كشف راهي تازه براي جلوگيري از انتشار متان
دانشمندان براي نخستين‌بار نشان دادند كه ميكروب‌هاي ريز در كف اقيانوس با تشكيل شبكه‌هاي الكتريكي زنده، بخشي از متان نشت‌كرده را پيش از رسيدن به جو مصرف مي‌كنند.
دانشمندان براي نخستين‌بار نشان دادند كه ميكروب‌هاي ريز در كف اقيانوس با تشكيل شبكه‌هاي الكتريكي زنده، بخشي از متان نشت‌كرده را پيش از رسيدن به جو مصرف مي‌كنند. اين همكاري بي‌نظير ميان دو گونه ميكروبي نه‌تنها پرده از سازوكار طبيعي كاهش انتشار يكي از قوي‌ترين گازهاي گلخانه‌اي برمي‌دارد، بلكه مي‌تواند راهي تازه براي مهار متان در محيط‌هاي طبيعي و مهندسي‌شده پيش روي بشر قرار دهد. متان، گاز گلخانه‌اي بسيار قوي است به‌طور مداوم از كف اقيانوس نشت مي‌كند و مي‌تواند وارد جو شود. اكنون يك تيم بين‌المللي به رهبري دانشمندان كالج هنر و علوم دورنسايف دانشگاه كاليفرنياي جنوبي (USC Dornsife) كشف كرده‌اند كه چگونه ميكروارگانيسم‌هاي ريز به‌صورت يك شبكه الكتريكي زنده با هم همكاري مي‌كنند تا بخشي از اين گاز را پيش از فرار به جو مصرف كنند و همچون فيلتري زنده عمل كنند. با آشكار شدن اينكه اين ميكروب‌ها چگونه به‌طور طبيعي انتشار متان را كاهش مي‌دهند، يافته‌ها مي‌تواند به راهبردهاي نوآورانه براي كنترل بهتر رهاسازي متان در محيط‌هاي طبيعي و مهندسي‌شده منجر شود.
آركي‌هاي متان‌خوار بي‌هوازي و باكتري‌هاي كاهنده سولفات
اين پژوهش كه در نشريه Science Advances منتشر شده، به شراكت منحصربه‌فرد ميان دو ميكروب بسيار متفاوت پرداخته است؛ آركي‌هاي متان‌خوار بي‌هوازي (ANME) و باكتري‌هاي كاهنده سولفات (SRB) . به تنهايي، هيچ‌يك از اين ميكروب‌ها نمي‌توانند متان را مصرف كنند. زماني كه ANME متان را تجزيه مي‌كنند، اين فرآيند الكترون‌هايي آزاد مي‌كند كه بايد انتقال يابند، فرآيندي كه «واكنش اكسايش-كاهش» ناميده مي‌شود، يعني حركت الكترون‌ها از يك مولكول به مولكول ديگر، مشابه اينكه انسان‌ها براي دريافت الكترون‌ها به اكسيژن وابسته‌اند. بدون پذيرنده الكترون، مصرف متان متوقف مي‌شود.
در اينجا باكتري‌هاي همكار وارد عمل مي‌شوند. SRBها اگرچه نمي‌توانند خودشان متان مصرف كنند، اما با پذيرش الكترون‌هاي آزادشده در اين فرآيند كمك مي‌كنند و آنها را به پذيرنده نهايي خود يعني سولفات منتقل مي‌كنند؛ فرآيندي كه متابوليسم خودشان را تأمين مي‌كند. به گفته دكتر محي‌الدين النجّار، استاد فيزيك و نجوم و استاد شيمي و علوم زيستي در USC Dornsife و يكي از پژوهشگران اصلي اين پژوهش اين دو ميكروب كاملا متفاوت به صورت خوشه‌هاي فيزيكي در هم تنيده مي‌شوند و كل فرآيند به اين دليل كار مي‌كند كه پروتئين‌هاي رساناي اكسايش-كاهش آنها را به يكديگر متصل كرده و به مدارهاي الكتريكي فعال تبديل مي‌كنند.
تكامل حيات در محيط‌هاي بسيار سخت
تيم پژوهشي بين‌المللي، شامل دانشمنداني از كلتك، دانشگاه پكن و موسسه ماكس پلانك ميكروبيولوژي دريايي، با استفاده از روش‌هاي الكتروشيميايي تخصصي، براي نخستين‌بار اين تبادل الكتروني را در آزمايشگاه اندازه‌گيري كردند. نمونه‌ها از محل‌هاي مختلف نشت متان دريايي، از جمله درياي مديترانه، حوضه گوايماس و سواحل كاليفرنيا جمع‌آوري شد. دكتر هانگ يو، نويسنده اصلي پژوهش مي‌گويد: «اين شراكت‌هاي ميكروبي همچون نگهبانان طبيعي عمل مي‌كنند و نقشي حياتي در محدود كردن انتشار متان به دريا و جو دارند. با كشف نحوه عملكرد اين همكاري‌ها، ما بينشي به دست مي‌آوريم كه نشان مي‌دهد چگونه حيات در طول ميلياردها سال، حتي در محيط‌هاي بسيار سخت، تكامل يافته تا گازهاي گلخانه‌اي قوي را مصرف كند. پژوهشگران مي‌گويند اين كشف ديدگاه تازه‌اي درباره اين موضوع ارايه مي‌دهد كه فعاليت‌هاي ميكروبي پنهان چگونه سامانه‌هاي زمين را به روش‌هايي كه تازه در آغاز فهم آن هستيم، تحت تأثير قرار مي‌دهند. دكتر ويكتوريا اورفان، استاد علوم محيطي و ژئوبيولوژي در كلتك و نويسنده همكار پژوهش، گفت: اين كشف كه حاصل نزديك به يك دهه پژوهش ميان‌رشته‌اي است، نشانه‌اي از پايداري و همكاري در علم است و نشان مي‌دهد كه هنوز چقدر بايد درباره زيست‌بوم‌هاي ميكروبي كه به آنها وابسته‌ايم، بياموزيم.». اين يافته نه فقط حافظه‌اي از عملكرد طبيعت براي حفظ تعادل اقليمي است، بلكه مي‌تواند الهام‌بخش راهكارهاي نوين براي مديريت انتشار متان در محيط‌هاي طبيعي و صنعتي باشد.
سازوكار ميكروبي شبكه‌هاي الكتريكي زنده
به‌تنهايي هيچ يك از اين ميكروب‌ها قادر به مصرف متان نيست؛ وقتي ANME متان را اكسيد مي‌كند، الكترون‌هايي آزاد مي‌شوند كه بايد به جايي منتقل شوند؛ در غير اين‌صورت متان‌خوري متوقف خواهد شد. SRBها نقش پذيرنده الكترون را ايفا مي‌كنند، آنها الكترون‌ها را گرفته و به سولفات (پذيرنده نهايي) منتقل مي‌كنند تا سوخت متابوليكي‌شان فراهم شود
تشكيل شبكه‌هاي الكتريكي از طريق پروتئين‌هاي رسانا
دكتر محي‌الدين النجّار از USC Dornsife توضيح مي‌دهد كه اين دو گونه ميكروبي در خوشه‌هايي فيزيكي درهم‌تنيده‌مي‌شوند، و پروتئين‌هاي حامل اكسايش–كاهش آنها – يعني مولكول‌هايي رساناي الكتريكي – اين خوشه‌ها را به «مدارهاي الكتريكي فعال» تبديل مي‌كنند
اندازه‌گيري تبادل الكتروني با روش‌هاي الكتروشيميايي
با نمونه‌برداري از نقاط نشت متان در درياي مديترانه، حوضه گوايماس و سواحل كاليفرنيا، و استفاده از روش‌هاي الكتروشيميايي پيشرفته، براي نخستين‌بار تبادل الكتروني بين ANME و SRB در آزمايشگاه اندازه‌گيري شد . اين نتايج ثابت مي‌كند كه مي‌توان از اين شراكت‌ها به عنوان فيلترهاي طبيعي براي مهار انتشار متان ياد كرد.
اهميت جهاني و پي‌آمدهاي تحقيقي
اين كشف، پنجره جديدي به فهم فعاليت‌هاي ميكروبي پنهان در سيستم‌هاي زمين‌شناسي باز مي‌كند. ويكتوريا اورفان از كلتك مي‌گويد يافته‌ها نتيجه 10 سال تحقيق ميان‌رشته‌اي‌اند و نشان مي‌دهند كه حيات، حتي در سخت‌ترين محيط‌ها، راه‌هاي هوشمندانه‌اي براي كنترل گازهاي گلخانه‌اي توسعه داده است . هنگ يو، نويسنده اصلي مقاله، اضافه مي‌كند كه اين كار به ما بينشي از سازوكارهاي تكاملي زندگي در محيط‌هاي زمينه‌اي مي‌دهد تا متان را مصرف كند .
چارچوب‌هاي تكاملي و ژنومي
مطالعات پيشيني، به‌ويژه روي ترموفيليك ANME‑1 و SRBهاي شريك به‌نام HotSeep-1، نشان داده‌اند كه اين ميكروب‌ها با استفاده از ساختارهاي شبيه «نانو-سيم» (nanowire) و بيان پروتئين‌هاي چندهمه (multiheme cytochromes) براي انتقال الكترون ارتباط برقرار مي‌كنند . اين شواهد از مكانيسمي به‌نام انتقال مستقيم الكترون بين گونه‌ها (DIET) پشتيباني مي‌كنند.
سازگاري‌هاي ژنومي تطبيقي
تحليل‌هاي ژنومي SRBهاي همزيست با ANME نشان مي‌دهد كه پروتئين‌هاي مربوط به DIET در اغلب اين باكتري‌ها حفظ شده‌اند، در حالي كه نيروگاه‌هاي داخلي متفاوتي در آنها شكل گرفته‌اند؛ اين خود نشانه‌اي از تكامل همگرا (convergent evolution) در جهت زندگي سينوتروفي (همزيستي تغذيه‌اي مداوم)ا ست . براي مثال، كدهاي ژنتيكي بلاك‌هايي نظير OetABI و پروتئين‌هاي خارجي مانند OmcX، OmcS و Apc2a كه احتمالا مسوول تشكيل فيلامنت‌هاي هِمي‌دار رسانا هستند، در اين باكتري‌ها ديده شده‌اند NCBI.
تنوع اكولوژيكي و تعاملات زيست‌محيطي
جوامع ANME–SRB در محيط‌هاي متنوعي مانند منابع گرمابي (hydrothermal vents)، كلد-سيپ‌ها، آتش‌فشان‌هاي گلي و مناطق بن‌بستي زندگي مي‌كنند. نوع همزيستي‌شان از ساختار خوشه‌اي فشرده تا مات‌هاي ميكروبي پراكنده متغير است، و تعاملات ميان آنها نيز وابسته به تركيب تغييرات ژنتيكي و زيستي است .
كاربردهاي آينده: از محيط‌هاي طبيعي تا سيستم‌هاي مهندسي‌شده
۱. بازسازي ابزارهاي ميكروبي فيلتر
شناخت چنين مكانيسم‌هايي مي‌تواند راه‌هاي جديدي براي طراحي «فيلترهاي ميكروبي» در محيط‌هاي صنعتي فراهم كند؛ به‌ويژه در مزارع نفت و گاز، اكو‌سيستم‌هاي دريايي آلوده يا سيستم‌هاي تصفيه بي‌هوازي.
۲. استفاده از مواد رسانا براي تقويت يا بازسازي DIET
محققان ديگر نشان داده‌اند كه حضور مواد رسانا مانند گرافن، كربن فعال يا مواد آهني رسانا مي‌تواند انتقال الكترون ميان گونه‌ها را تسريع كرده و روند مصرف متان را پرقدرت‌تر كند . افزون بر اين، در برخي موارد ساختارهاي معدني مانند مگنتيت (magnetite) خود به ايجاد پل‌هاي الكتريكي ميان ميكروب‌ها كمك مي‌كنند
۳. كاربرد در فسيل‌شناسي و شناخت حيات گذشته
مطالعاتي نشان داده‌اند كه فعاليت ANME–SRB مي‌تواند باعث رسوب سيليكا و پتانسيل حفظ ساختارهاي زيستي در سنگ‌ها شود. اين پديده در تفسير فسيل‌هاي ميكروبي قديمي و جست‌وجوي نشانه‌هايي از زيست در شرايط سياره‌اي بسيار با اهميت است.
چشم‌اندازهاي پژوهشي و پرسش‌هاي باز
چگونه مي‌توان اين پديده را در مقياس وسيع‌تر در اقيانوس‌ها اندازه‌گيري كرد؟ آيا مي‌توان نقشه‌هاي پراكندگي منابع نشت متان در كف اقيانوس را به شبكه‌هاي ميكروبي مرتبط كرد؟
آيا قابليت مهار انتشار متان مي‌تواند در راكتورهاي بي‌هوازي صنعتي به كار گرفته شود؟ و چگونه مي‌توان پايداري و كارايي اين شبكه‌ها را در شرايط عملي تضمين كرد؟
آيا مي‌توان ژن‌ها يا مسيرهاي متابوليك DIET را به باكتري‌هاي ديگر منتقل كرد؟ شايد امكان طراحي ميكروب‌هايي مقاوم‌تر و كاربردي‌تر براي كاربردهاي زيستي فراهم شود.
شبكه‌هايي زنده و هوشمند از ميكروب در عمق اقيانوس ها
اين كشف نشان مي‌دهد كه در عمق كف اقيانوس‌ها، شبكه‌هايي زنده و هوشمند از ميكروب‌ها وجود دارند كه همچون مدار الكتريكي عمل كرده و متان را پيش از رسيدنش به جو جذب مي‌كنند. اين مكانيسم تركيبي از همكاري اكولوژيكي، انتقال الكترون مستقيم و تطابق تكاملي است كه توسط طيفي از مطالعات از جمله ساختار نانو، ژنوميك تطبيقي و روش‌هاي الكتروشيميايي تأييد شده است. اين دانش مي‌تواند مسير را براي طراحي سيستم‌هاي زيستي «فيلتر» در محيط‌هاي طبيعي و صنعتي هموار كرده و الهام‌بخش راهكارهاي جديد براي كاهش انتشار گازهاي گلخانه‌اي باشد. ضمن اينكه به ما يادآوري مي‌كند: زندگي، در تمام سطوحش، حتي در دورافتاده‌ترين گوشه‌ها، فرآيندهاي جهاني زمين را شكل مي‌دهد.
