زیست‌کره عمیق زمین: جهانی پنهان از حیات فرین

یک «سیاره جدید» عظیم در پوسته زمین کشف شده که مملو از اُکتیلیون‌ها موجود فرین است که در شرایط مرگبار و غیرقابل باور حیات دارند. این زیست‌کره عمیق که اخیراً درک شده، حجمی دو برابر کل اقیانوس‌های زمین و زیست‌توده میکروبی کلی ۲۰ برابر بیشتر از تمام حیات سطحی دارد.

خلاصه نکات کلیدی

• کشف و مقیاس زیست‌کره عمیق

  یک «سیاره جدید» در پوسته زمین یافت شده است که محل زندگی اُکتیلیون‌ها موجود فرین در یک محیط جهنمی مرگبار است؛ کشفی که وجودش فقط اخیراً درک شده است. این زیست‌کره عمیق حداقل دو برابر حجم کل اقیانوس‌های زمین حجم دارد و حاوی میکروب‌های بیشتری نسبت به بقیه سیاره است، با زیست‌توده‌ای کلی بیش از ۲۰ برابر بیشتر از کل انسان‌ها، دام‌ها و حیات وحش جانوری.

• فراگیری حیات عمیق

  حیات عمیق همه‌جاگیر است و در زیر اقیانوس‌ها، نزدیک آتشفشان‌ها، زیر یخچال‌های قطب جنوب و زیر هر چشم‌انداز قابل تصوری وجود دارد.

• لایه‌ها و شرایط زمین

  سفر به پوسته زمین در خاک آغاز می‌شود، یک شراکت چهارگانه غنی از هوا، آب، مواد معدنی و مواد آلی، جایی که حیات رشد می‌کند. در زیر این منطقه اشباع از آب‌های زیرزمینی قرار دارد، غنی از مواد معدنی و آلی، جایی که ریشه‌های بلندپرواز گیاهان به آن می‌رسند و لاشخورها از پوسیدگی تغذیه می‌کنند، و از آخرین عصر یخبندان سرد مانده‌اند. عمیق‌تر از آن بستر سنگی (bedrock) است، پایه‌ای از سنگ جامد پر از شکاف‌هایی که آب از آن‌ها عبور می‌کند، که نشان‌دهنده یک «سیاره درون سیاره» منحصربه‌فرد است.

• شرایط فرین در بستر سنگی عمیق

  هرچه حفاری پیش می‌رود، دما و فشار به طور قابل توجهی افزایش می‌یابند؛ در عمق ۴۰۰ متری، فشار معادل سطح سیاره زهره است و در عمق ۱۰۰۰ متری، دما به ۳۰ درجه سانتی‌گراد با تقریباً هیچ اکسیژن آزادی می‌رسد. در عمق نزدیک به ۴ کیلومتری، سنگ جامد با ده‌ها هزار تن وزن به پایین فشار می‌آورد، فشارهایی مشابه گودال ماریانا و میانگین دما ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد ایجاد می‌کند، که توسط ستون‌های ماگما، واپاشی رادیواکتیو از عناصری مانند توریم و اورانیوم، و غلظت‌های نمک فرین تشدید می‌شود.

• ماهیت سنگ و فعالیت زمین‌شناسی

  سنگ جامد واقعاً جامد نیست بلکه توسط شکاف‌ها، حفره‌ها و منافذ ریز پیموده شده است؛ سنگ‌های متخلخل مانند ماسه‌سنگ، سنگ آهک یا بازالت می‌توانند تا ۴۰٪ فضای خالی داشته باشند و حتی گرانیت متراکم‌تر نیز حاوی شکاف است. این یک سیستم غول‌پیکر و در سراسر سیاره از ریزغارها ایجاد می‌کند که با آب و میکروب‌های مقاوم پر شده‌اند. این سیستم پویا است، با سنگ‌هایی که دائماً مخلوط می‌شوند، جابجا می‌شوند و از طریق برخوردهای قاره‌ای و زمین‌لرزه‌ها «آب و هوای سنگی» ایجاد می‌کنند، که دائماً شکاف‌های جدیدی برای حیات باز می‌کنند و دیگران را می‌بندند.

• اشکال حیات میکروبی فرین و سازگاری‌ها

  اُکتیلیون‌ها میکروب مقاوم در این اعماق زندگی می‌کنند. باکتری Desulforudis audaxviator غذای خود را از کربن یا گوگرد موجود در سنگ سنتز می‌کند و از طریق خودخواری یک اندوسپور (endospore) تشکیل می‌دهد تا در شرایط فرین بقا یابد و به طور بالقوه هزاران سال منتظر می‌ماند. آرکئا (Archaea) مانند Altiarchaeum hamiconexum دارای غشاهای دوتایی محافظ هستند، از قلاب‌های نانو-چنگ‌زن برای مهار خود در شکاف‌های فاقد اکسیژن استفاده می‌کنند، دی‌اکسید کربن را برداشت می‌کنند و ممکن است هیدروژن مصرف کنند. سایر میکروب‌ها کنسرسیوم (consortia) تشکیل می‌دهند، که در بیوفیلم‌های (biofilms) محافظ به هم می‌پیوندند و به عنوان سلول‌های مینیاتوری و تخصصی عمل می‌کنند که متان، الکترون، سولفات، آهن، نیتروژن یا دی‌اکسید کربن را پردازش می‌کنند.

• استراتژی‌های بقا و طول عمر

  حیات در زیست‌کره عمیق استراتژی‌های بقای فرین را به کار می‌گیرد، از جمله متابولیسم‌های فوق‌العاده کند، تا یک میلیون برابر کندتر از میکروب‌های سطحی، که به آن‌ها امکان می‌دهد قرن‌ها یا حتی میلیون‌ها سال زندگی کنند با مصرف حداقل منابع و حفظ انرژی، گاهی اوقات حتی به آرامی خود را می‌خورند تا زمانی که یک ورودی ناگهانی منابع اتفاق افتد.

• شکارچیان زیست‌کره عمیق

  در عمق کیلومترها در زیستگاه‌های سنگ آهک، فضاهایی برای شکارچیان چندسلولی وجود دارد، از جمله کرم‌های غیرجنسی ۱۰۰ برابر بلندتر از میکروب‌ها، روتیفرها و بندپایان، که باکتری‌ها را شکار کرده و می‌خورند، اگرچه منشأ آن‌ها در اعماق به طور کامل درک نشده است.

• چالش‌ها در تحقیقات زیست‌کره عمیق

  مطالعه زیست‌کره عمیق با چالش‌های قابل توجهی روبرو است، از جمله ناتوانی در مشاهده مستقیم حیات در زیر کیلومترها سنگ، خطر آلوده کردن نمونه‌ها با میکروب‌های سطحی در طول حفاری، و دشواری شبیه‌سازی شرایط فرین در آزمایشگاه‌ها برای مشاهده حیات میکروبی با حرکت آهسته. بسیاری از دانش از تحلیل ژنتیکی دوغاب‌های میکروبی به دست می‌آید، که قابلیت‌های متابولیکی مانند «تنفس» نیتروژن یا مصرف متان را آشکار می‌کند.

• اهمیت علمی و پیامدهای فرازمینی

  زیست‌کره عمیق یک مرز علمی مهم را نشان می‌دهد با تنوع حیرت‌انگیز، که بیشتر دانش آن در دو دهه اخیر به دست آمده است، و حاوی اسرار کشف نشده فراوان است که می‌تواند پزشکی، انرژی و راه‌حل‌های اقلیمی را پیش ببرد. وجود زیست‌کره عمیق زمین نشان می‌دهد که زیست‌کره‌های زیرسطحی مشابه می‌توانند در سراسر جهان وجود داشته باشند، که فقط به گرمای داخلی یا تابش و ترکیب شیمیایی مناسب نیاز دارند، با پتانسیل وجود ده مکان از این دست در منظومه شمسی ما.

زیر جزئیات