشاف البكتيريا الكامنة هناك - ولماذا - هو الخطوة الأولى لفهم كيف تقود النظم البيئية المختلفة الآلة الضخمة التي نعتقد أنها الحياة على الأرض. يقول جيلبرت إن التعرف على البكتيريا قد يساعدنا في الإجابة عن أسئلة حول كيفية عمل كوكبنا. قد تفسر البكتيريا سبب تعج الشعاب المرجانية في المحيط بالحياة. أو يمكنهم شرح سبب كون تربة مروج أمريكا الشمالية جيدة جدًا لزراعة المحاصيل.
ولهذا السبب يعد هذا البحث مهمًا للغاية ، كما يقول:"هذه معرفة يمكن أن تساعدنا في رعاية كوكب الأرض بشكل أفضل."
