نیتروژن در تکامل حیات روی زمین اولیه اهمیت زیادی داشت، اما میزان دسترسی به آن همواره محل بحث بوده است. در حالی که فرضیه‌های پیشین پیشنهاد می‌کردند که نیتروژن زیستی در دسترس محدود بوده است، مطالعات اخیر این دیدگاه را رد می‌کنند.
پژوهشگرانی از جمله دانشمندان دانشگاه RPTU کایزرسلاوترن-لاندائو در جنوب غربی آلمان در حال بررسی این موضوع هستند که نیتروژن چگونه بر توسعه و گسترش حیات میلیاردها سال پیش تأثیر گذاشته است.
نیتروژن و منشأ حیات
نیتروژن عنصری ضروری برای همه انواع حیات است. این عنصر برای تشکیل اسیدهای آمینه، که اجزای سازنده پروتئین‌ها هستند، و سایر ترکیبات زیستی مورد نیاز است.
اگرچه جو زمین سرشار از گاز نیتروژن است، اما این گاز به‌راحتی برای بیشتر موجودات زنده قابل استفاده نیست.
برخی از انواع میکروب‌ها می‌توانند نیتروژن جوی را به اشکالی تبدیل کنند که برای سایر موجودات زنده قابل استفاده باشد – فرآیندی که به آن تثبیت نیتروژن گفته می‌شود. اما میکروب‌های باستانی چگونه نیتروژن را به دست می‌آوردند؟ آیا این عنصر به مقدار کافی برای تسهیل رشد حیات موجود بوده است؟
در اینجا تحقیقاتی که به سرپرستی میشل گهرینگر از دانشگاه RPTU انجام شده، سرنخ‌هایی در اختیار ما قرار می‌دهد.
ثبات تثبیت نیتروژن در طول زمان
دانشمندان پایداری تثبیت نیتروژن را تحت شرایط محیطی مختلف بررسی کردند. آن‌ها از روشی استفاده کردند که ایزوتوپ‌های نیتروژن را در دو شکل پایدار (¹⁵N و ¹⁴N) شناسایی می‌کند تا روند تثبیت نیتروژن توسط باکتری‌ها را دنبال کنند.
گهرینگر توضیح می‌دهد:
“گاز نیتروژن ترکیبی از اتم سبک‌تر ¹⁴N و اتم سنگین‌تر ¹⁵N است. هنگامی که میکروب‌های مدرن نیتروژن را در متابولیسم خود مصرف می‌کنند، این دو ایزوتوپ را در نسبت خاصی به کار می‌گیرند. ما این نسبت را با سوزاندن زیست‌توده‌ای که حاوی نیتروژن است و جمع‌آوری گاز نیتروژن تولید شده در طی احتراق اندازه‌گیری می‌کنیم.”
تاکنون تصور می‌شد که میکروب‌ها در هر شرایط محیطی، حتی در جوی غنی از دی‌اکسیدکربن و فاقد اکسیژن در گذشته زمین، همان نسبت ¹⁵N به ¹⁴N را حفظ کرده‌اند. اما هیچ‌کس این فرضیه را به طور مستقیم آزمایش نکرده بود.
از آنجا که سرعت متابولیسم به شرایط محیطی وابسته است، پژوهشگران فرض کردند که نسبت ایزوتوپ‌های نیتروژن نیز ممکن است متغیر باشد.
برای بررسی این موضوع، گهرینگر و همکارانش سیانوباکتری‌ها را در محیط‌هایی که به شرایط زمین اولیه شباهت داشت (فاقد اکسیژن و سرشار از دی‌اکسیدکربن) کشت دادند.
او توضیح می‌دهد:
“ما دریافتیم که نسبت ¹⁵N به ¹⁴N در سیانوباکتری‌ها پایدار باقی می‌ماند. بنابراین، نتایج ما از این فرضیه حمایت می‌کند که این نسبت در طول تاریخ زمین ثابت بوده است.”
سرنخ‌هایی در سنگ‌های باستانی
در ادامه این تحقیق، گهرینگر با دکتر اشلی مارتین از دانشگاه نورثامبریا و دکتر اوا اشتویکن از دانشگاه سنت اندروز همکاری کرد. این متخصصان به بررسی چرخه‌های نیتروژن در استروماتولیت‌های باستانی پرداختند – ساختارهای رسوبی که توسط میکروب‌ها تشکیل شده‌اند.
این سنگ‌ها که قدمتی حدود ۲.۷ میلیارد سال دارند، شواهدی از حیات اولیه را در خود حفظ کرده و نمایی از گذشته دور زمین ارائه می‌دهند.
گهرینگر توضیح می‌دهد:
“ما به نمونه‌های سنگی دست‌نخورده و هوازدگی‌نشده دسترسی پیدا کردیم، آن‌ها را به پودر ریز تبدیل کرده و ایزوتوپ‌های نیتروژن را در آن‌ها تجزیه و تحلیل کردیم.”
نتایج این تحقیق شگفت‌انگیز بود. برخلاف استروماتولیت‌های زنده که به طور کامل به تثبیت نیتروژن توسط سیانوباکتری‌ها وابسته هستند، نمونه‌های باستانی وجود منبع ثانویه‌ای از نیتروژن را نشان می‌دادند – یعنی آمونیم حل‌شده.
وی افزود:
“محتمل‌ترین منبع این آمونیوم، فعالیت‌های زمین‌گرمایی (هیدروترمال) در کف دریا بوده است.”
برای آزمایش بیشتر این فرضیه، محققان همچنین سنگ‌های رسوبی را در یک حوضه آتشفشانی که آن هم حدود ۲.۷ میلیارد سال قدمت دارد، بررسی کردند.
این یافته‌ها تأیید کردند که آمونیم حاصل از دهانه‌های گرمایی زیر آب (هیدروترمال) سهم بزرگی در چرخه نیتروژن آن دوران داشته است.
پیامدهای این کشف برای حیات در خارج از زمین
دانشمندان مدت‌ها در حال بررسی عوامل مؤثر بر گسترش حیات اولیه روی زمین بوده‌اند. اما این تحقیق برخی فرضیات پیشین را به چالش می‌کشد.
گهرینگر بیان می‌کند:
“تا پیش از این، تصور می‌شد که حیات روی زمین اولیه، پیش از غنی شدن جو با اکسیژن، به دلیل کمبود نیتروژن زیستی محدود شده بود.”
اما این پژوهش نشان داد که:
“به لطف فعالیت‌های هیدروترمال، نیتروژن هرگز مانعی برای گسترش حیات روی زمین اولیه نبوده است. بلکه، حیات توانست در محیط‌های دریایی عمیق و کم‌عمق شکوفا شود.”
این یافته‌ها ابعاد گسترده‌ای دارند – هم از نظر درک تاریخ سیاره خودمان و هم در بررسی امکان وجود حیات در سایر نقاط جهان.
گهرینگر در پایان اضافه کرد:
“فعالیت‌های هیدروترمال در مریخ مستند شده است و احتمالاً در قمرهای یخی منظومه شمسی نیز رخ می‌دهد.”
اگر منابع نیتروژن مشابه در خارج از زمین نیز وجود داشته باشند، ممکن است همان شرایطی که موجب پیدایش حیات میکروبی روی زمین شد، در جاهای دیگر کیهان نیز مهیا باشد.
تحقیقات مستمر نه‌تنها شکاف‌های دانش ما درباره تاریخ زمین را پر می‌کند، بلکه افق‌های جدیدی را در بررسی امکان وجود حیات در فراسوی سیاره ما می‌گشاید.
این مطالعه به طور کامل در ژورنال Nature Communications منتشر شده است.
