گسترهی بزرگی از میکروارگانیسمهای روی زمین شامل برخی از کهنترین ساکنان آن، توانایی تحملِ رویارویی با چنان شرایط دشواری را دارند که برای سایرِ جاندارانْ تقریباً ناممکن است؛ این موجوداتِ ریز، به اکستریموفایل یا جانسخت موسوم هستند.
به فضای بیرون از زمین خلأ میگویند: جایی که امان و رهایی از آثارِ زیانبار پرتوها وجود ندارد، دما به صفر مطلق میرسد و از آب و مواد معدنی نیز خبری نیست! فقط کسر کوچکی از این شرایط، سازوکارِ بیوشیمی موجودات زنده را مختل میکند. پرتوهای فرابنفش در همه جای منظومهی شمسی فراوانند، بدیهیست که سبب صدمه به سلول و افزایش نرخ جهش در DNA و سرانجام مرگ سلول شوند. این پرتوها در زمین اولیه نیز نقش پررنگی داشتهاند. در آن دوره، زمین فاقد لایهی اوزون بوده و سطح آن در معرض طیف کاملی از پرتوهای خورشید قرار داشته. در نتیجه، این فرضیه مطرح میشود که میکروارگانیسمهایی که در زمین اولیه تکامل یافتهاند احتمالاً سازوکارهای سلولی برای محافظت در برابر پرتوها را در خود گسترش دادهاند. جانورانِ جانسخت سطوح بالای نمک، دماهای شدید، خشکی و سطوح بالای پرتوهای زیانبار را تاب میآورند. یکی از معروفترینِ این موجودات، میکروارگانیسمهای نمکدوستها هستند که بهعلت دوام در محیطهای پرشور بهطور ویژه موضوع پژوهشهای اخترزیستشناسانهاند!
زندگی در هر کجا که باشد، اثرانگشتهای زیادی از مولکولهای زیستی تا میکروارگانیسمهای زنده از خود بهجا میگذارد! اهمیت درکِ تواناییهای این اثرانگشتهای زیستی برای بقا و مقاومت بسیار بالاست. پایدارترینِ این اثرانگشتها ممکن است همچنان در گوشهکناری در عالم از همسایگیمان، سیارهی سرخ تا قمرهای یخی سیارههای گازی، محافظتشده باقی مانده باشند و قوتِنهفته برای شناساییشدن در مأموریتهای آینده را داشته باشند! روشهای بیشماری برای مطالعهی زندهمانی میکروارگانیسمها در شرایط شبیهسازیشدهی فرازمینی چه در مدار و چه در آزمایشگاههای روی زمین، طراحی شده و مأموریتهای متنوعی با تجهیزات اخترزیستشناسی روانهی مریخ شدهاند. دو مأموریت جدیدِ ExoMars و Mars2020 با توان بیشتری از مأموریتهای پیشین بهجستجوی هرگونه نشانی از حیات در گذشته یا حال سیارهی سرخ خواهند پرداخت.
آرکیهای نمکدوست، برخی از نخستین ساکنان روی زمین هستند که در محیطها پرشور تکامل یافتهاند. جالب است بدانیم که در ساختارهای زمینشناسی از دورههای پرمین و تریاسیک (از ۲۹۰ تا ۲۰۶ میلیون سال قبل) آرکیها و باکتریهای زنده، یافته شده است که این خود نشانگر میزان تحمل شگفتانگیزِ آنها در برابر شرایط خشکی است. با وجود اینکه میدانیم احتمالاً استروماتولیت های ۳.۵ میلیارد ساله اولین پناهگاههای حیات بودند، نمکهای باستانی هم گوشههای دنجی برای جادادن و تکامل حیات بودند. در واقع، هم استروماتولیتها و هم نمکهای باستانی زیستگاهِ خانوادهی آرکیهای Halobacteriaceae هستند که احتمالاً طول عمر بسیار بالایی هم دارند.
ایجاد سازوکاری برای ترمیم مولکولهای آسیبدیده برای بقا و ادامهی حیات در محیطهای پرشور ضروری است. پژوهشهای بسیاری نشان داده که نمکدوستها برای میلیونها سال داخل استروماتولیتها و نمکهای باستانی قادر به تحملِ شرایط حدی خشکی، نبود مواد مغذی و شرایط پرتویی هستند. به احتمال زیاد بسیاری از این راهبردهای مقابله در این سلولها به دورهی پرکامبرین، زمانی که هنوز لایهی اوزون برای محافظت در برابر پرتوهای فرابنفش شکل نگرفته بود، برمیگردد.
برای میکروارگانیسمهای پروکاریوت سازوکار زندهمانی در شرایط حدی شامل تولید اسپور(۱) و پلیساکارید خارج سلولی (EPS) میشود. این دو مکانیسم در بیشتر هالوفیل وجود ندارد. تحلیل ژنی هالوفیل .Halobacterium sp نشان میدهد که ژنهایی در سرتاسر مادهی ژنتیکی این میکروارگانیسم برای ترمیم صدمات، فعال هستند و کارِ ترمیم را با استفاده از روشهای متنوعی انجام میدهند. درحالیکه، بسیاری از میکروارگانیسمها از ترکیبات آلی برای محافظت در برابر شرایط حدی بهره میبرند، نمکدوستها یونهای پتاسیم، سدیم و هیدروژن را در دست دارند! برای محافظت دربرابر شرایط پرتوی و هر وضعیت دیگری که منجر به تولید رادیکالهای هیدروکسیل(۲) در داخل سلول شود آرکیهای نمکدوست از سازوکارهای پلیپولوئیدی(۳)، رنگدانههای غشا، باکتریوروبرین و کلریدپتاسیم داخل سلولی استفاده میکنند.
در هر سه شهابسنگ مریخیِ معروف، شرگوتی ، نخلا و چاسیگنی مقادیر گوناگونی از نمک مشاهده شده است و به احتمال زیاد شهابسنگ نخلا با آب و نمک دریا، زمانی در گذشتهی دور در تماس بوده است. بهتازگی، دو مدارگرد و مریخنورد در مأموریتهای اخیر خود، نمک و مواد معدنی تبخیری در سطح سیارهی سرخ شناسایی کردهاند. اگرچه دمای سطح مریخِ اولیه کمتر از ۲۷۳ درجه کلوین بوده اما بهعلت وجود مواد معدنی محلول احتمال وجود آب مایع زیاد است. توانمندی آرکیهای نمکدوست برای بقا در شرایطی با آب فعال اندک از قبیل محیطهای تبخیری و نیاز آنها به تمرکز زیاد شوری، این جانداران را به مدلهای مناسبی برای مطالعهی حیات در مریخ تبدیل میکند.
در پژوهش پیشِ رو، میکروارگانیسمِ نمکدوستِ (هالوفیل) جداسازیشده از دریاچهی ارومیه، Halovarius luteus، در معرض طیفِ متنوعی از شرایط شبیهسازیشدهی حدی فضایی قرار داده شد تا درصد زندهمانی و میزان تحمل آن بررسی و با باکتری مقاومْ و تولیدکنندهی اسپور Bacillus atrophaeus مقایسه شود. علت اصلی انتخاب باکتری B. atrophaeus مقاومت بسیار زیاد در همهی شرایط حدی است. در این مطالعه، بهمنظور بررسی زندهمانی سلولها بدون اثر محافظتی لایههای متعدد، از هر دو میکروارگانیسم در اواخر فاز لگاریتمی رشد، لایهی نازکی (فیلم) درون پتریدیش تهیه شد. دو میکروارگانیسم نمکدوست و باسیل، درحالیکه به ترتیب درون بافر نمکی و محلول نمک فسفات با خاصیت بافری قرار داده شدند خشکانده و سلولهای محبوس در مولکولهای بافرها در معرض شرایط خشکی، خلأ و پرتوهای فرابنفش قرار داده شدند. در ادامه، بهموازات ارزیابی درصد زندهمانی، تغییرات بهوجود آمده در پروتئینهای نمکدوست بهوسیلهی کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا و طیفسنج جرمی بررسی شدند.
در سال ۲۰۱۱ میلادی، آرکی نمکدوستِ Halovarius luteus از گونه و جنسی جدید متعلق به خانوادهی Halobacteriaceae از نمونههای نمکی دریاچهی ارومیه جداسازی شده است. دریاچهی ارومیه یکی از بزرگترین دریاچههای فوق اشباع در جهان بود. ساختارهای زمینشناسی که دریاچه ارومیه را منحصر بفرد میکنند شامل سنگآهکهایی از دورهی ژوراسیک و صخرههای آتشفشانی متعلق به دورهی ائوسن هستند. این محیط پرشور سکونتگاهِ شمار زیادی از گونههای باکتریایی، آرکیها، جلبکها، ریزقارچها و گیاهان است. طی چهل سال گذشته، اندازهی دریاچهی ارومیه بهعلت استفادهی بیش از حدِ آب برای امور کشاورزی، کاهش بارندگی، افزایش تبخیر، ساخت سدها و پل میانگذر بهشدت کاهش یافته است. بهمرور زمان و با کاهش آب دریاچه، شوری بیشتر و بیشتر شد. همین موضوع، انگیزهی اصلی ما برای آغاز این مطالعه و انتخاب این سویه که در دریاچهای با شوری فزاینده تکامل یافته، بهجای استفاده از یک آرکی شناختهشده، بود. برای مقایسهی زندهمانی این آرکی تحت شرایط شبیهسازیشدهی حدی فضایی از باکتری بسیار مقاوم B. atrophaeus استفاده شد.
هر دو میکروارگانیسم نمکدوست و باسیل تحت پرتوهای فرابنفش در مجاورت هوا و مجاورت نیتروژن قرار داده شدند. در حالی که زندهمانی باسیل حتی در بیشترین شارش پرتوهای فرابنفش تغییری از خود نشان نداد، میکروارگانیسم نمکدوست دستخوش تغییراتی شد. اما نمکدوست، حتی بعد از سی دقیقه در معرض پرتوهای فرابنفش خورشید در سطح مریخ با درجاتی کاهش، همچنان زنده ماند. در گروه اولی که از میکروارگانیسمها تهیه شد، هیچ همپوشانی بین سلولها وجود نداشت. گروه اول در نمکدوستها درصد زندهمانی کمتری در مقایسه با گروههای دوم و سوم که حداکثر تا ۲.۵ لایه سلولی در هر پتریدیش (۴)تشکیلشده، را نشان داد. با افزایش شارش پرتوهای فرابنفش، نمونههای با کمترین ضخامت، بیشترین آسیبها و در نتیجه، کمترین زندهمانی را داشتند. برای شناختن اثر خلأ بر زندهمانی میکروارگانیسمها، یک بار آنها برای مدت یک ساعت و بار دوم برای هفت روز در معرض خلأ بالا و پایین قرار داده شدند. تغییر در زندهمانی زمانی رخ داد که نمکدوستها یک هفته در معرض شرایط خلأ بودند. همچنین برای بررسی اثر شرایط خشکی، میکروارگانیسمها یک بار برای مدت یک هفته و بار دیگر برای دو هفته در معرض شرایط خشکی قرار گرفتند. در این آزمایش رندهمانی هر دو میکروارگانیسم تخت تاثیر قرار گرفت. با این تفاوت که باسیل صدمهی کمتری دید. بررسی پروفایل پروتئینی میکروارگانیسم نمکدوست برخی تفاوتهای بین زمان تأخیر نمونههای در معرض با نمونههای کنترل را نشان داد. پروتئینهای جداسازیشده برای تحلیل بیشتر با طیفسنج جرمی آمادهسازی شدند.
در آزمایش نخست که در آن انتقال پرتوهای فرابنفش از طریق هوا انجام شده بود، باوجود اثر کاهشی و تضعیفی اکسیژن روی پرتوها، رادیکالهای مضرِ ایجادشده در این مسیر آشکارا آثار زیانباری روی سلولها داشتند. همچنین باتوجه به شفافیت بلورهای نمک سدیمکلراید در برابر طولموجهای بالاتر از ۲۰۰ نانومتر، نباید آسیبهای ناشی از تشکیل رادیکالهای هیدروکسیل را که حاصل اندرکنش پرتوهای فرابنفش و بقایای مولکولهای آب درون بلورهای نمک و/یا مایع داخل سلولی است، غافل بود.
اطلاعات بدست آمده از پژوهش ما نشان میدهد که باسیل تولیدکننده اسپور در همهی شرایط حدی در معرض قرارگرفته بیشتر از نمکدوست زنده ماند. اگرچه برای زندهمانی در شرایط خشکی، بسیاری از پروکاریوتها مکانیسمهایی از قبیل تولید اسپور و پلیساکاریدهای خارج سلولی دارند، بیشترِ نمکدوستها از هیچ یک از این مکانیسمها برای ترمیم یا بقا استفاده نمیکنند. درحالیکه نباید آثار مثبت چندلایهای و محبوسشدن در بلورهای نمک را نادیده گرفت، واضح است که نمکدوستها نیز از سازوکارهای پشتیبانِ چندگانهای برای بقا در شرایط حدی بهره میبرند.
یکی از سازوکارهای مهم برای ترمیم و زندهمانی، پلیپلوئیدی بودن (یا کپیهای ژنی چندگانه) است. در کنار آن، غلظت بالای یونهای نمکِ درونسلولی شامل کلراید و احتمالا برماید که نقش چپرونهای شیمیایی را ایفا میکنند هم بسیار پررنگ است. مشخص شده است که نمکدوست H. salinarum در محیط طبیعی خود از انباشت کلراید و برماید بهره میبرد. از سوی دیگر تحقیقات نشان میدهند که سطح برماید و کلراید دریاچه ارومیه در ۲۵ سال گذشته چندین برابر شده است. پویایی شیمیایی دریاچه ارومیه بهخصوص در ۴۰ سال گذشته حیات دریاچه را به سمتِ تکوین مکانیسمهایی برای بقا و تحمل شوری اشباع سوق داده است.
نمکدوست دریاچه ارومیه بعد از یک هفته قرارگرفتن در معرض شرایط خلأ بالا و دو هفته در محفظهی خشککن، کاهش متوسط و زیادی در زندهمانی از خود نشان داد. اگرچه در همهی حالات آزمایش، باسیل زندهمانی بیشتری از نمکدوست نشان داد، نمکدوست نیز مقاومتِ قابل توجهی داشت. توانایی نمکدوستها برای مواجهه با آب فعال اندک(۴) در محیط به احتمال زیاد به علت تحملپذیری بالای شوری در آنها است. در ارتباط با پروفایل پروتئینی و بررسی و تحلیلهای انجامشده با کروماتوگرافی و طیفسنج جرمی، آشکارا تغییراتی در وزن پروتئینهای در معرض قرارگرفته، روی داده است. بررسی دقیقتر دربارهی پروتئینها به مطالعات بیشتری در آینده نیاز دارد. نتایجِ این مطالعه، درک ما را از حداکثر مرزهای زندهمانی و تحملِ میکروارگانیسمهای نمکدوست در پژوهشهای اخترزیستشناسی گستردهتر میکند.
پینوشت: مقالهای که خواندید بخشی از پایاننامهی فوق لیسانس نگارنده است که در سال ۲۰۱۶ در سازمان فضایی اروپا (در هلند)، دانشگاه لیدن و آکتا در آمستردام انجام شده است.
(۱) پوششی محافظتی که برخی از میکروارگانیسمها در شرایط سخت در اطراف خود ایجاد میکنند.
(۲) رادیکال هر اتم یا مولکولی است که الکترون جفتنشده داشته باشد و ناپایدار باشد. رادیکال هیدروکسیل، اکسیداتیوترین نوع رادیکال آزاد است که از تجزیهی نوری پراکسیدهیدروژن و برخی دیگر از ترکیبات بدست میآید.
(۳) هر موجود زندهای مادهی ژنتیکی دارد که به کروموزوم موسوم است. موجودات زنده از مادهی ژنتیکی خود یک، دو، سه یا چندین کپی دارند. برای نمونه انسان موجودی دیپلوئیدی است که بهمعنی داشتن دو نسخه برای هر کروموزوم است. این نسخهها در آرکیهای نمکدوست به چندین عدد میرسند. پس یعنی آنها هاپلوئید (تک نسخه) یا دیپلوئید (دو نسخه) نیستند بلکه پلیپلوئید یا دارای نسخههای چندگانه هستند که یعنی آنها یک کروموزوم، با تعداد زیادی کپی از آن دارند. مزیت پلیپلوئیدی بودن در این است که اگر به ژنی در یک کپی آسیب برسد، نمکدوست آن قطعهی مصدوم را با کپی سالمی جایگزین میکنند.
(۴) ظرفِ دردارِ آزمایشگاهی است از جنس شیشه یا پلاستیک با عمق کم، که برای کشت سلول استفاده میشود.
(۵) در محیطهای آبیِ دارای ناخالصیهای نمکی، مولکولهای آب تمایل دارند وارد اندرکنشهایی با یونهای نمکی شوند و در اطراف هر یون پوششی ایجاد کنند که به آن آبپوشی یون گفته میشود. این اندرکنش موجب کاهش مولکولهای آزادِ آب در محیط و در نتیجه آب فعال (aw) میشود.
عکس بالای صفحه: دریاچهی ارومیه.
عنوان اصلی مقاله: Survival of the Halophilic Archaeon Halovarius luteus after Desiccation, Simulated Martian UV Radiation and Vacuum in Comparison to Bacillus atrophaeus
نویسندگان: Niloofar Feshangsaz, et al
لینک مقالههای اصلی:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11084-020-09597-7
گردآوری: نیلوفر فشنگساز