بیگ بنگ: میکروب‌ها همه جا هستند و تقریبا در هر گوشه و کناری روی زمین که زیستگاه یا زیست‌محیط محسوب شود می‌توان پیدایشان کرد (تصویر ۱)؛ به عبارت بهتر در طیف گسترده‌ای از محیط‌ ها یافته می‌شوند و تغییرات محیطی را به سرعت می‌پذیرند. این‌که میکروب‌ها چه‌طور می‌توانند خود را با محیط‌های سخت تطبیق دهند خود موضوع تحقیقاتی بسیار جذابی است.

به گزارش بیگ بنگ به نقل از اسطرلاب امروزه با وجود سفرهای مدرن فضایی انسان، یک محیط سخت و اکستریم دیگر به محیط‌های سختِ زمینی اضافه شده است: فضا! در ۵۰ سال اخیر، فن‌آوری، امکاناتی برای انتقال میکروب‌ها به خارج از جو که سپر محافظتی زمین است فراهم کرده و به این ترتیب مطالعاتی روی پاسخ‌های درجای^۱ آن‌ها به شرایط فضایی انتخاب‌شده صورت گرفته است. در این مقاله به علت توانایی و مقاومت آرکی‌های نمک‌دوست^۲ در برابر شرایط حاد، روی آن‌ها تمرکز کرده‌ایم. در اصل این آرکی‌ها به عنوان یک گروه مدل، برای مطالعه‌ی پاسخ‌ها به شرایط دشوار فضایی مورد توجه قرار گرفته‌اند. در این پژوهش‌ها به همان خوبی آزمایش‌های فضایی، بررسی پاسخ‌ها و مقاومت آن‌ها به شرایط میکروگرانشی^۳ شبیه‌سازی شده و پرتوهای فرابنفش سنجیده می‌شود. برخی از آرکی‌های نمک‌دوست از قبیل Halorubrum chaoviator هم در شرایط شبیه‌سازی و هم در شرایط واقعی فضایی قرار داده شده‌اند و بقای آنها  مورد مطالعه قرار گرفته است.

زمین تنها زیستگاه شناخته‌شده‌ی حیات است و به نظر می‌رسد بقیه‌ی منظومه‌ی شمسی محیط‌هایی بر ضد حیات و غیرقابل سکونت هستند. در ضمن تا مدت‌ها تصور بر این بود که محیط‌های دشوارِ زمین، مرزهای مرگ محسوب می‌شوند و هیچ نوعی از حیات در آن‌ها وجود ندارد. در حالی که دانشمندان در سال‌های اخیر تنوع گسترده‌ای از حیات را در هر سه قلمرو مختلف حیات ( یوکاریوت، پروکاریوت و آرکی) و در محیط‌ های سخت کشف کرده‌اند.

جانداران تازه به طور پیوسته کشف می‌شوند و دانش ما درباره‌ی این اکستریموفیل‌ها (جلوتر درباره‌ی اکستیموفیل‌ها توضیح داده می‌شود) و محیط‌های مرتبط با آن‌ها پیوسته افزایش می‌یابد. جستجوهای ما برای شرایط و محیط‌ های اکستریم تازه، دیگر به سیاره‌ی خودمان ختم نمی‌شود. از سال ۱۹۵۳ که واژه‌‌ی اخترزیست‌شناسی^۴ در اتحاد جماهیر شوری سکه خورد، دانشمندان پرسش‌های مختلفی را از لحاظ اخترزیست‌شناسی که در ارتباط با میکروبیولوژی هستند، مطرح کرده‌اند:

الف) آیا میکروب‌ها قادر به بقا در شرایط فضایی یا محیط‌ های فرازمینی شبیه‌سازی شده هستند؟
ب) آیا انسان می‌تواند طی ماموریت‌های انسانی به دیگر سیاره‌ها میکروب‌ها را به کار گیرد؟
ج) آیا میکروب‌ها از جهت آلودگی‌های زیستی برای انسان تهدید محسوب می‌شوند؟
د) خطر آلودگی‌های آینده چه می‌شود؟

توانایی میکروب‌ها برای بقا در سفرهای فضایی به عنوان شماری از ارگانیسم‌های زمینی که می‌توانند در محیط‌های شبیه‌سازی شده‌ی مریخ، زمانی که از پرتوهای فرابنفش خورشید در امان باشند دوام بیاورند، اهمیت ویژه‌ای در ماموریت‌های سطح مریخ دارد. پیرو آن، این مطالعات اهمیت زیادی در مطالعه‌ی حیات گذشته و آینده دارند. از طرف دیگر توانایی بقای میکروب‌ها، مورد توجه تئوری بحث‌ برانگیز لیتوپانسپرمیا^۵ قرار گرفته است. اکستریموفیل‌ها در هر سه قلمرو حیات یعنی آرکی‌ها، باکتری‌ها و یوکاریوت‌ها یافت می‌شوند. در قلمرو یوکاریوتی قارچ‌های خشکی‌دوست، جلبک‌های تک‌سلولی نمک‌دوست، اسیددوست، قلیادوست، گرمادوست، و سرمادوست مثال‌های شاخص یوکاریوت‌های اکستریموفیل هستند. به هر صورت بیشتر اکستریموفایل‌ها پروکاریوتند. قلیادوست‌ها به همراه اسید دوست‌ها و گرمادوست‌ها در عالم باکتریایی گسترش زیادی دارند. قلمرو آرکی‌ها بیشترین گوناگونی اکستریموفایل‌ها را به ویژه در گروه هایپر اکستریموفیل‌ها دارد. ابرگرمادوست‌ها فقط به آرکیا و باکتریا تعلق دارند. اکستریموفیل‌ها شامل ارگانیسم‌های پرسلولی نیز می‌شوند مانند تاردیگراد و سرمادوست‌ها شامل مهره‌داران هم هستند. در این مقاله درباره‌ی این‌که خانواده  Halobacteriaceae از قلمرو  آرکیا چه بینش و اطلاعاتی را درباره‌ی سوالات ذکر شده در اختیار ما می‌گذارد بحث می‌شود؛ آزمایش‌های زمینی متعددی به همان خوبی آزمایش‌های فضایی شروع به انجام شده و  در این مطلب گریزی به آنها خواهیم زد.

اکستریموفیل چیست؟

هنگام تعریف شرایط حیات چند پارامتر همیشه مد نظر است و در صورت نبود آنها بقای حیات به خطر می‌افتد: دمای بین ۱۰ تا ۴۰ درجه‌ی سانتی‌گراد، اسیدیته‌ی (PH) نزدیک به خنثی، فشار در حدود یک اتمسفر، آب فراوان و سطح پایین پرتوهای پرانرژی. اما تمام زیستگاه‌ های روی زمین حائز چنین ویژگی‌هایی نیستند. چشمه‌های داغ اسیدی، دریاچه‌های سودای اشباع از نمک که اسیدیته‌ی بالای ۱۰ دارند، چشمه‌های هیدروترمال اعماق دریاها با فشار چند صد اتمسفری که تصور دوام آوردن در آن محیط‌ها برای ما غیرممکن است. اما در بیشتر این محیط‌ها شکل‌هایی از حیات که در بیشتر موارد پروکاریوت هم هست وجود دارد. آنزیم‌ها^۶ و پروتئین‌هایی که در شرایط سخت عملکردی هستند واسطه‌ی انجام فرایندهای متابولیکی و زیستی در این میکروب‌های سخت‌دوست هستند. ارگانیسمی که در محیط‌های افراطی و دشوار رشد می‌کند اکستریموفیل است (تصویر ۳)؛ هنگامی که چنین ارگانیسمی برای بقا به بیش از یک محیط اکستریم نیاز داشته باشد پلی‌اکستریموفایل نام می‌گیرد.

گوناگونی اکستریموفیل‌ها

اکستریموفیل‌ها بسیار متنوع هستند و بسته به زیستگاهشان در گرو‌ه‌های فیزیولوژیکی متعددی جای می‌گیرند:

۱. ابرگرمادوست و گرمادوست (Hyperthermophile و Thermophile): در محیط‌ هایی با دمای بالا یافت می‌شوند.
۲. سرما دوست (Psychrophile): در دماهای اندک یافت می‌شوند.
۳. اسید دوست‌ها (Acidophile): ساکن زیست‌گاه‌هایی با اسیدیته‌ی اندک هستند.
۴. قلیا دوست‌ها (Alkaliphile): ساکن زیست‌گاه‌هایی با اسیدیته‌ی زیاد هستند.
۵. نمک‌ دوست‌ها (Halophile): غلظت نمک محیط‌زیست آنها بالا است.
۶. خشکی‌ دوست‌ها (Xerophiles): در محیط‌‌های خشک زندگی می‌کنند.
۷. فشار دوست‌ها (Piezophile): در فشارهای زیاد یافت می‌شوند.
۸. پرتو دوست‌ها: در محیط‌هایی با پرتوهای پرانرژی و یونیزان دوام می‌ آورند.

محیط سخت چیست؟

شرایط سخت یا اکستریم شامل پارامترهای فیزیکی مثل دما، پرتویی یا فشار می‌شود، اما شرایطی از قبیل خشکی، شوری، اسیدیته‌، گونه‌های اکسیژن یا پتانسیل اکسایش و کاهش را می‌توان به عنوان پارامترهای ژئوشیمیایی در نظر گرفت (تصویر ۴). همچنین برای رشد در شرایط اکستریم بیولوژیکی می‌توان اکستریم برای تغذیه، تراکم جمعیت، انگل و شکار را در نظر گرفت. اخیرا هر گزارشی که می‌رسد و خبر از وجود آب در دیگر اجرام منظمومه‌ی شمسی می‌دهد به سرعت در رسانه‌های جهان منعکس می‌شود؛ چرا که تصور ما همیشه بر این بوده که روی زمین، هر جایی که آب باشد صرف نظر از این‌که شرایط فیزیکی آن‌جا چگونه است حیات هم در آن‌جا یافت می‌شود. شرایطی را که پیش از این موانع فیزیکی و شیمیایی غیرقابل عبور برای حیات تصور می‌کردیم می‌دانیم که امروزه پناهگاه حیات اکستریموفیل‌ها هستند.

این ادراک، همراه با دانش و اطلاعات ما از بقای میکروب‌ها در شرایط فضایی، به ما می‌گوید که حیات از آن‌چیزی که سابقا تصور می‌کردیم می‌تواند در عالم معمول‌تر باشد. کشف محیط‌های افراطی و ارگانیسم‌هایی که در این محیط‌ها ساکن هستند جستجو برای حیات در خارج از زمین را قابل قبول‌تر کرده و حتی احتمال پان‌اسپرمیا را (انتقال حیات از سیاره‌ای به سیاره‌ی دیگر) نیز افزایش داده است. به این ترتیب مقالات زیادی منتشر و جلسات متعددی برگزار شده و بودجه‌هایی به این پژوهش‌ها اختصاص یافته است؛ مثلا کار گروه‌ها و برنامه‌های متنوعی توسط بنیاد ملی علم آمریکا و ناسا در زمینه‌ی حیات در محیط‌های افراطی، اختر زیست‌شناسی، و برون‌ زیست‌شناسی صورت گرفته‌اند.

ویژگی‌ها و محیط‌های آرکی‌های نمک‌دوست

از نوامبر سال ۲۰۱۱ نام‌های خانواده‌ای شامل ۱۲۹ گونه که در ۳۶ جنس طبقه‌بندی شده‌اند منتشر شد. واژه‌ی halophilic یا نمک‌دوستی به میکرو-ارگانیسم‌هایی اطلاق می‌شود که برای رشد و بقا به طور خاص به نمک نیاز دارند. این ارگانیسم‌ها در فقدان تراکم بالای نمک (معمولا بیش از ۱ تا ۱.۵ مول NaCl) رشد نخواهند کرد. این میکروب‌ها مواد آلی و آبی مورد نیازشان را از محیط تامین می‌کنند و در طیف وسیعی از محیط‌ها از جمله دریای مرده^۷ رشد می‌کنند و مدام از هسته‌ی قنات نمکی جدا می‌شوند. آرکی‌های نمک‌دوست در مناطق با سرما و خشکی همیشگی، مثل دریاچه‌ی عمیق جنوبگان هم کشف شده‌اند؛ حتی می‌توان به مکان‌های غیرعادی‌تر هم به سبب محتوای کم کلرید‌ سدیم آنها اشاره کرد، از جمله استروماتولیت‌های مدرنِ قرارگرفته در خلیج کوسه^۸، چشمه‌ی زودلتون در اوکلاهاما^۹ و حتی سوراخ‌های بینی کاکائی‌های مدیترانه که نمک‌دوست‌ ها از آن‌ها نیز جدا شده‌ اند.

مقاومت به استرس‌های روی زمین در آرکی‌های نمک‌ دوست

این نوع از آرکی‌ها به علت پاسخ‌ هایشان به شرایط متفاوت استرس با جزئیات زیادی مورد بررسی قرار گرفته‌اند.‌ بهترین مطالعات تا به امروز روی گونه‌ آزمایشگاهی Halobacterium salinarum NRC–1 انجام شده است (این نژاد یک نمک‌دوست دریایی گِرَم منفی هوازی اجباری است که برخلاف نامش جزو دامنه آرکی‌ها است). آزمایش‌ها نشان داده‌اند که این سویه چه‌طور به شرایط اکستریم متعددی از قبیل خشک‌شدگی، تغییر فشار اسمزی، گرما، فشار اکسیداتیو^۱۰، پرتوهای پرانرژی، محدودیت اکسیژن و طیف وسیعی از پرتوهای فرابنفش مقاومت نشان داده است. دیگر هالوفیل‌ها از قبیل Halococcus hamelinensis بر اساس استراتژی‌های تطبیق اسمزی^۱۱ و مقاومت به پرتوهای UV-C ^۱۲ و اصلاح و تعمیر توالی‌هایشان بررسی شده‌اند. از طرف دیگر نشان داده شده است که مقاومت پرتویی نمک‌دوست‌ها هنگامی که در نمک‌طعام جاسازی شده باشند شدیدا افزایش می‌یابد و این نمک‌های درون سلولی در Halobacterium salinarum NRC–1 محافظتی بر ضد پرتوهای یونیزان^۱۳ فراهم می‌آورند. تمام آزمایش‌های نام‌برده شده و نتایج آنها شفاها پیشنهاد می‌کند که فرایندهای آرکی‌های نمک‌دوست مکانیسم‌های پیچیده‌ای برای بقا در شرایط خاص استرس دارد و همچنین نامزد ایده‌آلی برای مطالعات مرتبط با فضا به شمار می‌آیند.

شرایط فضایی شبیه‌ سازی شده

اگرچه تاکنون پیشرفت شگرفی در جستجوی کشف فضای بیرونی صورت گرفته اما امکان ارسال نمونه‌های بیولوژیکی به فضا همچنان بسیار دشوار است. یک راه عملی و مقرون به صرفه برای به‌دست آورن اطلاعات درباره‌ی اثر شرایط فضایی روی ارگانیسم‌ها، آزمایش‌های شبیه‌سازی شده‌ی زمینی است. کویک و همکارانش مقاومت Halobacterium halobium را در جو شبیه‌سازی‌شده‌ی مریخ سنجیده‌اند. آن‌ها این آزمایش را انجام داده‌اند تا نشان دهند که این ارگانیسم قادر به حفظ بقای خود در شرایط حفاظت‌نشده نیست. توضیح احتمالی برای نتیجه‌ آن‌ها این است که این گروه، میکرو-ارگانیسم را در معرض میزانی از پرتوهای فرابنفش و پروتونی قرار داده‌اند که معادل ۲۰۰ سال روی مریخ است.

استن لوتر^۱۴ آزمایش مرتبط فضایی دیگری انجام داده است به طوری که در این آزمایش Hbt. salinarium NRC-1 وHalococcus dombrowskii شش ساعت در معرض شرایط شبیه‌سازی شده مریخ قرار گرفتند. نتایج پیشنهاد می‌کرد که Halococcus dombrowskii مقاومت بالاتری در مواجهه با شرایط دشوار نسبت به Hbt. salinarium NRC-1 از خود نشان می‌دهد (با ضریب ۱۰ تحت شرایط آزمایش). با وجود قراردادن آن‌ها در شرایط شبیه‌سازی شده‌ی مریخ امکان بازسازی هر دو سویه (به مجموعه سلول‌هایی سویه گفته می‌شود که در کشت خالص از یک سلول مشخص بدست آمده‌ باشند.) وجود داشت. به این ترتیب نیاز بود که زیر نور عادی و نه فرابنفش گذاشته شوند.

آزمایش‌های زمینی دیگر نیز روی Halococcus dombrowskii و Haloferax mediterranei انجام شده‌اند. به طوری که آن‌ها تحت شرایط میکروگرانشی شبیه‌سازی شده (SMG) رشد داده شده‌اند. هر دو سویه افزایش مقاومت در برابر آنتی‌بیوتیک را نشان دادند؛ اما تعدادی فاکتور متفاوت در پروتئوم (کل پروتئین‌های ساختاری و عملکردی یک سلول در یک زمان مشخص) آن‌ها دیده شد که ناشی از رشد در SMG بود. اتفاق جالب دیگر این بود که تجمع سلولی در مقایسه با شرایط عادی رشد به وقوع نپیوست؛ وقتی که تغییرات محیط رخ می‌دهد تجمع سلولی به شدت تحت تاثیر قرار می‌گیرد.

ماموریت فضایی بایوپَن

اولین آرکی نمک‌دوستی که در فضا قرار گرفت Halorubrum chaoviator از سویه Halo-G* در مامویت بایوپَن^۱۵ در سال ۱۹۹۴ بود. بایوپن، یک کپسول قابل بازیافت کوچک از محصولات سازمان فضایی اروپا^۱۶ بود که با آن نمونه‌های شیمیایی یا زیستی را در مدارهای پایین زمین قرار دادند. در این آزمایش  Hrr. Chaoviator در خاک شبیه‌سازی شده‌ی مریخ جاسازی و روی صفحات کواتز خشک شد و به فضا فرستاده شد. هنگامی که بایوپن در جایگاه خود قرار گرفت درهای لولادار موتوری ۱۸۰ درجه باز شدند تا نمونه در معرض خلا، پرتوهای کیهانی و فرابنفش قرار گیرد. کپسول به مدت دو هفته در مدارهای پایین به دور زمین گردید و برای ورود مجدد به زمین درهای لولایی بسته شدند. پیگیری تحقیقات نشان می‌داد چه‌طور Hrr. Chaoviator که با مواد اشاره شده محافظت شده بود، از بودن در شرایط فضایی جان سالم به در برد.

ماموریت‌ فضایی اکسپوز-ای^۱۷

سازمان فضایی اروپا تجهیزات اکسپوز را برای آزمایش‌های میان‌مدت و بلندمدت در قسمت بیرونی ایستگاه فضایی بین‌المللی^۱۸ طراحی کرده است. در مقایسه با تجهیزات بایوپن، این آزمایش‌ها روی مواد حمل‌کننده‌ی متفاوتی خشک شدند (مثل صفحات کوارتز) و درون سلول‌های ریزی که تحت فشار یا باد قرار گرفته بودند جا داده شدند. تجهیزات اکسپوز-ای در ۷ فوریه ۲۰۰۸ با شاتل فضایی آتلانتیس ناسا به فضا پرتاب شد. اکسپوز-ای علاوه بر آزمایش‌های شیمیایی، چندین ارگانیسم‌ متفاوت نیز با خود حمل می‌کرد. یکی از آن ارگانیسم‌ها آرکی نمک‌دوست Halococcus dombrowskii، بود. Hcc. dombrowskii  یک گونه‌ی جداشده از رسوبات نمکی دوره‌ی زمین‌شناسی پرمیان از اتریش بود که به مدت ۵۵۹ روز در فضا مورد آزمایش‌هایی قرار گرفت. اکسپوز-ای فقط در یک ماموریت مورد استفاده قرار گرفت چرا که سینی آزمایشگاهی قابل برداشتن نداشت و به زمین بازگشت. در این باره مقاله‌‌ای منتشر نشد و مشخص نشد که Hcc. dombrowskii  در این آزمایش خاص زنده ماند یا خیر؟!

ماموریت‌ اکسپوز-آر^۱۹ در نوامبر ۲۰۰۸ با Progress 31-P روسی پرتاب شد (تصویر ۶). برای این ماموریت هشت آزمایش تعبیه شده بود که هدف یکی از آنها درک پاسخ‌های دو گونه‌ی Synechococcus  و Haloarcula-G به شرایط فضایی بود.  اکسپوز-آر سینی آزمایشگاهی قابل برداشتن داشت و هنوز تجهیزات آن روی بخش روسی در بیرون ایستگاه فضایی بین‌المللی قرار دارد و برای ماموریت‌های آینده مجددا مورد استفاده قرار خواهد گرفت. این ماموریت هم مانند اکسپوز-ای مقاله‌ای منتشر نکرد.

نتیجه‌ گیری و ماموریت‌های آینده

آزمایش‌های زمینی مکمل آزمایش‌های برون-اخترزیستی انجام شده در مدارهای پایین‌تر یا فضای بیرونی هستند. یک نمونه از این آزمایش‌های زمینی پذیرفته شده در سازمان فضایی اروپا برای بررسی مواد آلی و آزمایش تکامل و برون‌زیست‌شناسی است. به طوری که در یک کنسرسیوم بین‌المللی، دانشمندان ترکیبات آلی و طیف وسیعی از میکرو-ارگانیسم‌ها را برای شبیه‌سازی پارامترهای فضایی برای دنبال کردن سوالات برون‌زیست‌شناسی درباره‌ی مقاومت به محیط فضایی و منشا و توزیع حیات به نمایش درخواهند آورد. آزمایش‌های پرواز فضایی دیگری نیز مثل BOSS (بیوفیلم‌ها در فضا) هم‌اکنون در حال آماده‌سازی است. ماموریت اکسپوز-آر۲^۲۰ اخیرا در ماه جولای سال ۲۰۱۴ ارسال شده است که قرار است برای مدت ۱.۵ سال در قسمت بیرونی ایستگاه فضایی بین‌المللی آزمایش‌هایی را انجام دهد. با افزایش حضور انسان در فضا، یکی از اهداف تحقیقاتی کلیدی، درک کامل واکنش‌های میکرو-ارگانیسم‌ها به شرایط دشوار فضایی بیرون از زمین است. با توجه به همه‌ی آزمایش‌های زمینی و پروازی که هم‌‌ اکنون در حال انجام و آماده‌سازی است و با احتمال سناریوها و کشفیات خلاقانه‌ی بیشتر، اکنون زمان بسیار خوبی برای پژوهش در زمینه‌ی اخترزیست‌شناسی محسوب می‌شود.

نویسنده: نیلوفر فشنگ‌ ساز/ دانشجوی کارشناسی ارشد بیوفیزیک