Genomic and experimental evidence from Antarctic geothermal sites indicates diverse thermophiles are globally cosmopolitan

على مدى عقود، تمسك العلماء برؤية محددة حول الحياة في الحرارة الشديدة. فقد اعتقدوا أن الكائنات الحية الدقيقة التي تزدهر في الينابيع الساخنة المغلية والتربة البركانية كانت مثل سكان الجزر، المحاصرين في جيوبهم المعزولة من الدفء. ولأن هذه البيئات متفرقة عبر العالم وتفصل بينها مساحات شاسعة من الأراضي الباردة وغير الصالحة للسكن، كان من المفترض أن هذه الميكروبات المحبة للحرارة التي تعيش فيها لا يمكنها التنقل بينها. وقد اقترحت النظرية السائدة أنه بدون القدرة على تكوين أبواغ (أبواغ) قوية وخاملة للبقاء على قيد الحياة أثناء الرحلة، فإن هذه المخلوقات ستظل عالقة حيث بدأت، تتطور في عزلة. كانت هذه الفكرة منطقية: فإذا لم تتمكن من تحمل البرد، أو الجفاف، أو الأشعة فوق البلترالية القاسية في الغلاف الجوي المفتوح، فلا يمكنك عبور محيط أو قارة لتجد ينبوعًا ساخنًا جديدًا.

ومع ذلك، يتحدى دراسة جديدة هذا الاعتقاد الذي دام طويلاً من خلال النظر إلى أكثر البقع الساخنة عزلة على الأرض: التربة الحرارية الجوفية المحيطة بالبراكين في القارة القطبية الجنوبية (أنتاركتيكا). هذه المواقع محاطة بالجليد والثلج، وبعيدة عن الأماكن الدافئة الأخرى، مما يجعلها حالة اختبار مثالية لمعرفة ما إذا كانت الحياة المحبة للحرارة محاصرة حقًا. ومن خلال فحص المخططات الجينية للميكروبات التي تعيش هناك واختبار مدى قدرتها على البقاء في الظروف القاسية، وجد الباحثون أن العديد من هذه الكائنات ليست سكانًا محليين على الإطلاق. بدلاً من ذلك، يبدو أنها مسافرة عالمية، قادرة على الانتقال عبر العالم والاستقرار في تربة ساخنة جديدة وبعيدة، مما يتحدى فكرة أن محبي الحرارة الشديدة محاصرون بطبيعتهم في مكانهم.

ركز الفريق البحثي، بقيادة علماء من نيوزيلندا والولايات المتحدة، على أربعة مواقع حرارية جوفية محددة في القارة القطبية الجنوبية، بما في ذلك جبل إريبوس الشهير، وهو أقصى بركان نشط جنوبًا على كوكب الأرض. قاموا بجمع عينات تربة من تلك البقع الدافئة واستخدموا التسلسل الجيني المتقدم لإعادة بناء الجينومات للميكروبات التي تعيش هناك. ثم قارنوا هذه الملفات الجينية بقاعدة بيانات عالمية ضخمة من الحمض النووي الميكروبي من البيئات الساخنة الأخرى حول العالم. كانت النتائج مفاجئة؛ فقد وجدوا أن ما يقرب من ثلثي الميكروبات المحبة للحرارة من هذه المواقع المعزولة في القارة القطبية الجنوبية لديها تطابقات جينية في أجزاء أخرى من العالم، من الينابيع الساخلة في الولايات المتحدة إلى التربة في أمريكا الجنوبية. يشير هذا إلى أن هذه الكائنات ليست فريدة من نوعها في القارة القطبية الجنوبية، بل هي جزء من سكان عالميين واسعين النطاق يتحركون بين القارات.

لفهم كيف يمكن لهذه الكائنات الدقيقة البقاء على قيد الحياة في رحلتها الطويلة عبر السماء المتجمدة والجافة والمشمسة، أخذ الباحثون ثلاثة من هذه الميكروبات القطبية إلى المختبر. أخضعوا المستنبتات لظروف تحاكي الرحلة عبر السماء: البرد الشديد، والافتقار التام للغذاء، والجفاف، والإشعاع فوق البنفسجي المكثف. أظهرت النتائج أن هذه الميكروبات كانت أقوى بكثير مما كان متوقعًا. وبينما كان الضوء فوق البنفسجي هو العامل الأكثر ضررًا، حيث قتل العديد من الخلايا، نجح جزء كبير من الجمهرة في البقاء على قيد الحياة في ظروف التجمد والجفاف لأسابيع. حتى أن أحد أنواع الميكروبات، وهو نوع من "جيوباسيلوس" (Geobacillus)، كان قادرًا على تكوين أبواغ، والتي عملت كدرع، مما سمح له بتحمل الإشعاع الأكثر قسوة. أما الأنواع الأخرى، التي لا تكون أبواغًا، فقد تمكنت مع ذلك من البقاء بقدرة عالية على الصمود، مما يشير إلى أنها تمتلك "درعًا بيولوجيًا" خاصًا بها، مثل مستويات عالية من آليات إصلاح الحمض النووي الواقية أو الأصباغ التي تحميها من الشمس.

كما بحثت الدراسة في كيفية دخول هذه الميكروبات إلى الهواء في المقام الأول. فحص الباحثون لُبًا جليديًا تم حفره من نهر جليدي بالقرب من جبل إريبوس، بحثًا عن طبقات من الرماد البركاني، المعروف باسم "تيفرا" (tephra)، والتي تترسب أثناء الثورات البركانية. ووجدوا أن طبقات الرماد هذه غنية بالميكروبات المحبة للحرارة، بما في ذلك العديد التي لم تكن موجودة في الجليد المحيط. وهذا يشير إلى أن البركان، عندما يثور، يعمل مثل مصعد عملاق، حيث يقذف التربة والميكروبات عاليًا في الغلاف الجوي حيث يمكنها ركوب الرياح والسفر لمسافات طويلة. علاوة على ذلك، جمع الفريق عينات هواء مباشرة من التربة الساخنة لجبل إريبوس ووجدوا أن الميكروبات المحبة للحرارة كانت تطفو بالفعل في الهواء فوق البركان، جاهزة لتُحمل بعيدًا بواسطة الرياح.

ولاختبار مدى سرعة قدرة هذه الميكروبات على إعادة استعمار منطقة جديدة، نظر الباحثون أيضًا في موقع في هاواي تم تعقيمه بواسطة تدفق لافا قبل أربع سنوات فقط. وجدوا أن التربة الساخنة هناك تضم بالفعل العديد من الميكروبات المحبة للحرارة التي تتطابق جينيًا مع سلالات موجودة في أجزاء أخرى من العالم. يشير هذا العودة السريعة لسلالات عالمية محددة إلى موقع تم تعقيمه حديثًا إلى أن الانتشار ليس حدثًا نادرًا يحدث مرة واحدة في المليون، بل هو حدث منتظم يحدث على مقياس زمني بالسنوات. الميكروبات التي وصلت لم تكن فقط تلك التي تستطيع تكوين أبواغ؛ بل إن العديد من الأنواع غير المكونة للأبواغ كانت قد سافرت من مواقع بعيدة، على الأرجح عبر المحيط الهادئ.

حدد الباحثون سمات محددة يبدو أنها تساعد هذه الميكروبات على البقاء في الرحلة. وجدوا أن المسافرين العالميين يميلون إلى امتلاك نسبة أعلى من بعض اللبنات الكيميائية في حمضهم النووي، مما قد يساعد في الحماية من أضرار ضوء الشمس. كما وجدوا أن العديد من هؤلاء المسافرين العالميين يمتلكون جينات تسمح لهم بالتغذي على الغازات الزهيدة الموجودة في الهواء، مما يوفر مصدرًا للطاقة أثناء انجرافهم في السماء. بالإضافة إلى ذلك، كان المسافرون العالميون أكثر قدرة على النمو في نطاق أوسع من درجات الحرارة، بما في ذلك درجات الحرارة المعتدلة والأبرد، مما يسمح لهم بالبقاء على قيد الحياة في الرحلة الباردة قبل العثور على بقعة ساخنة جديدة لتكون موطنًا لهم.

هذا العمل يغير فهمنا الأساسي لكيفية انتشار الحياة عبر الكوكب. فهو يظهر أن القدرة على العيش في حرارة شديدة لا تعني تلقائيًا أن الكائن الحي عالق في مكان واحد. بدلاً من ذلك، فقد طورت العديد من الميكروبات المحبة للحرارة الأدوات اللازمة للبقاء في الظروف القاسية للغلاف الجوي، مما يسمح لها بالسفر لمسافات شاسعة واستعمار بيئات جديدة. تشير الدراسة إلى أن عالم الحياة المحبة للحرارة أكثر ترابطًا مما كان يُعتقد سابقًا، حيث تتحرك الميكروبات باستمرار بين الينابيع الساخنة المعزولة في العالم، تحملها الرياح والثورات البركانية العرضية. ورغم أن الدراسة لا تثبت أن كل ميكروب محب للحرارة هو مسافر عالمي، إلا أنها تقدم أدلة قوية على أن جزءًا كبيرًا منهم كذلك، مما يعيد كتابة قواعد كيفية انتشار الحياة في أكثر البيئات تطرفًا على وجه الأرض.