ژن قصه گو

دو سال پیش وقتی نشت نفت از اعماق دریا در خلیج مکزیک یک فاجعه زیست محیطی وحشتناک پدید آورده بود و مردم سراسر دنیا داشتند با هراس و ناامیدی ویرانی محیط زیست منطقه را از گیرنده های تلویزیونی تماشا می کردند, جایی در آن اعماق تاریک جشن بزرگی برپا شده بود که همه را غافلگیر کرد, مهمانی بزرگی که مدعوینش گروه بزرگی از باکتری های متان دوست بودند

دو سال پیش وقتی نشت نفت از اعماق دریا در خلیج مکزیک یک فاجعه زیست محیطی وحشتناک پدید آورده بود و مردم سراسر دنیا داشتند با هراس و ناامیدی ویرانی محیط زیست منطقه را از گیرنده‌های تلویزیونی تماشا می‌کردند، جایی در آن اعماق تاریک جشن بزرگی برپا شده بود که همه را غافلگیر کرد، مهمانی بزرگی که مدعوینش گروه بزرگی از باکتری‌های متان دوست بودند.

هفته‌ها پس از آن‌که تلاش مهندسان برای متوقف کردن نشتی نفت با شکست‌های متعدد روبه‌رو شده بود، ناگهان دانشمندان محیط زیست که با نگرانی شاهد نابودی گونه‌های مختلف گیاهی و جانوری آن اطراف بودند در کمال تعجب شاهد مهاجرت بزرگ و افزایش جمعیت یک باکتری ویژه به مناطق اطراف لوله نشت کرده شدند. درست مثل این‌که باکتری‌ها از افزایش متان در آن حوالی به وجد آمده و دوستان و آشنایان خود را به این جشن بزرگ و کثیف دعوت می‌کردند.

این هجوم ناگهانی باکتری‌ها به منطقه، کنجکاوی دانشمندان را بشدت برانگیخت بخصوص که آنها متوجه شدند بررسی‌های گذشته از جمعیت بسیار اندک این باکتری در آن حوالی را نشان داده است.

● خواب زمستانی یا ژن بی‌خیالی

طبق تحقیقات جدید موسسه MIT معلوم شد، ژنی در این باکتری‌ها وجود دارد که می‌تواند چنین هجوم گسترده‌ای را توجیه کند. این ژن باکتری‌ها را قادر می‌سازد در مقابل شرایط سخت و نبود یا کمبود اکسیژن، به خواب مصلحتی فرو روند تا شرایط مجدد مساعد شود. این ژن حاوی رمز ژنتیکی پروتئینی به نام اچ.پی.ان.آر است که مسئول پردازش لیپیدی به نام ۳-متیل هوپانویید است. این لیپید به صورت ویژه در باکتری‌ها یافت می‌شود.

محققان همچنین بر این باورند که تولید این لیپید در باکتری‌ها احتمالا در پاسخ به وخیم شدن شرایط زیستی آنها رخ می دهد که باعث بقا و انتظار آنها برای مساعد شدن مجدد شرایط زندگی می‌شود، درست مشابه حادثه‌ای که در آب‌های عمیق این ناحیه رخ داد.

این لیپید که توسط اچ.پی.ان.آر سنتز می‌شود، همچنین می‌تواند به عنوان یک نشانه زیستی یا سرنخی در لایه‌های سنگی به جا مانده از گذشته باقی مانده باشد که این خود به دانشمندان کمک خواهد کرد تا با بررسی آنها بتواند وضعیت تغییر عمده سطح اکسیژن طی دوره‌های مختلف زمین‌شناسی را با بررسی حجم بقایای این لیپید در لابه‌لای سنگ‌ها تخمین بزند.

به نظر پاولا والندر از موسسه ام.آی.تی، چیزی که این مساله را جذاب‌تر می‌کند این است که با بررسی آن می‌توان پنجره‌ای جدید رو به گذشته گشود. طبق یافته‌های زمین‌شناسی، طی میلیون‌ها سال قبل، زمین در معرض مراحل انقراض متعددی قرار گرفت که در خلال آن شواهدی مبنی بر تهی شدن اقیانوس‌ها از اکسیژن نیز به چشم می‌خورد. بلافاصله بعد از این وقایع کلیدی ما شاهد نوعی رشد فزاینده در نشانه‌های زیستی بودیم و به همین شکل نشانه‌هایی از اختلالات آب و هوایی نیز در شواهد به جا مانده از دوران کهن به چشم می‌خورد. در واقع چنین به نظر می‌رسد گرم شدن زمین، اکسیژن‌زدایی اقیانوس‌ها و انقراض گونه‌های زیستی، عادت همیشگی زمین است و بارها در زمین روی داده، ولی باید بدانیم هنوز علت واقعی چنین رویدادی ناشناخته باقی مانده است.

لایه‌های سنگی زمین شواهدی از تحول حیات را در طول تاریخ در خود نگه داشته است که از آن جمله می‌توان به قدیمی‌ترین موجودات تک سلولی تا فسیل انواع مهره‌داران اشاره کرد. یکی از نشانه‌های زیستی کلیدی که دانشمندان برای شناخت اولین شکل‌های حیات از آن استفاده می‌کنند، نوعی لیپید موسوم به هاپونویید است.

این مولکول خارق‌العاده می‌تواند شواهد ساختارهای سلولی را برای میلیون‌ها سال در خود نگه دارد. هاپونویید در ساختار باکتری‌های امروزی موجود است و زمین‌شناسان با جستجو برای یافتن فسیل این لیپید در تخته سنگ‌های قدیمی درصدد برآمده‌اند تا وجود این عنصر حیاتی شکل‌دهنده باکتری را در میلیارد‌ها سال قبل نیز به اثبات برسانند.

ولی به نظر والندر، هاپونویید علاوه بر کمک برای شناخت شکل‌های اولیه حیات می‌تواند به عنوان نشانه زیستی جهت بررسی پدیده‌های زیست محیطی مثل تشخیص دوره‌های کم اکسیژن نیز مورد استفاده قرار گیرد.

● ژن قصه‌گو چگونه کشف شد؟

او برای ارزیابی نظریه خود سویه‌ای جدید از باکتری موسوم به متیلو کوکوس کپسولاتوس ـ که برای اولین بار در حمامی در روم باستان کشف شده بود ـ را انتخاب کرد. این موجود که قادر به زندگی در شرایط کم اکسیژن نظیر اعماق اقیانوس‌ها و دل آتشفشان‌ها نیز است، دانشمندان را بسیار متعجب کرده، چرا که آنها به طور کار آمدی قادر به مصرف مقادیر زیادی متان هستند که این ویژگی در گسترش منابع سوخت‌های فسیلی زمین نیز تاثیر بسزایی دارد.

نکته: یک نشانه زیستی دقیق در اختیار زمین‌شناسان قرار گرفته است که با بررسی و مطابقت نتایج آن با سایر شواهد می‌توانند دقیق‌تر و با اطمینان بیشتری از گذشته زمین سخن به میان آورند

از نظر والندر و سامونس ساختار این باکتری بسیار قابل توجه است. این ارگانیسم از نوعی هاپونویید به همراه ساختار ملکولی پنج حلقه‌ای تشکیل شده که شامل متیلاسیون c-۳ است. زمین‌شناسان به این نکته پی برده‌اند که نوعی از این متیلاسیون ساختارهای حلقوی را می‌توان در تخته‌سنگ‌های باستانی هم یافت، حتی چنانچه مابقی موجود نیز از بین رفته باشد.

والندر با کار روی ژنوم این باکتری از وجود اچ.پی.ان.آر در آن مطمئن شد، ژنی که کدهای ساخت اچ.پی.ان.آر در آن به متیلاسیون c-۳ وابسته است.

او روشی را در پیش گرفت که در آن ژن مورد نظر را از ساختار باکتری محو کرد و در واقع از سویه‌ای جهش یافته در تحقیقات خود استفاده کرد. آنها سپس این گونه از باکتری را مشابه گونه طبیعی آن در محیطی کم اکسیژن و سرشار از متان کشت دادند تا به بررسی روند رشد یا نابودی آنها بپردازند. تیم تحقیقاتی هردو گونه جهش یافته و طبیعی را برای مدت دو هفته در محیط کم اکسیژن و پر از متان قرار دادند تا از این طریق شرایط یک محیط کم اکسیژن را برای آنها شبیه‌سازی کنند.

طی هفته اول، بین میزان رشد و گسترش کلونی دو گروه تفاوت‌های اندکی به چشم می‌خورد. هر دو گروه از متان تغذیه می‌کردند و تقریبا به شکل یکنواختی رشد کرده بودند، ولی در روز چهاردهم محققان متوجه شدند جمعیت گونه طبیعی به گونه‌ای محسوس شروع به بزرگ‌تر شدن از گونه جهش یافته کرده است، اما وقتی والندر ژن اچ.پی.ان.آر را مجدد به گونه تغییر یافته افزود، توانست همان میزان رشد را در آنها نیز مشاهده کند.

● کپسول نجات

چه چیزی می‌تواند تغییرات گسترده در حیات و نابودی موجودات را در گذر از مراحل مختلف زمین‌شناسی تشریح کند؟ برای پاسخ به این پرسش، تیم تحقیقاتی MIT از نوعی میکروسکوپ الکترونیکی کمک گرفت تا به وسیله آن ساختار سلولی این دونوع باکتری که یکی طبیعی و دیگری فاقد ژن حاوی رمز ژنتیکی پروتئین اچ.پی.ان.آر بود را به طور دقیق‌تری بررسی کند. آنها تفاوت واضحی کشف کردند و متوجه شدند در حالی که گونه طبیعی از غشای سلولی و واکوئل‌های متعددی برخوردار است، گونه جهش یافته هیچ سهمی از آنها ندارد.

به نظر والندر از دست دادن غشاء در این مرحله حاکی از عملکرد پروتئین اچ.پی.ان.آر است. آنها فرض را بر این گذاشتند که ژن اچ.پی.ان.آر قادر است غشای سلولی را حفظ کند که این پدیده خود همانند کپسول نجاتی، باکتری را در شرایط کم غذایی و کم‌هوایی از مرگ محافظت می‌کند.

والندر می‌گوید به نظر این شکل از زنده ماندن به معنی زندگی در هر شرایطی است تا باکتری‌ها بتوانند در سخت‌ترین شرایط زیست محیطی جان سالم به در ببرند. سپس وقتی حجم اکسیژن یا متان دوباره رو به افزایش بگذارد، آنها بسرعت از کپسول نجات خود بیرون می‌آیند و شروع به فعالیت مجدد می‌کنند.

نتایج او از نظر زمین‌شناسی هم خیلی جالب توجه است. در واقع چنانچه ۳-متیل آپونویید به باکتری اجازه دهد در شرایط محیطی کم اکسیژن یا فاقد اکسیژن زنده بماند، می‌توان با بررسی حجم به جا مانده از این لیپید در دل سنگ‌های رسوبی، مراحل کاهش شدید اکسیژن در گذشته زمین را برآورد کرد. این امر به زمین‌شناسان کمک می‌کند با دقت بیشتری به مطالعه انقراض‌های وسیع در روی زمین یا زیر سطح اقیانوس‌ها بپردازند.

حالا و در انتهای فاز اول تحقیقات به نظر می‌رسد یک نشانه زیستی دقیق در اختیار زمین‌شناسان قرار گرفته است که با بررسی و مطابقت نتایج آن با سایر شواهد می‌توانند دقیق‌تر و با اطمینان بیشتری از گذشته زمین سخن به میان آورند.

astrobio

مترجم: بهروز یزدان‌پناه