العثور على الحياة في عوالم أخرى
Santiago Cadena 1,2, Paula Maza-Márquez 3, Sandra I. Ramírez Jiménez 2, Sharon L. Grim 3, José Q. García Maldonado 1, Leslie Prufert-Bebout 3 und Brad M. Bebout 3*
1DepartamentodeRecursosdelMar,CentrodeInvestigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Mérida, México 2
Centro
de Investigaciones Químicas, Universidad Autónoma del Estado de Morelos, Cuernavaca, México
3Exobiology
Branch,
National
Aeronautics
and
Space Administration (NASA) Ames Research Center, Mountain View, CA, United States
تنمو بعض الكائنات المجهرية معًا لتبني هياكل تُعرف باسم السجاد الميكروبي. تتكون هذ السجاد من عدة طبقات ملونة، وتعتمد بنيتها على العوامل البيئية مثل ضوء الشمس، الرطوبة، وتوافر الغذاء. توجد السجاد الميكروبي في المحيطات، البحيرات، البحيرات الساحلية، وكذلك في البيئات القاسية مثل الصحاري، المناطق القطبية، والينابيع الحارة. تشير الأدلة الأحفورية إلى أن السجاد الميكروبي كانت شكلاً شائعاً للحياة على الأرض القديمة، ولا تزال مستمرة على كوكبنا حتى اليوم. لذلك، دراسة السجاد الحديثة تساعدنا في فهم الحياة الميكروبية في الماضي، وكيف يمكن أن تساهم في تنظيم مناخ الأرض. يعتقد العلماء أن السجاد الميكروبي يمكن أن تزدهر على الكواكب الصخرية مثل الأرض، لذا يدرسون هذه السجاد في بيئات مختلفة على الأرض لمساعدتهم في التعرف على الأدلة التي تشير إلى وجود سجاد ميكروبي في عوالم أخرى.
الكائنات الدقيقة يمكن أن تُشكّل هياكل كبيرة!
الكائنات الدقيقة هي كائنات حية صغيرة جدًا لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة، حيث أن معظمها يتكون من خلية واحدة فقط. نحتاج إلى استخدام المجهر لرؤيتها. تعيش هذه الكائنات في أجسامنا وحولنا، بما في ذلك في التربة والماء والهواء. أحيانًا تتعاون الكائنات الدقيقة لبناء هياكل كبيرة يمكن رؤيتها دون الحاجة إلى مجهر. على سبيل المثال، الأشنات تبدو مثل النباتات، لكنها نتيجة علاقة مثيرة بين الطحالب والفطريات، التي تُشكّل رقائق أو فروعًا بدون أوراق على الأشجار أو الصخور. منتجات مثل اللبن الزبادي، الخل، الجبن، والخبز تُنتج من خلال عمليات التخمر التي تقوم بها مجموعات من الكائنات الدقيقة. بعض النباتات تبني هياكل صغيرة تُسمى العقد الجذرية، حيث يمكن للكائنات الدقيقة أن تعيش. بفضل هذه الكائنات الدقيقة في العقد، يمكن للنباتات الحصول على مزيد من الغذاء من البيئة، وبفضل النباتات، تجد الكائنات الدقيقة مكانًا للعيش والكثير من السكر لتتغذى عليه. غالبًا عندما يفسد طعامك في الثلاجة، يمكنك ملاحظة طبقة من الكائنات الدقيقة تُعرف باسم الأغشية الحيوية تنمو عليه. في الطبيعة، تعيش العديد من الكائنات الدقيقة في الأرض. باستخدام التربة والماء والمعادن، يمكن لهذه الكائنات الدقيقة أن تُشكّل هياكل كبيرة وصلبة. عندما يتوفر غذاء عالي الجودة، يمكن لبعض الكائنات الدقيقة أن تتكاثر بالملايين، متصلة بحبوب التربة أو الرمل، لتُنشئ هياكل تبدو كأنها صخور أو طين طبيعي، لكنها في الواقع هياكل حية مبنية من جموع من الكائنات المجهرية. هناك أنواع مختلفة من الهياكل الصخرية الميكروبية، تحمل أسماء مثل الميكروبليت، الإندوإيفابوريت، الأنكولايت، والستروماتولايت (الشكل 1). يمكن أن تكون لهذه الهياكل أشكال وألوان متنوعة، تتأثر بشكل كبير بالظروف البيئية المحيطة بتكوينها. السجاد الميكروبي هو مثال محدد على هيكل يبنيه الكائنات الدقيقة.
ما هي السجاد الميكروبي وما دورها؟
تحتاج الكائنات الدقيقة إلى الطاقة والماء لبناء السجاد الميكروبي. يمكن توفير الماء من الينابيع الحارة، البحيرات، أو الشواطئ الساحلية، وتستخدم العديد من الكائنات الدقيقة ضوء الشمس كمصدر رئيسي للطاقة. مع توفر ما يكفي من الطاقة والماء، يمكن للكائنات الدقيقة أن تزدهر على سطح ما، وتلتصق معًا بالغذاء وحبيبات الرمل أو التربة، لبناء سجاد يصل سُمكه إلى بضعة سنتيمترات ) الشكل 1(C في بعض الحالات، ينمو سجادة جديدة حية فوق سجادة قديمة ميتة، مما يكوّن طبقات سميكة الأشكال 1 (G,H) وكما يوحي الاسم، تشبه هذه السجاد أو البُسُط في الطريقة التي تغطي بها الأسطح بأحجام مختلفة. وعند النظر إليها عن قرب، تظهر السجاد طبقات عمودية مثيرة للاهتمام (الشكل 2). تتوزع الكائنات الدقيقة في طبقات خضراء، برتقالية، حمراء، وأرجوانية، حيث تمثل كل طبقة مجتمعًا مختلفًا من الكائنات الدقيقة يحتاج إلى كميات متفاوتة من ضوء الشمس والأكسجين )الشكل1( جميع الكائنات الدقيقة في السجادة تعمل معًا للحفاظ على بقائها والتفاعل مع البيئة المحيطة بها.
أظهرت الدراسات أن السجاد الميكروبي يلعب دورًا مهمًا في عمل النظم البيئية. على سبيل المثال، عندما تستعمر السجاد الأرض، تساهم في صحة التربة والرواسب من خلال إنتاج المغذيات التي تغنيها. تشارك السجاد في إعادة تدوير بعض العناصر الكيميائية، بما في ذلك الكربون، النيتروجين، والكبريت. كما يمكنها تنظيف المياه من خلال امتصاص وإطلاق الغازات من الغلاف الجوي، مثل الأكسجين، الهيدروجين، ثاني أكسيد الكربون، والميثان. بالإضافة إلى ذلك، تعد السجاد مصدرًا غذائيًا للحيوانات. تتغذى بعض الذباب، الحلزون، الديدان، السرطانات، والطيور على قطع صغيرة من السجاد الميكروبي، ومن ثم تتغذى الكائنات الأكبر على تلك الأصغر. بسبب الاستهلاك المستمر، نادرًا ما تنمو السجاد بشكل كبير، باستثناء في البيئات القاسية1 .
السجاد الميكروبي حول العالم
في الوقت الحاضر، يمكن العثور على السجاد الميكروبي في البحيرات الساحلية الاستوائية، مصبات الأنهار، والخلجان، لكنها قد تكون صعبة الرؤية لأنها تنمو بشكل كبير فقط عندما يتوفر لها ما يكفي من الغذاء وتكون محمية من الكائنات الحية التي تتغذى عليها. ومع ذلك، تُظهر السجلات الأحفورية انتشارًا واسعًا للسجاد الميكروبي، مما يشير إلى أن هذه الهياكل كانت وفيرة على الأرض قبل مليارات السنين. فقط تخيل! الديناصورات ظهرت منذ 0.245 مليار سنة، الأسماك منذ 0.530 مليار سنة، والنباتات المائية منذ 1.2 مليار سنة، لكن السجاد الميكروبي كان موجودًا على الأرض حتى قبل 3.5 مليار سنة، أي قبل وقت طويل جدًا من وجود أي شكل آخر من أشكال الحياة. في الأرض القديمة، انتشرت هذه الهياكل الميكروبية على الأسطح الصخرية أو الرملية في جميع أنحاء العالم. تخيل ذلك! اليوم، غالبًا ما تتعرض السجاد الميكروبي للأكل من قبل الكائنات الحية الأخرى، ولكن قبل مليارات السنين، لم تكن تلك الكائنات قد تطورت بعد، لذا استمرت السجاد في النمو! السجاد الميكروبي هو أحد أقدم أشكال الحياة المنظمة، ودراسة السجاد الحالية تساعد العلماء على فهم مساهمتها في النظم البيئية على الأرض الحديثة والقديم.
كشفت البيانات الجيولوجية والدراسات المخبرية عن أهمية السجاد الميكروبي في تاريخ الأرض. يُعتقد أنه في الماضي، ساهمت وفرة السجاد ونشاطها العالي في تكوين الغلاف الجوي الذي نتنفسه اليوم. بالإضافة إلى ذلك، مع إطلاق السجاد القديم لثاني أكسيد الكربون والميثان، ساهمت في تنظيم مناخ الأرض، مما ساعد على تكوين الغلاف الجوي الدافئ الذي جعل الأرض كوكبًا صالحًا للحياة.
السجاد الميكروبي كنماذج للحياة خارج الأرض
تمت ملاحظة السجاد الميكروبي في أنظمة بيئية قاسية، مثل المناطق شديدة الملوحة حول السواحل وفي التربة الصحراوية. كما يمكن أن تتكون في المناطق القطبية على التربة الدائمة التجمد، وهي التربة التي لا تذوب أبدًا. تم اكتشاف السجاد أيضًا عند درجات حرارة مرتفعة، بالقرب من البراكين والينابيع الحارة. وتم العثور عليها أيضًا في أعماق المحيط، في ظل ظروف صعبة من الضوء والضغط.
نظرًا لأن السجاد الميكروبي يمكن أن ينمو تحت ظروف شديدة التباين من ضوء الشمس، الماء، درجات الحرارة، والملوحة، يعتقد العلماء أن السجاد الميكروبي قد يوجد خارج الأرض، على كواكب أو أقمار صخرية أخرى. معظم الكواكب والأقمار في نظامنا الشمسي غير مناسبة للحياة، بسبب الكميات الكبيرة من الأشعة فوق البنفسجية أو الإشعاع الكوني الذي تتعرض له، ونقص الغلاف الجوي الداعم للحياة. لكن الأدلة تشير إلى أن بعض الكواكب والأقمار في النظام الشمسي قد تحتوي على ماء، أحيانًا يكون محميًا بطبقات من الجليد. إذا كانت هناك حياة في تلك الأماكن البعيدة، فمن المحتمل أن تكون حياة ميكروبية، وليست حيوانات أو نباتات كبيرة. لذلك، من خلال دراسة خصائص السجاد الميكروبي، يمكن للعلماء اكتشاف توقيع حيوي لهذه السجاد. التوقيع الحيوي يشبه بطاقة تعريف تشير إلى وجود الحياة. على سبيل المثال، يمكن أن تكون الغازات التي تنتجها الكائنات الدقيقة أو الهياكل التي تبنيها في الصخور والرمل توقيعات حيوية لها. باستخدام الكاميرات والأدوات الموجودة على المركبات الفضائية، سيكون من الأسهل بكثير اكتشاف الهياكل الكبيرة التي تنتجها الكائنات الدقيقة مقارنة باكتشاف الكائنات الدقيقة نفسها. إذا لاحظنا توقيعًا حيويًا للسجاد الميكروبي على كوكب آخر باستخدام كاميرات المركبات الفضائية، فسيدل ذلك على إمكانية وجود كائنات دقيقة تعيش على ذلك الكوكب.
حاليًا، يبحث العلماء عن سجاد ميكروبي حي أو متحجر في نظامنا الشمسي. كوكب المريخ وقمران من كوكب زحل (تيتان وإنسيلادوس) يتمتعان بخصائص جيولوجية واعدة لتكوين السجاد الميكروبي. يحتوي المريخ على سطح صخري وجاف، لكن مؤخرًا، قدم مسبار المريخ المداري التابع لناسا أدلة قوية على وجود مياه سائلة على الكوكب. وقد وجدت مهمات المركبة الفضائية كاسيني-هايجنز وفوييجر التي تدرس زحل وأقماره أدلة على وجود الماء والجليد القطبي على تيتان وإنسيلادوس، ربما مشابهة للجليد والماء الموجود في القمم الجليدية القطبية على الأرض. لم يتم العثور حتى الآن على أي دليل على وجود أي نوع من الحياة خارج كوكبنا، ولكن دراسة النظم البيئية القاسية على الأرض تساعدنا على التنبؤ بالظروف اللازمة للحياة الميكروبية في أماكن أخرى في الكون، وتصميم استراتيجيات وأجهزة تساعدنا في اكتشافها. على سبيل المثال، يجب أن نعرف الأدوات التي يجب إرسالها في مهمات الفضاء لاكتشاف الغازات التي تنتجها الكائنات الدقيقة، ويجب أن نعرف كيفية التعرف على السجاد الميكروبي في الصور الفوتوغرافية.
كيف يتم دراسة الحصائر او السجاد الميكروبية؟
توجد الحصائر الميكروبية في كل مكان على الأرض، سواء في البيئات المعتدلة أو القاسية، وفي الأماكن التي يمكن الوصول إليها أو التي يصعب الوصول إليها. تُعتبر بعض الحصائر الميكروبية الأكثر شهرة موجودة في متنزه يلوستون الوطني في ولاية كاليفورنيا (الولايات المتحدة الأمريكية)، حيث تنمو بالقرب من الينابيع الساخنة والينابيع الحارة. ومع ذلك، يمكنك العثور على حصائر مائية في بعض السواحل الضحلة، حيث يرتفع الماء المالح وينخفض مع المد والجزر. على سبيل المثال، يمكن أن تنمو الحصائر في غابات المانغروف، والمستنقعات الملحية، والأراضي الرطبة، أو على حواف الأنهار والبحيرات. وأحيانًا، في الأماكن التي لا يتم تنظيف مياهها بانتظام، يمكن أن تنمو طبقات من الأغشية الحيوية أو حصائر صغيرة، مثل تلك التي تنمو في أحواض الطيور، أو النوافير، أو أحواض الأسماك.
تُجرى الأبحاث الحالية عن الحصائر الميكروبية من خلال رحلات ميدانية واستكشافية تهدف إلى دراسة قدرة الحصائر والكائنات الدقيقة على البقاء في مختلف الأنظمة البيئية، وفي ظل ظروف بيئية متنوعة. تساعد هذه المعلومات العلماء على فهم دور الحصائر في النظم البيئية، وحدود الضوء والماء ودرجة الحرارة وغيرها من العوامل التي تؤثر على عمل هذه الكائنات الحية الدقيقة. بالإضافة إلى دراسة الحصائر في مواقعها الطبيعية، يتم نقل قطع منها إلى المختبرات، حيث تُجرى تجارب طويلة الأجل وتستخدم الأدوات المختبرية المختلفة لمعرفة المزيد عن حياة هذه الكائنات الحية الدقيقة. على سبيل المثال، يمكننا تنمية الحصائر في المختبر واستخدام أجهزة لقياس كمية الأكسجين التي تنتجها وكمية ثاني أكسيد الكربون التي تستهلكها.
الخلاصة
في الختام، تُعد الحصائر الميكروبية أنظمة معقدة توفر فرصة ممتازة لدراسة التنوع الميكروبي وعلم البيئة والتطور. توجد الحصائر في جميع أنحاء الأرض في العديد من الأنظمة البيئية المختلفة، وتأتي بأشكال وأحجام متنوعة. مثلما تنتشر الحصائر نفسها في العالم، ينتشر العلماء المهتمون بدراسة الحصائر الميكروبية في جميع أنحاء العالم. هل تعرف أو زرت مكانًا قد تنمو فيه الحصائر؟
المصطلحات
الغشاء الحيوي:
طبقة من الكائنات الدقيقة الملتصقة ببعضها البعض وملتصقة بسطح معين أو طافية عليه.
الحصيرة الميكروبية:
هيكل كبير تُنشئه الكائنات الدقيقة، ينمو فوق الرواسب. ويتكون عادة من حبيبات التربة والمعادن والعناصر الغذائية والميكروبات.
النظام البيئي:
مجتمع من الكائنات الحية التي تعيش في منطقة معينة، والعناصر غير الحية في بيئتها (مثل الطقس والمناظر الطبيعية).
السجل الأحفوري:
تاريخ الحياة على الأرض، موثق بالأحفوريات أو بقايا أو طبعات الكائنات التي عاشت منذ سنوات عديدة.
التوقيع الحيوي:
أي ميزة أو جزيء أو مادة أو سمة تشير بقوة إلى وجود حياة.
المراجع
[1] Yanez-Montalvo A., Águila Salgado B., Gómez-Acata E., Beltrán Y., Valdespino-Castillo P., Centeno C., et al. 2019. Microbialites: what on earth? Front. Young Minds. 7:112. doi: 10.3389/frym.2019.00112
[2] Seckbach J., and Oren A. 2010. Microbial Mats: Modern and Ancient Microorganisms in Stratified Systems. Amsterdam: Springer. doi: 10.1007/978-90-481-3799-2
[3] Hoehler T. M., Bebout B. M., and Des Marais D. J. 2001. The role of microbial mats in the production of reduced gases on the early Earth. Nature. 412:324–7. doi: 10.1038/35085554
[4] Nazari-Sharabian M., Aghababaei M., Karakouzian M., and Karami M. 2020. Water on Mars-A literature review. Galaxies. 8:40. doi: 10.3390/galaxies8020040
[5] Mitri G., Postberg F., Soderblom J. M., Wurz P., Tortora P., Abel, B., et al. 2018. Explorer of enceladus and titan (E2 T): investigating ocean worlds’ evolution and habitability in the solar system. Planet. Space Sci. 155:73–90. doi: 10.1016/j.pss.2017.11.001
EDITOR: Rémy Beugnon, German Centre for integrative Biodiversity Research (iDiv), Deutschland
المترجم
رغد س محمد باحثة مهتمة بالتنوع الحيوي في العراق وتأثيرات التغير المناخي على هذا التنوع. في العراق، التغيرات المناخية مثل ارتفاع درجات الحرارة، نقص الموارد المائية، وزيادة التصحر تؤثر سلبًا على التنوع البيولوجي، مهددة بذلك العديد من الأنواع النباتية والحيوانية. الحفاظ على التنوع الحيوي في العراق يتطلب استراتيجيات مستدامة للتكيف مع التغيرات المناخية وضمان استدامة الموارد البيئية للأجيال القادمة.
تمويل (ترجمة)
تُعرب فريق “ترجمة التنوع البيولوجي للتربة” عن شكرها لدعم المركز الألماني للتنوع البيولوجي الشامل (iDiv) هالي-ينا-لايبزيغ الممول من قبل المؤسسة الألمانية للبحث العلمي (DFG FZT 118، 202548816).
3 الشكل: الطحالب والأغشية الحيوية الشبيهة بالحُصُر تنمو في أماكن مألوفة، مثل: (A) حوض طيور، (B) مزراب شارع، (C) لوح سقف خارجي، (D) قاع حوض السمك، (E) جامع مياه من تصريف السقف، (F) مياه مصب، (G) لوح موجود تحت حظيرة. (H) الطحالب العائمة في منطقة عليا من Elkhorn Slough، كاليفورنيا. (I) منظر لمنطقة جمع الحُصُر الميكروبية. (J) أخذ عينات من الحُصُر الميكروبية. (K) نقل الحُصُر من موقع الحقل. (L) حُصُر تحت الحضانة في دفيئة في مركز أبحاث Ames التابع لناسا
2 الشكل : تكبير السنتيمتر الأول من حصيرة ميكروبية. (A) هيكل حصيرة ميكروبية كلاسيكية. توجد الكائنات الدقيقة الحية في الطبقة العليا، بينما تكون الحصيرة القديمة في الأسفل. (B) نظرة قريبة على مقطع عرضي للسنتيمتر الأول من الحصيرة، يظهر الطبقات المختلفة التي تم تشكيلها. (C) تعيش أنواع مختلفة من الكائنات الدقيقة في الطبقات المختلفة من الحصيرة الميكروبية. يتم إعادة تدوير العناصر المهمة مثل الكربون والنيتروجين والأكسجين بواسطة الكائنات الدقيقة.
1 الشكل: الشكل 1 - أمثلة على الهياكل التي تصنعها الكائنات الدقيقة باستخدام التربة والماء والصخور والمعادن. (A) على شكل كرات من موقع شلالات كاسي، حوض كانينغ، أستراليا الغربية (ائتمان الصورة: هايدي ألين). (B) الإندوفابوريت. (C) حصيرة ميكروبية. (D، E، G، H) حصائر ميكروبية في شبه جزيرة يوكاتان في المكسيك. (F) حصائر ميكروبية من حفرة الجزيرة الوسطى، بحيرة هورون في أمريكا الشمالية (ائتمان الصورة: جون برايت، NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary). (I) مقطع عرضي لحصيرة ميكروبية من غويريرو نيجرو، المكسيك.
