پژوهشهای اقیانوسی اغلب بر موجودات بزرگ یا رویدادهای چشمگیر متمرکز هستند، اما در پس این تصویرهای دراماتیک، نیروهای خاموشی وجود دارند که تأثیری بسیار عمیقتر بر سیاره زمین میگذارند. یکی از این نیروهای پنهان، میکروبهایی هستند که حتی در فقیرترین محیطهای اقیانوسی نیز به حیات خود ادامه میدهند.
در میان این جهان نامرئی، آرکیهای اکسیدکننده آمونیاک جایگاه ویژهای دارند. این میکروارگانیسمها در سراسر اقیانوس، از سواحل شلوغ گرفته تا پهنههای آرام اقیانوس آزاد حضور دارند. با این حال، وجود آنها در مناطقی با کمبود شدید مواد مغذی، سالها دانشمندان را سردرگم کرده بود.
در اقیانوس آزاد، آمونیوم که منبع اصلی انرژی شناختهشده این میکروبهاست، اغلب تقریباً وجود ندارد. همین موضوع، بقای آنها را به یک معمای علمی طولانیمدت تبدیل کرده بود. اکنون یک مطالعه جدید پاسخی شفاف به این پرسش ارائه داده است.
راز بقای میکروبهای اقیانوسی
پژوهشگران مؤسسه ماکس پلانک برای میکروبیولوژی دریایی دریافتند که برخی از آرکیهای اکسیدکننده آمونیاک، علاوه بر آمونیوم، از اوره نیز استفاده میکنند. همین نکته ساده، کل داستان را تغییر میدهد.
اوره نهتنها یک منبع دیگر از نیتروژن است، بلکه زمانی که سطح آمونیوم بهشدت کاهش مییابد، به تولید انرژی نیز کمک میکند. این کشف نشان میدهد که این میکروبها انعطافپذیری متابولیکی بالاتری نسبت به تصور قبلی دارند.
دو گروه اصلی در اقیانوس
تیم تحقیقاتی بر دو گروه عمده تمرکز کرد:
- Nitrosopumilus که بیشتر در مناطق ساحلی یافت میشود
- Nitrosopelagicus که در آبهای آزاد اقیانوس غالب است
هر دو گروه بخشهای وسیعی از اقیانوس را در اختیار دارند، اما رفتار زیستی آنها تفاوتهای مهمی با یکدیگر دارد.
سه محیط دریایی متفاوت
برای درک این تفاوتها، پژوهشگران از سه محیط دریایی کاملاً متضاد نمونهبرداری کردند:
- خلیج مکزیک با آبهای غنی از مواد مغذی و آمونیوم فراوان
- گرداب آنگولا با شرایطی کاملاً فقیر از نظر آمونیوم
- دریای سیاه با ساختاری لایهای، دارای آمونیوم در عمق و کمبود شدید آن در سطح
این تنوع محیطی امکان بررسی عملکرد هر گروه را در شرایط مختلف فراهم کرد.
زندگی در مناطق فقیر از مواد مغذی
الگوی رفتاری Nitrosopumilus نسبتاً ساده است. «Nitrosopumilus زمانی که آمونیوم در دسترس باشد، بهسرعت رشد میکند. بنابراین برای زندگی در آبهای ساحلی غنی از آمونیوم کاملاً سازگار است»، این را نویسنده اصلی مطالعه، Joerdis Stuehrenberg بیان میکند.
در مقابل، Nitrosopelagicus رویکردی انعطافپذیرتر دارد. این گروه آمونیوم و اوره را به یک اندازه جذب میکند و منتظر کاهش سطح آمونیوم نمیماند.
حتی زمانی که آمونیوم به مقدار کافی وجود دارد، این میکروبها همچنان از اوره استفاده میکنند. این رفتار، مزیتی بزرگ در مناطقی ایجاد میکند که سطح مواد مغذی بهشدت نوسان دارد یا تقریباً به صفر میرسد.
«سلولهای Nitrosopelagicus گزینههای بیشتری دارند. اگر آمونیوم و اوره هر دو موجود باشند، حتی ممکن است با استفاده همزمان از هر دو، نرخ رشد خود را دو برابر کنند.»
— Katharina Kitzinger
بازنگری در نرخ نیتریفیکاسیون اقیانوس
این کشف نگاه دانشمندان به نیتریفیکاسیون در اقیانوس را نیز تغییر میدهد. بیشتر اندازهگیریهای پیشین تنها آمونیوم را در نظر میگرفتند.
اگر اوره نقش بسیار پررنگتری در این فرآیند داشته باشد، نرخ واقعی نیتریفیکاسیون احتمالاً بسیار بالاتر از برآوردهای قبلی است.
به گفته Hannah Marchant از نویسندگان مطالعه، «ممکن است ما نرخ نیتریفیکاسیون را در اقیانوسهای وسیع و فقیر از مواد مغذی دستکم گرفته باشیم».
ردیابی مستقیم سلولهای منفرد
برای تأیید رفتار هر گروه، پژوهشگران به ابزارهایی نیاز داشتند که بتوانند این دو دودمان را زیر میکروسکوپ از هم تفکیک کنند. روشهای مولکولی پیشین چنین دقتی نداشتند.
در نتیجه، تیم تحقیقاتی پروبهای جدیدی طراحی کرد که هر گروه را با دقت بالا برچسبگذاری میکرد. سپس این پروبها با فناوری NanoSIMS ترکیب شدند؛ روشی که نشان میدهد هر سلول دقیقاً از کدام منبع نیتروژن استفاده میکند.
به گفته Stuehrenberg، «این پروبهای جدید به ما اجازه دادند در اجتماعات مختلطی مانند دریای سیاه، دقیقاً ببینیم چه کسی چه کاری انجام میدهد».
دو سبک زندگی کاملاً متفاوت
نتایج تصویربرداری NanoSIMS الگو را کاملاً روشن کرد:
- Nitrosopumilus هر زمان که آمونیوم در دسترس باشد، آن را جذب میکند و تنها در صورت کاهش آمونیوم به سراغ اوره میرود
- Nitrosopelagicus بهطور همزمان از آمونیوم و اوره استفاده میکند و حتی در حضور آمونیوم نیز مصرف اوره را ادامه میدهد
این ترکیب از پروبهای جدید و NanoSIMS سطحی از جزئیات را فراهم کرد که در مطالعات قبلی وجود نداشت. پژوهشگران بهجای حدسزدن از دادههای غیرمستقیم، فعالیت هر گروه را مستقیماً مشاهده کردند.
پیامدهای گسترده برای اکوسیستم اقیانوس
آرکیهای اکسیدکننده آمونیاک اعضای حاشیهای جامعه اقیانوسی نیستند. آنها در مقیاسهای عظیم در سراسر سیاره حضور دارند.
Nitrosopelagicus بهویژه در بخشهای وسیعی از آبهای آزاد غالب است. توانایی این گروه در استفاده از اوره و احتمالاً سایر اشکال آلی نیتروژن، پیامدهای مهمی برای حیات دریایی دارد.
دسترسی به نیتروژن بر تولید اولیه، رشد پلانکتونها و گردش کربن در اقیانوس تأثیر مستقیم میگذارد.
«درک اینکه چه چیزی سوخت این میکروارگانیسمها را تأمین میکند، حیاتی است. آنها بازیگران اصلی چرخه نیتروژن هستند و فعالیتشان به تنظیم دسترسی مواد مغذی در اقیانوس و بودجه جهانی کربن کمک میکند.»
— Marcel Kuypers
اگر اوره بیش از انتظار به رشد میکروبی کمک کند، مدلهای جهانی فعلی نیازمند بازنگری جدی خواهند بود.
مسیرهای آینده پژوهش
مناطقی از اقیانوس آزاد که پیشتر کمتحرک تصور میشدند، ممکن است در واقع میزبان فرآیندهای میکروبی پیوستهای باشند که از چندین منبع نیتروژن تغذیه میشوند.
این بینش، اولویتهای پژوهشی آینده را نیز تغییر میدهد. دانشمندان احتمالاً بررسی خواهند کرد که سایر ترکیبات آلی نیتروژن چه نقشی در نیتریفیکاسیون دارند.
بسیاری از این ترکیبات از طریق پلانکتونها، فضولات ماهیها، ذرات در حال تهنشینی و مواد آلی محلول وارد آبهای اقیانوسی میشوند. اگر گروههای آرکی بتوانند این منابع را بهطور مؤثر مصرف کنند، چرخه نیتروژن اقیانوس بسیار پویاتر و سازگارتر از تصورهای پیشین خواهد بود.
این مطالعه در نشریه علمی Nature Communications منتشر شده است.
