هل تعلم أن هناك ميكروبات تعيش في أماكن غير مريحة تمامًا على كوكبنا؟

إن أصغر الكائنات الحية، التي تسمى بالميكروبات أو الكائنات الحية الدقيقة، غير مرئية للعين المجردة [1]. كان عالم الأحياء الدقيقة الهولندي Antoni van Leeuwenhoek أول من يرى الخلايا الميكروبية تحت المجهر قبل أكثر من 300 عام. عالم الأحياء الدقيقة هو عالم يدرس الميكروبات. يمكن العثور على الميكروبات بشكل أساسي في كل مكان على كوكب الأرض، وتستعمر هذه الكائنات الحية الدقيقة التربة والمياه والهواء بالكامل، كما نجد هذه الكائنات في الغذاء أو الحيوانات أو حتى في أجسامنا. وبالمناسبة، يوجد في الجهاز الهضمي لكل منا - سواء رجل أم امرأة أو حتى طفل - خلايا ميكروبية يفوق عددها عدد خلايا الجسم بأكمله؛ كما توجد بالطبع بعض الميكروبات التي يمكن أن تتسبب في أمراض شديدة بما في ذلك الإسهال والإنفلونزا، ولكن معظم الميكروبات ليست ضارة للبشر. بل في الواقع، يتم استخدام بعض الميكروبات لإنتاج الزبادي أو الجبن أو لمعالجة مياه الصرف الصحي. تنمو بعض الميكروبات بشكل أفضل في الظلام، ويفضل بعضها العيش في المساحات الخالية من الأكسجين، ويفضل غيرها السكريات الموجودة في الفواكه أو البيئات كريهة الرائحة على سطح الجبن وداخله.

ومع ذلك، فليس من المثير للإعجاب أن تكون الميكروبات قادرة على الصمود في المحيط أو في درجة حرارة الجسم المقبولة عند درجة حرارة 37 مئوية، ولكن هناك مجموعات من الميكروبات المذهلة التي تستعمر أكثر الأماكن إثارة للدهشة على كوكب الأرض. فمن المثير للاهتمام أنه يمكن لهذه الميكروبات أن تنمو في ظل مختلف أنواع الظروف القاسية، وهي تمثل على الأغلب أقدم أشكال الحياة الموجودة على كوكب الأرض. كانت هذه الميكروبات هي أول الكائنات التي تكيفت مع أنماط الحياة القاسية، وتستعمر اليوم أماكن لا تدعم أي شكل آخر من أشكال الحياة، ويُطلق على هذه الكائنات الحية اسم الكائنات آليفة الظروف القاسية ”extremophiles” (بمعنى أنها تحب الظروف القاسية). السؤال التالي الذي يحتاج إلى إجابة هو: أين نجد هذه الكائنات الحية المحبة للحرارة؟

أين تعيش الميكروبات المحبة للحرارة الشديدة؟

غالبًا ما تقع المناطق الأكثر حرارة على كوكب الأرض بالقرب من البراكين على سطح الأرض وفي أعماق المحيطات. مرتفع وسط المحيط الأطلسي هو سلسلة من المرتفعات الموجودة تحت سطح الماء وهو يمثل الحد الفاصل بين الألواح الصخرية العملاقة على طول قاع المحيط الأطلسي (الشكل 1). ويُطلق على هذه الألواح الصخرية اسم الصفائح التكتونية، وهي ضخمة للغاية بحيث تقع صفيحة أمريكا الشمالية تحت كوبا والولايات المتحدة وكندا وجرينلاند، بينما تقع صفيحة أوراسيا تحت أوروبا ومعظم آسيا. وقد ظهرت، في عدة مواقع، جزر بركانية جميلة من قاع المحيط بعد فترة زمنية طويلة للغاية، وتُسمى إحدى هذه الجزر البركانية في المحيط الأطلسي جزر الأزور. تقع جزر الأزور في المنتصف تقريبًا بين الولايات المتحدة والبرتغال، بينما يمكن العثور على آيسلندا في أقصى الشمال بين جرينلاند والنرويج، وتكون هذه الجزر مغطاة بينابيع مياه ساخنة، تصل فيها المياه الساخنة من باطن الأرض إلى سطح الأرض. تفرغ الينابيع الساخنة المياه الساخنة بشكل طبيعي، ويحدث ذلك لوجود الكثير من الحرارة الموجودة عميقًا تحت سطح الأرض وتتدفق المياه في هذه المناطق العميقة قبل أن تصل إلى السطح. إذا ذهبت في نزهة على جزر الأزور، فسترى أن المياه تتبخر وتغلي باستمرار (الشكل 1).

يمكن العثور على معظم ينابيع المياه الساخنة والفوارات الحارة التي تقذف المياه الساخنة والبخار على هيئة نافورة في منتزه يلوستون الوطني في وايومنغ بالولايات المتحدة الأمريكية، فهذا هو المكان الذي اكتشف فيه عالم الأحياء الدقيقة Thomas Brock أول ميكروبات محبة للحرارة قبل 50 عامًا تقريبًا؛ وحتى ذلك الحين، كان يعتقد العلماء حول العالم أن تلك البيئات الساخنة لابد أن تكون معقمة، وهذا يعني خلوّها من الكائنات الحية، وذلك لأن درجات الحرارة المرتفعة قد تقتل جميع أشكال الحياة. قام Thomas Brock بعزل أول ميكروب محب للحرارة ووصفه وأطلق عليه الاسم الجميل ”المستحرة المائية” (Thermus aquaticus) [2] (الشكل 2). نظرًا لعدم وجود أسماء لمعظم الميكروبات باللغة الإنجليزية، فسنستخدم الأسماء العلمية في هذا المقال، والتي سيتم شرحها بالتفصيل (المربع 1).

يوضح الاسم T. aquaticus أن هذا الميكروب هو كائن محب للحرارة (فكلمة thermos تعني ساخنًا باليونانية) وتم العثور عليه في الماء (كلمة aqua تعني الماء باللاتينية). تُوجد المستحرة المائية في العديد من ينابيع المياه الساخنة في منتزه يلوستون الوطني وأماكن أخرى تصل درجات الحرارة بها حوالي 70 درجة مئوية. ومن المثير للاهتمام أن هذا الميكروب يتجمد عند 40 درجة مئوية ولا يمكنه النمو في درجات حرارة أقل من ذلك، وتعتبر درجات الحرارة التي تزيد عن 79 درجة مئوية مميتة لهذا الميكروب. على الرغم من أن Thomas Brock وجد أول ميكروب محبًا للحرارة، فإنه لم يستطع العثور على

ميكروب واحد يمكنه تحمل الماء المغلي. ومع ذلك، أدى اكتشاف المستحرة المائية إلى انطلاق بحث عالمي عن أكثر الكائنات الدقيقة المقاومة للحرارة، وعن أقارب ميكروب المستحرة المائية. ولم يمض وقت طويل حتى تم اكتشاف أنواع أخرى من الميكروبات المحبة للحرارة غير المرتبطة بالمستحرة المائية في أماكن مختلفة على كوكب الأرض. كما أدرك العلماء بشكلٍ سريع أن الميكروبات أليفة الظروف القاسية شائعة للغاية. وهي شائعة للغاية لدرجة تجعل من المستحيل تقدير عدد الفصائل الأخرى التي سيتم اكتشافها في المستقبل.

كما تم التوصل إلى خطوة مهمة أخرى في اكتشاف الميكروبات أليفة الظروف القاسية عندما قدم Karl Stetter الألماني ميكروبًا آخر مثيرًا للاهتمام لمجتمع علم الأحياء الدقيقة. إذ وجد Stetter وفريقه هذا الميكروب في أعماق البحار، حيث يتدفق الماء الساخن من خلال مدخنة من أسفل الصفائح التكتونية، وقد أطلقوا على هذا الميكروب اسم Pyrolobus fumariii. يتمتع هذا الميكروب ببنية خلوية غريبة الشكل وذات مظهر متكتل، وتنعكس بنيته الخلوية وتفضيله للحرارة وموطنة البيئي الطبيعي في اسمه: فكلمة Pyro هي الكلمة اليونانية للنار، وكلمة lobus تعني قلفة (البنية المتكتلة)، وfumarii تشير إلى المدخنة التي تطلق الدخان. هذا ويُعد ميكروب P. fumarii محبًا للحرارة أكثر من ميكروب المستحرة المائية، وقد أدى اكتشاف P. fumarii إلى زيادة الحدود القصوى لدرجة الحرارة العليا التي يمكن أن يُوجد بها شكل من أشكال الحياة إلى 113 درجة مئوية، وهي درجة حرارة كافية لجعل المياه في حالة غليان! بينما تعد درجات الحرارة الأقل من ٩٠ درجة مئوية باردة للغاية؛ لدرجة أن الميكروب P. fumarii يعجز عن النمو فيها. (الشكل 3) [3].

هل توجد بيئات أخرى لن تكون مريحة بالنسبة لنا ولكنها مريحة بالنسبة للميكروبات؟

البشر لا يحبون درجات الحرارة التي تبلغ حوالي 100 درجة مئوية إلا عند استخدام حمام البخار ويكون ذلك لفترة زمنية قصيرة للغاية، في حين تعيش الميكروبات المحبة للحرارة حياة كاملة في تلك الظروف. ومع ذلك، توجد بيئات طبيعية قاسية أخرى تسكنها الميكروبات الأكثر مقاومة وقدرة على التحمل. تعيش هذه الميكروبات في أعماق البحار، في البحيرات شديدة الملوحة أو في الثلج الجليدي. وهل سبق لك أن سمعت عن الميكروبات التي تفضل العيش في أحماض ساخنة؟

ربما اكتشفت مجموعة Wolfram Zillig (1925–2005) الكائن الحي الدقيق الأكثر إثارة للاهتمام الذي يعيش في ظروف قاسية. إذ يفضل الميكروب Picrophilus torridus العيش في درجة حرارة متوسطة السخونة تتراوح بين 55 و65 درجة مئوية، ولكن مقترنة ببيئة حمضية للغاية. في الواقع، قد تكون هذه الظروف مماثلة للعيش في حمض بطارية ساخن ومخفف. تم عزل هذا الميكروب من تربة حمضية وساخنة للغاية في اليابان [4]، يُظهر الاسم العلمي له أيضًا ميوله وأسلوب حياته: Picros تعني حمضًا في اللغة اليونانية، و philos تعني محبًا، وtorridus كلمة لاتينية تعني جافًا ومحترقًا.

فضلًا عن ذلك، هناك أيضًا بعض الميكروبات التي تتكيف تمامًا مع البيئات التي يصنعها الإنسان. حيث تنمو في مياه النفايات الصناعية السامة أو بالقرب من محطات الطاقة النووية. تم عزل العديد من هذه الميكروبات في تشيرنوبل، موقع حادثة محطة الطاقة النووية المريع في عام 1986. تعرضت هذه الميكروبات إلى إشعاع خطير ومهدد للحياة، ولكنها تمكنت من تحويل الإشعاع إلى طاقة تستخدمها للنمو [5].

هل يمكن استخدام الميكروبات التي تعيش في ظروف قاسية لمساعدة البشر؟

نظرًا لقدرتها على تحمل الظروف القاسية، تُعد هذه الميكروبات وبعض المواد الكيميائية الموجودة بداخلها ذات أهمية رئيسية للاستخدام في أنواع معينة من الصناعات. فهناك نوع خاص من البروتينات (إنزيم) مستخلص من المستحرة المائية يلعب دورًا مفيدًا للغاية في مجال علم الأحياء الدقيقة.

يُسمى هذا الإنزيم Taq-polymerase، ويستخدم في المختبرات لإنتاج ملايين النسخ من جزيئات الحمض النووي في عملية تسمى تفاعل البوليميريز التسلسلي (PCR)، ونظرًا لأن إحدى خطوات التفاعل تحدث عند درجة حرارة 95 درجة مئوية، تصبح الإنزيمات الطبيعية خاملة بسرعة، ولكن يتحمل إنزيم Taq-polymerase المستخلص من المستحرة المائية تلك الظروف ويظل نشطًا. في الوقت الراهن، يُستخدم تفاعل البوليميريز التسلسلي عادة في علوم الحياة (مثل علم الأحياء)، وفي التحقيقات الجنائية، وفي تشخيص الأمراض. يمكن استخدام الميكروبات أليفة الظروف القاسية أيضًا في عملية تُسمى المعالجة الحيوية، التي تُستخدم لإزالة المواد السامة من البيئات الملوثة من خلال تحليلها. تُعد الكائنات الحية الدقيقة الأخرى التي تعيش في ظروف قاسية ذات أهمية للصناعات، حيث إنه يمكن استخدام إنزيمات هذه الميكروبات في تحليل النشا أو مواد النفايات النباتية؛ حيث يمكن استخدام هذه العمليات في إنتاج الطاقة الحيوية أو المركبات الكيميائية المفيدة. بالمقارنة مع الميكروبات المحبة للحرارة، يمكن استخدام الإنزيمات المستمدة من الميكروبات المحبة للبرودة في مكونات المنظفات بحيث تساعدنا على تنظيف الملابس عند درجات حرارة منخفضة موفرة للطاقة. من الضروري معرفة أن الميكروبات أليفة الظروف القاسية ليست ضارة! نظرًا لأن هذه الكائنات الحية الدقيقة تحب العيش في بيئات ذات ظروف قاسية من وجهة نظر الإنسان، فإنها عادة غير قادرة على أن تسبب أمراضًا للبشر، لأن درجة حرارة جسم الإنسان تصل إلى 37 درجة مئوية وهي درجة حرارة باردة للغاية بالنسبة لها.

الجهة الممولة

مشروع الموارد التعليمية المفتوحة للمؤلفين (OER) - يتم تمويل مشروع ”الكائنات الحية الدقيقة أليفة الظروف القاسية” من مقاطعة هامبورغ، ألمانيا، ضمن مشروع جامعة هامبورج الإلكترونية المفتوحة (http://www.hoou.de/).

مسرد للمصطلحات

الميكروبات/الكائنات الحية الدقيقة (Microbes/microorganisms): ↑ كائنات حية وحيدة الخلية بصفة أساسية، بما في ذلك البكتيريا وبعض الطحالب والفطريات. تُعد خميرة الخبز مثالاً على الفطريات وحيدة الخلية.

ينبوع المياه الساخنة (Hot spring): ↑ ينبوع تصل فيه المياه الساخنة من باطن الأرض إلى سطح الأرض؛ يمكن أن تكون درجة حرارة المياه في هذه الينابيع من معتدلة إلى عالية، وهو ما يؤدي إلى غليان المياه.

الفوارة الحارة: ↑ ينبوع مياه ساخنة يطلق عادة الماء الساخن والبخار على هيئة نافورة. تقع معظم الفوارات الحارة (حوالي 50%) في متنزه يلوستون الوطني في وايومنغ بالولايات المتحدة الأمريكية.

بوليميراز المستحرة المائية (Taq-polymerase): ↑ إنزيم قادر على نسخ الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين عند درجات حرارة مرتفعة؛ تُعد البوليميرزات ذات أهمية لنسخ الحمض النووي الخلوي، وتستخدم عادة في العمليات المختبرية لإنتاج ملايين النسخ من الحمض النووي.

إقرار تضارب المصالح

يعلن المؤلفون أن البحث قد أُجري في غياب أي علاقات تجارية أو مالية يمكن تفسيرها على أنها تضارب محتمل في المصالح.