Culture media and incubation temperature shape the recovery of aerobic bacteria from contrasting Antarctic soils

تُعد التربة المتجمدة في القارة القطبية الجنوبية من بين أكثر البيئات تطرفاً على وجه الأرض، وهي مكان يجب أن تتحمل فيه الحياة البرد المستمر، والرياح الجافة، وندرة الغذاء. ومع ذلك، تحت الجليد وداخل الطبقات الرقيقة من التربة، يستمر عالم خفي من الحياة المجهرية. لطالما عرف العلماء أن هذه البكتيريا المتكيفة مع البرودة لا تكتفي بالبقاء على قيد الحياة فحسب، بل تشكل نظُمها البيئية بنشاط، من خلال تفكيك المواد العضوية وتدوير العناصر الغذائية بطرق تظل غامضة إلى حد كبير. ولكي يفهموا هذه الكائنات، يتعين على الباحثين أولاً أن يكونوا قادرين على تنميتها في المختبر. وهذه مهمة صعبة لأن الغالبية العظمى من البكتيريا في الطبيعة ترفض النمو في الأطباق القياسية والظروف الدافئة التي يستخدمها العلماء عادةً. إن جزء الحياة الذي يمكن تنميته في المختبر غالباً ما يكون مجرد عينة صغيرة ومنحازة للتنوع الحقيقي الموجود في البرية. وفهم كيفية استدراج هذه الكائنات العنيدة للنمو أمر ضروري، ليس فقط لتصنيف ما هو موجود، بل أيضاً لفتح آفاق قدرتها على مساعدتنا في فهم التكيف، وربما حتى اكتشاف سمات مفيدة جديدة.

لقد شرع فريق من الباحثين من البرازيل في حل هذه المشكلة عبر اختبار كيفية تأثير ظروف المختبر المختلفة على القدرة على تنمية البكتيريا من ثلاثة مواقع مختلفة تماماً في التربة القطبية الجنوبية. جمعوا عينات من منطقة طينية غنية بالمواد العضوية المتحللة، ومن طبقة متجمدة من التربة الصقيعية، ومن تربة غنية جداً بفضلات البطاريق. وبدلاً من استخدام طريقة واحدة، صنعوا شبكة واسعة، حيث نشروا عينات التربة على عشرين نوعاً مختلفاً من أوساط النمو وحضنوها في ثلاث درجات حرارة متميزة: درجة حرارة باردة تبلغ ثماني درجات مئوية، ودرجة حرارة معتدلة تبلغ خمس وعشرين درجة، ودرجة حرارة دافئة تبلغ سبع وثلاثين درجة. وتركوا هذه المزارع تنمو لمدة تصل إلى خمس وأربعين يوماً، وهي فترة طويلة في المختبر، لمعرفة أي أنواع البكتيريا ستظهر في النهاية.

أظهرت النتائج أن اختيار الظروف غير نوع البكتيريا التي يمكن العثور عليها بشكل جذري. وفي المجمل، استعاد الفريق 373 سلالة بكتيرية فردية. أنتجت التربة من الطين العضوي المتحلل أكبر عدد من البكتيريا، تلتها التربة الصقيعية المتجمدة، بينما أسفرت تربة البطاريق عن أقل عدد. وعند النظر إلى درجة الحرارة، كانت حالة العشرين وخمس درجات المعتدلة هي الأكثر نجاحاً، حيث نمت أكبر عدد من البكتيريا، تلتها عن قرب حالة الثماني درجات الباردة. أما إعداد السبع وثلاثين درجة الدافئ فقد نما عدداً أقل بكثير، لكنه كشف عن مجموعة محددة من البكتيريا المتحملة للحرارة التي فاتتها الأجواء الأبرد. ويشير هذا الاكتشاف إلى أنه لا توجد درجة حرارة واحدة كافية لاستيعاب النطاق الكامل للحياة؛ وبدلاً من ذلك، فإن استخدام نطاق من درجات الحرارة يكشف عن مجموعات مختلفة ومتكاملة من الكائنات.

كان نوع الغذاء المقدم للبكتيريا لا يقل أهمية عن درجة الحرارة. وجد الباحثون أن الأطباق الغنية بالمغذيات، والتي تُستخدم غالباً في علم الأحياء الدقيقة العام، قد نمت أكبر عدد من البكتيريا. وكان هناك نوع محدد من الأطباء التي تحتوي على الفحم المنشط فعالاً بشكل خاص، ويرجع ذلك على الأرجية إلى أن الفحم يمتص المواد الضارة التي قد تمنع نمو البكتيريا. وفي المقابل، فإن الأطباق المتخصصة للغاية والمصممة لاستهداف أنواع معينة من البكتيريا قد نمت مستعمرات قليلة جداً. وهذا يشير إلى أنه بينما يمكن للأدوات المتخصصة العثور على كائنات نادرة، فإن البيئات الواسعة والغنية بالمغذيات هي الأفضل للكشف عن التنوع العام للتربة.

ومن بين البكتيريا التي نمت، ظهرت مجموعتان مراراً وتكراراً في كل الظروف تقريباً: Arthrobacter و Pseudarthrobacter. كانت هاتان هما أكثر السكان شيوعاً في الدراسة. ومع ذلك، عملت درجة الحرارة أيضاً كمرشح (فلتر). فكان إعداد الثماني درجات البارد هو الطريقة الوحيدة لتنمية مجموعات معينة محبة للبرودة مثل Psychrobacter و Polaromonas، المعروفة بقدرتها على الازدهار في البيئات المتجمدة. أما إعداد السبع وثلاثين درجة الدافئ، رغم نموه لعدد إجمالي أقل من البكتيريا، فقد نجح في تنمية أنواع متحملة للحرارة مثل Bacillus و Staphylococcus. وهذا يؤكد أن درجات الحرارة المختلفة تعمل مثل مفاتيح مختلفة، تفتح أجزاء مختلفة من المجتمع البكتيري التي كانت ستظل مخفية لولا ذلك.

كما سلطت الدراسة الضوء على أن المصدر الأصلي للتربة كان مهماً. فالتربة الطينية الغنية بالمواد العضوية أنتجت تنوعاً أوسع من البكتيريا، بما في ذلك العديد المرتبطة بالمياه وتفكيك المواد العضوية المعقدة. أما تربة الصقيع المتجمدة فقد أسفرت عن مجموعة أكثر تجانساً من البكتيريا، تهيمن عليها مجموعة Arthrobacter القوية، مما يعكس الظروف القاسية والفقيرة بالمواد المغذية في تلك البيئة. وحتى تربة البطاريق، الغنية بالمغذيات من فضلات الطيور، أنتجت بكتيريا أقل مما كان متوقعاً، مما يشير إلى أن عوامل أخرى مثل التركيب الكيميائي تحد من ما يمكن أن ينمو هناك.

في الختام، يوضح هذا البحث أنه لفهم الحياة الميكروبية في القارة القطبية الجنوبية حقاً، لا يمكن للعلماء الاعتماد على طريقة واحدة. فمن خلال الجمع بين مجموعة واسعة من مصادر الغذاء ودرجات الحرارة، تمكنوا من استعادة مجموعة أغنى بكثير من البكتيريا القابلة للحياة مما كان ممكناً باستخدام التقنيات القياسية. يمتلك الفريق الآن مكتبة تضم 373 سلالة بكتيرية حية يمكن دراستها لاحقاً. وتوفر هذه السلالات مورداً مادياً حقيقياً للبحث المستقبلي في كيفية تكيف الحياة، وكيفية عمل هذه البكتيريا في نظُمها البيئية، وما قد تحمله من قدرات فريدة. ويؤكد العمل أن طريق اكتشاف العالم غير المرئي للميكروبات القطبية يكمن في توسيع نطاق الظروف التي نستخدمها لإخراجها إلى الضوء.