المحيط: مهد الحياة

المحيط هو أكبر موئل في العالم؛ إذ تغطي المحيطات 71% من سطح كوكبنا وتحتوي على كمية هائلة للغاية من المياه تبلغ 1.335 مليار كيلومتر مكعب، أي حوالي 97% من إجمالي المياه على الأرض! والمحيط هو أيضًا مهد الحياة؛ فقد ظهرت أشكال الحياة الأولى على الأرض في هذا العالم المائي منذ قرابة 3.9 مليار سنة.

تعيش أنواع كثيرة من الكائنات الحية في المحيط، بدءًا من النباتات والحيوانات وصولًا إلى البكتيريا والفيروسات. ربما تعرف الحيوانات البحرية الكبيرة مثل الحيتان والدلافين والأخطبوط، إلا أن المحيط يحتوي في الواقع على مجموعة كبيرة من الحياة الحيوانية. نشأت أشكال الحياة الأولى على الأرض في المحيط، ثم تطورت لاحقًا لتغزو اليابسة. وتشير حقيقة أن من بين 34 شُعبة حيوانية رئيسية معروفة ثمة شُعبة واحدة فقط موجودة حصريًا على اليابسة (وهي شعبة الأونيكوفورا، التي تضم نوعًا من الديدان له أرجل وملمس مثل المخمل) إلى التاريخ التطوري الطويل للحياة في المحيطات [1]. وليس من المستغرب -بالنظر إلى طول فترة تطور الحياة في المحيط- أن يزخر بتنوع بيولوجي هائل - لا يزال جزء كبير منه غير مستكشف.

تُصنف جميع الحيوانات - سواء التي تعيش في المحيط أو التي تعيش على اليابسة على أنها حقيقي النواة مما يعني أن كل خلية من خلاياها تحتوي على نواة متميزة ووحدات وظيفية أخرى مُحاطة بالأغشية تسمى العضيات. ومع ذلك، فإن الكائنات الحية الأكثر وفرة في المحيط هي بدائي النواة، وهي ميكروبات المحيط التي لا تُرى بالعين المجردة. تشمل بدائيات النوى -وهي كائنات وحيدة الخلية بدون نوى أو عضيات متخصصة- نوعين من الكائنات الحية: البكتيريا، التي ربما تكون قد سمعت عنها، والعتائق، التي قد تكون أقل دراية بها. تشترك البكتيريا والعتائق في العديد من الأشياء، بيد أن إحدى السمات المهمة التي تميز هاتين المجموعتين عن بعضهما البعض هي أن الجدران الخلوية للعديد من البكتيريا تحتوي على مادة تسمى ببتيدوغليكان في حين تفتقر الجدران الخلوية للعتائق إلى هذه المادة تمامًا.

ونحن نعلم أن ثمة أكثر من مليوني نوع من البكتيريا في المحيطات العالمية، إلا أننا ما زلنا لا نعرف الكثير عنها وعن الأنواع الأخرى من ميكروبات المحيطات. ومن الصعب للغاية دراسة هذه الكائنات الحية لأن أكثر من 99% منها لم يُزرع في المختبر!

ما أهمية ميكروبات المحيطات؟

تتنوع الأنواع الفردية من البكتيريا والعتائق تنوعًا مذهلًا، والأهم من ذلك أن لديها العديد من الطرق الفريدة للحصول على الطاقة.

عملية الأيضهي مصطلح يُطلق على التفاعلات الكيميائية المُنتِجة للطاقة داخل معظم الخلايا. تستخدم هذه التفاعلات مصادر ≪الغذاء≫ لإنتاج الطاقة التي تحتاجها الخلايا للنمو والتكاثر والبقاء على قيد الحياة عمومًا. وتستفيد بعض البكتيريا والعتائق من أشعة الشمس في إنتاج الطاقة، بينما تحلِّل أو تحوِّل بعض البكتيريا والعتائق الأخرى المركَّبات التي تحتوي على الكربون أو النيتروجين أو الكبريت، وهي عناصر يمكن أن تؤثر على كيمياء المحيطات وتؤدي أيضًا أدوارًا حيوية في مناخ الأرض المتغير [2, 3].

وعلاوةً على ذلك، يمكن أن تكون ميكروبات المحيطات مصادر للجزيئات التي تضطلع بأدوار رئيسية في التكنولوجيا الحيوية. فقد عُزل -مثلًا- بروتين يُسمى تاك بوليميراز من بكتيريا تنمو في مياه المحيط فائقة الحرارة بالقرب من الفتحات الحرارية المائية، التي تشبه الينابيع الحارة في أعماق البحار. ويُعد هذا البروتين الآن جزءًا مهمًا من اختبار مخبري شائع يسمى تفاعل البوليمراز المتسلسل (PCR)، الذي يُستخدم في العديد من الدراسات العلمية والطبية بما في ذلك الكشف عن متحوّر فيروس كورونا - سارس-2 المُسبب لفيروس كورونا (كوفيد-19).

ومن خلال هذه الأمثلة فقط، يمكنك أن ترى أن ميكروبات المحيطات وخاصةً البكتيريا والعتائق -على الرغم من صغر حجمها- هي من الكائنات المهمة للغاية في المحيطات. والأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أن العديد من الكائنات الحية في المحيطات ووظائفها لم تُكتشف بعد. إذن، كيف يمكننا الحصول على صورة شاملة لجميع الكائنات الحية التي تعيش في المحيط، من حقيقيات النوى إلى أصغر بدائيات النوى وأصعبها في الدراسة؟ كم سيكون الأمر رائعًا إذا استطعنا ببساطة أخذ عينات من المياه أو الرواسب من المحيط وتحليلها بسرعة في المختبر لمعرفة أنواع الكائنات الحية التي تعيش هناك والوظائف التي تؤديها؟ حسنًا، بفضل تقنية جديدة وقوية تُدعى الميتاجينوميات، أصبح بإمكان الباحثين فعل ذلك!

دراسة الجينات لفهم الكائنات الحية

يحتوي كل كائن حي على الحمض النووي الذي يحمل التعليمات - أي الجينات - التي تُشفِّرُ بنية ذلك الكائن الحي ووظيفته. وتُسمى جميع جينات الكائن الحي مُجتمعة الجينوم.

وتتمثل إحدى الطرق الرئيسية التي يدرس بها العلماء جينومات الكائنات الحية (وهو مجال يسمى علم الجينوم) في تحديد التسلسل حمضها النووي. والتسلسل هو تقنية مختبرية تتيح للعلماء ≪قراءة≫ الشفرةالوراثية. ولسنوات عديدة، كان تسلسل الحمض النووي عملية مُعرضة للأخطاء وتستغرق وقتًا طويلًا، ولم يكن بإمكان العلماء سوى تحليل تسلسل أجزاء قصيرة من الحمض النووي في كل تجربة، وكان الأمر يستغرق وقتًا طويلًا للغاية لقراءة جينوم كائن حي. فعلى سبيل المثال، استغرق تحديد تسلسل الجينوم البشري بأكمله -المُسمى مشروع الجينوم البشري- 13 عامًا من العمل الذي اضطلع به العديد من العلماء في 20 مؤسسة في جميع أنحاء العالم [4].

غير أن بعض التطورات التقنية المذهلة في مجال تسلسل الحمض النووي -في العقود الماضية- ساهمت في جعل تسلسل الجينوم الكامل أسرع وأسهل وأقل تكلفة، مما ساهم في ازدهار علم الميتاجينوميات. يعني مقطع ≪ميتا≫ ≪أعلى≫ أو ≪ما وراء≪، لذا، فإن علم الميتاجينوميات هو ≪ما وراء≫ دراسة جينوم كائن حي واحد، أي إنه دراسة المعلومات الوراثية المجمعة من جميع الكائنات الحية الموجودة في عينة من البيئة، مثل الماء أو التربة.

ويستطيع العلماء -باستخدام تقنيات الميتاجينوميات- تحديد تسلسل كل الحمض النووي في عينة من مياه المحيط لتحديد جينوم المحيطات العالمي؛ أي جميع الجينات من جميع الكائنات الحية الموجودة في تلك العينة. ويمكن لهذه المعلومات أن تحيط العلماء علمًا بأنواع الكائنات الحية الموجودة وأنواع الوظائف المهمة بيئيًا التي تؤديها في موائل المحيطات [5]!

قوة علم الميتاجينوميات: ما الكائنات التي تعيش في المحيط وما دورها؟

اضطلعت بعثة سورسير الثانية العالمية لأخذ عينات من المحيطات بإجراء أول دراسة ميتاجينومية للمحيطات، في الفترة من 2003 إلى 2004، حيث حللت مجتمع العوالق البحرية. وعلى مدى السنوات العشر الماضية، أُجريت بعثات استكشافية أخرى، منها بعثة تارا للمحيطات، التي جمعت 243 عينة من 68 موقعًا لأخذ العينات بين عامي 2009 و2013، معظمها من أعالي المحيط. وقد حدد تحليل الميتاجينوميات لهذه العينات 33.3 مليون جين! (في المقابل، يحتوي الجينوم البشري على نحو 30,000 جين - انظر هنا لمزيد من المعلومات.) وقد توسعت الدراسات الإضافية، بما في ذلك بعثة مالاسبينا، وبرنامج يوم أخذ العينات من المحيطات [6]، وسلسلة هاواي الزمنية للمحيطات في هذه النتائج، حيث أخذت عينات من محيطات أخرى، وموائل بحرية محددة، ومياه من أعماق مختلفة.

ومن المهم أن ندرك أن بيئة المحيط ليست متماثلة من السطح إلى قاع المحيط، بل يمكننا تقسيمها إلى أربع مناطق فريدة متميزة، على النحو الموضح في الشكل 1A. وقد دمجنا -في بحثنا- الكم الهائل من بيانات الميتاجينوم المُستقاة من 2112 عينة من المحيطات جُمعت من دراسات سابقة متعددة (الشكلان 1B, C)، لإنشاء ≪فهرس≫ كامل لجينوم المحيطات العالمي، يُسمى فهرس KMAP العالمي لجينات المحيط 1.0. يحتوي هذا الفهرس على كمية مذهلة من المعلومات تعادل 317.5 مليون مجموعة جينية (مجموعات من الجينات المتشابهة المُجمعة معًا حسب الوظيفة)، نصفها تقريبًا مُصنَّف، أي صُنف وفقًا لنوع الكائن الحي الذي تنتمي إليه المجموعة ووظائف البروتينات التي تُشفِّرها.

البكتيريا: القوى المؤثرة في المحيط

بالتركيز على مجموعات الجينات المُصنفة - تلك التي يمكننا ربطها بنوع معين من الكائنات الحية والتي لدينا معلومات وظيفية عنها - تبين لنا أن 78.34% من الجينات المُصنفة في جميع عينات المحيطات، كانت من البكتيريا، تليها حقيقيات النوى (12.16%) ثم العتائق (6.05%) والفيروسات (3.44%) (الشكل 2A). وكانت جينات البكتيريا هي المهيمنة في جميع مناطق العمق، ومع ذلك، لم تكن جينات هذه الأنواع الأربعة الرئيسية من الكائنات الحية في المحيطات مُوزعة بالتساوي في جميع المناطق؛ فقد احتوى النطاق القاعي ومناطق الأعماق المختلفة في المنطقة المفتوحة على نسب مختلفة من كل نوع من الكائنات الحية (الشكل 2B).

وهذا ليس مفاجئًا نظرًا لاختلاف الظروف في مناطق الأعماق، خاصةً من حيث كمية الضوء المتاحة، مما يؤدي إلى تكوين مجموعة متنوعة من المكامن الإيكولوجية الفريدة التي يمكن أن تزدهر فيها أنواع محددة من الكائنات الحية.

عملية الأيض لدى الميكروبات وتأثيرها على مناخ الأرض

تحافظ عملية الأيض لدى الميكروبات على صحة المحيطات من خلال التحكم في تدفق العناصر الغذائية والطاقة.

وكما ذكرنا سابقًا، تؤثر بعض عمليات الأيض لدى الميكروبات على دورة العناصر -مثل الكربون- التي يمكن أن تؤثر على مناخ الأرض. ونظرًا لأهمية عملية الأيض لدى الميكروبات، فقد ألقينا نظرة متعمقة على الجينات المرتبطة بعملية الأيض في فهرسنا. ففي العينات المأخوذة من النطاق القاعي، شاركت 41.3% من المجموعات الجينية المُصنفة في عمليات الأيض، مقارنةً بـ 25% فقط من المجموعات الجينية من المجتمعات البحرية المفتوحة. يشير هذا إلى أن ثمة العديد من العمليات الحيوية التي تشهدها هذه المنطقة من المحيط، والتي غالبًا ما تكون مهملة ولا تحظى بالدراسة الكافية!

عندما فرزنا الجينات المُصنفة المرتبطة بعملية الأيض الموجودة في جميع عينات المحيط حسب المواد المُستَقلَبة، تبين لنا أن 50% من تلك الجينات شاركت في شكل من أشكال الأيض المرتبط بالكربون (الشكل 3). وتُعد الجزيئات التي تحتوي على الكربون -مثل ثاني أكسيد الكربون (CO₂) والميثان (CH₄)- من غازات الدفيئة التي تساهم في الاحترار العالمي. وتستطيع بعض البكتيريا والطحالب استخدام عملية البناء الضوئي لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى كربوهيدرات، مُستعينةً بضوء الشمس، ومن ثمّ إزالة ثاني أكسيد الكربون (CO₂) من الغلاف الجوي. بيد أن عملية البناء الضوئي ليست المسار الوحيد الذي تستخدمه الكائنات الحية في المحيطات لاستقلاب\أيض الكربون!

فلا تحتاج مسارات استقلاب الميثان -مثلًا- إلى الضوء ويمكن أن تعمل في أعماق المحيطات والنطاق القاعي، حيث لا يصل الضوء. وقد اكتُشفت بعض هذه المسارات مؤخرًا ولا يزال أمام العلماء الكثير ليتعلموه عنها.

هل علم الميتاجينوميات هو مستقبل أبحاث المحيطات؟

يتألف فهرس KMAP العالمي لجينات المحيط 1.0 من نحو 163 مليون مجموعة جينية مُصنفة تزودنا بكمية غير عادية من المعلومات حول أنواع الكائنات الحية التي تعيش في أعماق مختلفة من المحيط والوظائف التي تؤديها. ويتجاوز جينوم المحيطات العالمي كونه مجرد فهرس بسيط للكائنات الحية العديدة التي تعيش فيه ووظائفها؛ فهو يعمِّق فهمنا للمحيط ويوفر لنا ≪خط أساس≫ لتقييم آثار الأنشطة البشرية التي يمكن أن تخل بالتوازن الدقيق للمحيط، مثل التلوث والإفراط في الصيد والتعدين في المحيطات.

ويجري تسلسل جينوم المحيطات العالمي ودراسته منذ فترة، إلا أن ثمة عاملين حدّا من حجم تلك الدراسات، هما التكنولوجيا والتكلفة. وقد أسفرت الإنجازات الحديثة في تقنيات التسلسل عن أنظمة أسرع وأدق وأكثر قابلية للحمل [7].

وتُعد قابلية الحمل ذات أهمية خاصة لعلماء البحار لأن الأنظمة المحمولة يمكن استخدامها على متن سفن الأبحاث التي تجوب المحيطات. كما أدت هذه التطورات في تكنولوجيا التسلسل إلى خفض تكلفتها إلى حد كبير. ففي الماضي، كان العلماء مضطرين لطرح أسئلة محدودة واختيار تجارب التسلسل التي سيجرونها بعناية بسبب التكلفة الباهظة لهذه الأبحاث. واليوم، وبفضل تكنولوجيا التسلسل الحديثة وغير المكلفة، بات جمع بيانات الجينوم على نطاق لم يسبق له مثيل أمرًا سهلًا نسبيًا. ويمكن أن تساعد هذه البيانات العلماء في الإجابة عن أسئلة حول النطاق الهائل من خدمات النظام البيئي التي توفرها الكائنات الحية في المحيطات للحفاظ على صحة كوكبنا وصحتنا نحن أيضًا.

هل لديك أسئلة عن الكائنات الحية في المحيطات ووظائفها؟ ربما توفر الدراسات الميتاجينومية المستقبلية لجينوم المحيطات العالمي إجابات عليها!

مسرد للمصطلحات

حقيقي النواة (Eukaryote): ↑ هو كائن حيّ تحتوي خلاياه على نواة ووحدات وظيفية أخرى مُحاطة بغشاء تُسمَّى العُضَيَّات. وتُعد الحيوانات والنباتات والفطريات أمثلة على حقيقيات النوى.

بدائي النواة (Prokaryote): ↑ هو كائن حي وحيد الخلية لا يحتوي على نواة أو عضيات مميزة، والبكتيريا والعتائق من بدائيات النوى.

ببتيدوغليكان(Peptidoglycan): ↑ هي مادة تُشكّل جدران خلايا العديد من البكتيريا.ولا توجد الببتيدوغليكانات في الجدران الخلوية للعتائق.

عملية الأيض (Metabolism): ↑ هي التفاعلات الكيميائية داخل الخلايا التي تحول ≪الغذاء≫ إلى طاقة.

الجينوم (Genome): ↑ هو مجموعة تضم جميع جينات الكائن الحي.

التسلسل (Sequencing): ↑ هو تقنية مختبرية تسمح للعلماء بـ≪قراءة≫ الشفرة الوراثية، سواء على شكل مقاطع صغيرة أو جينوم الكائن الحي بأكمله.

علم الميتاجينوميات (Metagenomics): ↑ هو دراسة جينومات جميع الكائنات الحية في عينة معينة، مثل عينة من مياه المحيط أو الكائنات الموجودة على جلد الإنسان.

مُصنَّف (Annotated): ↑ أي مُصنف وفقًا لنوع الكائن الحي الذي تنتمي إليه الجينات ووظائف البروتينات التي تُشفِّرها.

غازات الدفيئة (Greenhouse gases): ↑ هي الغازات الموجودة في الغلاف الجوي للأرض التي تحتجز حرارة الشمس، مما يمنعها من التبدد إلى الفضاء.

الاحترار العالمي (Global warming): ↑ هو ارتفاع متوسط درجة حرارة الأرض الناجم عن غازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي.

شكر وتقدير

تلقى هذا البحث الدعم من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية من خلال تمويل تنافسيّ للمراكز قُدِّم إلى مركز أبحاث العلوم البيولوجية الحاسوبية. وشاركت في كتابته سوزان ديباد الحاصلة على درجة الدكتوراة وخريجة كلية الدراسات العليا في العلوم الطبية الحيوية بجامعة ماساتشوستس (الولايات المتحدة الأمريكية) وكاتبة/محررة علمية في شركة إس جي دي للاستشارات ذ.م.م.

إفصاح أدوات الذكاء الاصطناعي

تم إنشاء النص البديل (alt text) المرفق بالأشكال في هذه المقالة بواسطة ''فرونتيرز'' (Frontiers) وبدعم من الذكاء الاصطناعي، مع بذل جهود معقولة لضمان دقته، بما يشمل مراجعته من قبل المؤلفين حيثما كان ذلك ممكناً. في حال تحديدكم لأي خطأ، نرجو منكم التواصل معنا.

إقرار تضارب المصالح

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