ميكروبات تتنفس الأوكسجين والكبريت
لا تسير الحياة دائمًا وفقًا للقواعد المنظمة في الكتب المدرسية. تستخدم معظم الكائنات الحية الأكسجين لإنتاج ثلاثي فوسفات الأدينوزين (ATP)، وهو الطاقة التي تستهلكها الخلايا. بعض أشكال الحياة، وخاصة الميكروبات، تستهلك مواد كيميائية أخرى عندما يكون الأكسجين شحيحًا. التفسير المعتاد هو أن الأمر يتعلق بأحد هذين الوضعين.
اكتشف فريقٌ يدرس ميكروبًا من ينبوع يلوستون الساخن شيئًا مختلفًا. تستطيع هذه البكتيريا استخدام الأكسجين والكبريت في آنٍ واحد لإنتاج الطاقة. هذه الاستراتيجية المختلطة تمنحها أفضليةً عند تقلب مستويات الأكسجين.
الميكروبات التي تتنفس الأكسجين والكبريت
التنفس هو الطريقة التي تُحوّل بها الخلية الطعام إلى طاقة قابلة للاستخدام ( ATP ). في التنفس المعتمد على الأكسجين، تُحرّك الخلايا الإلكترونات عبر سلسلة من التفاعلات، ثم تُمرّرها إلى الأكسجين في النهاية.
يؤدي التنفس اللاهوائي وظيفةً مشابهة، ولكنه ينقل الإلكترونات إلى مُستقبلات أخرى، مثل الكبريت والنترات والحديد. كلتا الاستراتيجيتين فعالتان؛ لكنهما مختلفتان.
تحدت بكتيريا الينابيع الساخنة، “أكويفيكاليس” ، الافتراض السائد. ففي ظل الظروف المناسبة، حافظت على استمرارية عمل كلا النظامين.
وهذا يعني أنه في حين كانت البكتيريا تنتج الكبريتيد – وهي عملية لا هوائية – فإنها كانت تستخدم الأكسجين، مما يعني أن كلا من عمليات الأيض كانت تحدث.
وقال كيلر “لا يوجد تفسير آخر غير أن هذه الخلايا تتنفس الأكسجين في نفس الوقت الذي تتنفس فيه الكبريت العنصري”.
وأوضح كيلر أن قدرة البكتيريا على إجراء العمليتين في آن واحد تشكل تحديًا لفهمنا لكيفية بقاء الميكروبات على قيد الحياة، وخاصة في البيئات الديناميكية منخفضة الأكسجين مثل الينابيع الساخنة.
الأكسجين والكبريت في الينابيع الساخنة
الينابيع الساخنة أماكن صعبة للعيش. درجات الحرارة فيها مرتفعة. تذوب المعادن في الماء، وتتدفق الغازات.
يذوب الأكسجين في الماء الساخن بدرجة أقل منه في الماء البارد، ويتسرب بسهولة أكبر، لذا تتغير مستوياته من لحظة لأخرى. في مثل هذه البيئة، تُعدّ استراتيجية الطاقة المرنة خيارًا فعالًا للغاية.
تزدهر البكتيريا في هذه الدراسة في درجات حرارة عالية وتتغذى على جزيئات بسيطة، بما في ذلك غاز الهيدروجين. وتستطيع استخدام الأكسجين عند توفره، والكبريت العنصري عند انخفاضه.
كيف تم اجراء الدراسة
قامت كيلر وفريقها بعزل الميكروب، ثم قاموا بزراعته في المختبر في درجات حرارة عالية باستخدام ثلاثة مكونات: غاز الهيدروجين كمصدر للطاقة، والكبريت العنصري، والأكسجين. ثم تتبعوا التفاعلات الكيميائية للخلايا والجينات التي تم تنشيطها.
بعد ذلك، قام الفريق بقياس مستويات الأكسجين مباشرةً باستخدام كروماتوغرافيا الغاز . كما راقبوا تحوّل الكبريت إلى كبريتيد، وهو مؤشر واضح على تنفس الكبريت اللاهوائي.
بيانات التعبير الجيني متوافقة مع الكيمياء: كانت الإنزيمات المستخدمة في استخدام الأكسجين ومعالجة الكبريت نشطة في نفس الوقت.
استراتيجية الميكروب للأكسجين والكبريت
تنمو الثقافات التي تحتوي على الهيدروجين والكبريت والأكسجين بشكل أسرع وتصل إلى عدد خلايا أعلى من الثقافات التي اضطرت إلى استخدام الأكسجين فقط أو الكبريت فقط.
ويشير هذا النمو إلى نتيجة بسيطة: مزيد من الطاقة الصافية عندما يعمل المساران معًا في ظل انخفاض مستوى الأكسجين أو عدم استقراره.
هناك تفصيل واحد مهم لتفسير النتائج. الكبريتيد الناتج لا يبقى في بيئة مختلطة. الأكسجين وبعض أيونات المعادن في المرق قد تستهلكه بسرعة.
بدون ضوابط دقيقة، قد يُخفي ذلك الاستراتيجية المزدوجة للميكروب. وقد أخذت هذه الدراسة هذا العامل في الاعتبار، مما يُساعد في تفسير سبب إغفال هذا السلوك في التجارب السابقة.
نمط واسع الانتشار في الطبيعة
تم العثور على جينات وأنزيمات مشابهة لتلك المشاركة هنا في العديد من الميكروبات.
يشير ذلك إلى أن هذا الوضع الهجين قد يكون أكثر شيوعًا مما كنا نعتقد، خاصةً في الأماكن التي تتغير فيها الظروف من لحظة لأخرى. تحتوي الينابيع الساخنة وفتحات أعماق البحار على وقود ومؤكسدات ترتفع وتنخفض.
قد تتفوق الميكروبات القادرة على الاحتفاظ بمستقبلات متعددة للإلكترونات على جيرانها الذين ينتظرون حالة مثالية واحدة.
تتناسب مرونة كهذه أيضًا مع قصة الأرض في بداياتها. لم يغمر الأكسجين المحيطات دفعةً واحدة، بل ارتفع بشكل متقطع وغير منتظم.
من المرجح أن الميكروبات التي يمكنها استشعار كميات صغيرة من الأكسجين مع الاعتماد في الوقت نفسه على تفاعلات قديمة خالية من الأكسجين تتمتع بميزة.
قد تفسر نتائج هذه الدراسة كيف تكيفت أشكال الحياة القديمة مع الأكسجة التدريجية للأرض والتي بدأت منذ حوالي 2.8 مليار سنة – حدث الأكسدة العظيم .
قال كيلر: “هذا مثير للاهتمام حقًا، ويثير الكثير من الأسئلة. لا نعرف مدى انتشاره، لكنه يفتح الباب أمام استكشافات واسعة”.
إن بكتيريا يلوستون ليست قديمة، ولكنها تظهر استراتيجية كان من الممكن أن تكون منطقية عندما بدأ الأكسجين يكتسب أهمية لأول مرة.
كيف يعمل مزيج الأكسجين والكبريت
يقع الأكسجين في أعلى سلم الطاقة لأنه يستقبل الإلكترونات بقوة، مما يعني عادةً المزيد من الطاقة لكل وحدة من الوقود.
تستقبل مركبات الكبريت الإلكترونات أيضًا، وإن كان إنتاج الطاقة أقل. عندما يكون الأكسجين شحيحًا أو متقلبًا، فإن استخدام الكبريت بالتوازي يحافظ على تدفق الطاقة بدلًا من توقفها.
تساهم درجة الحرارة والكيمياء في تهيئة الظروف. تُسرّع الحرارة العالية التفاعلات وتُقلّل من ذوبان الأكسجين. يُوفّر غاز الهيدروجين، المتوفر بكثرة في الأنظمة الحرارية المائية، تدفقًا ثابتًا من الإلكترونات.
يتوفر الكبريت العنصري بكثرة في العديد من البيئات البركانية والجيوحرارية . وتساهم هذه الظروف مجتمعةً في جعل تنفس الأكسجين والكبريت المتزامن مفيدًا.
التأثيرات في العالم الحقيقي
تشير عملية التنفس المختلط إلى طرق جديدة لتشغيل المفاعلات الحيوية وجهود تنظيف البيئة.
إذا كان من الممكن تشجيع الميكروبات على إبقاء أكثر من مسار نشط، فقد يتمكن المهندسون من تحقيق كفاءة إضافية من أنظمة تحويل النفايات إلى طاقة، أو الحفاظ على ثبات تحلل الملوثات عندما يكون إمداد الأكسجين غير متساوٍ.
وينطبق التفكير نفسه على إدارة دورات الكبريت والكربون في البيئات المعقدة حيث ليس من السهل التحكم في الأكسجين.
يحثّ هذا العمل أيضًا على تصميم تجارب دقيقة. فاختبار ميكروب في بيئة صارمة “بالأكسجين فقط” أو “بدون أكسجين” قد يُغفل سلوكيات لا تظهر إلا عند وجود كليهما.
نادرًا ما تُقدّم البيئات الواقعية تصنيفاتٍ واضحة. تكشف بروتوكولات المختبرات التي تُطابق هذه الحقائق المُعقّدة عن استراتيجياتٍ كانت ستبقى مخفية لولا ذلك.
باختصار، تُوسّع هذه البكتيريا المُحبّة للحرارة، المُسمّاة “أكوافيكاليس”، آفاقَنا في فهمِ دليلِ طاقة الحياة. فهو فوضويّ، مُتكيّف، ويزخر بالحلولِ الذكية التي تُمكّن الميكروبات، وربما نحن في نهاية المطاف، من البقاء في عالمٍ مُتغيّر.
نشر البحث كاملا في مجلة Nature Communications