תַקצִיר
כוכב מאדים של ימינו הוא סביבה יבֵשה ואכזרית, ללא מים על פני השטח. אולם לפני מיליוני שנים, ייתכן שזו הייתה סביבה עשירה במים, כמו כדור הארץ. מדענים מאמינים כי כאשר כוכב מאדים איבד מים, המים הנותרים הפכו יותר ויותר מלוחים ועשירים בגופרית. חקירַת סביבות על פני כדור הארץ שהן בעלוֹת מאפיינים כימיים דומים, מאפשרת לנו לפתֵּח השׁערות לגבי התקיימות חיים במאדים. במחקר שלנו, חקרנו את קאלר פיק (Colour Peak) – מערכת מעיינות של מים מלוחים ועשירים בגופרית, הנמצאת בצפון הָאַרְכִיפֶּלָג הָאַרְקְטִי הקנדי. בסביבה זו חיים חיידקים המשתמשים בגופרית כמקור אנרגיה. באמצעות חקירת דגימות של מים ומשקעים מאזור זה, הצלחנו לאשר כי חיידקים המשתמשים בגופרית כמקור אנרגיה היו יכולים, פוטנציאלית, לִחיות על מאדים. מדענים שעוסקים בניתוח המידע המתקבל ממשימות במאדים יכולים להיעזר בתוצאות הללו כדי לזהות רְאָיוֹת לקיומם של חיים קדומים על כוכב זה.
המים של מאדים
כל היצורים החיים זקוקים למים. מאז 1971, תשע גָּשׁוֹשִׁיּוֹת (חלליות מחקר בלתי מאוישות) נחתו על מאדים בהצלחה, ונכון לזמן כתיבת מאמר זה, ישנם 14 לוויינים שחגים סביב הכוכב. נכון להיום, באף אחת מהמשימות הללו לא נמצאו רְאָיות למים או לקיום חיים על פני השטח. עם זה במסגרת משימות אלה התגלו על פני מאדים תצורות שטח (כמו אגני נהרות), וכן מינרלים וסלעים סופחי מים (כמו חֵמָר), אשר עשויים להוות הוכחה להימצאוּת מים [1]. מדענים מאמינים כי לפני מיליארדי שנים, היו מים על מאדים.
כוכב מאדים איבד את המים שהיו עליו בעקבות איבוד חלְקִי של האטמוספרה שלו, אך הודות למידע שנאסף במשימות המחקר, למדענים יש מושג מה היו התנאים הסביבתיים על מאדים כשהכוכב היה צעיר. המדענים סבורים שכאשר המים התחילו להתאדות, הם הפכו מלוחים (לפחות פי שניים ממֵי הים בכדור הארץ), ועשירים בגופרית, במיוחד בתצורה של סוּלְפִיד. זהו הכימיקל הנותן את הריח בביצים סרוּחוֹת! אנו גם יודעים כי יסודות הבסיס הדרושים לחיים על כדור הארץ (פחמן, מימן, חנקן, חמצן, זרחן וגופרית; או בקיצור של ראשי התיבות שלהם באנגלית – CHNOPS), זוהו כולם באבנים ובסוגי אדמה על מאדים.
אם התקיימו פעם חיים במאדים, אזי הם התרחשו בתוך גופי מים או לידם, וייתכן כי האורגניזמים הפוטנציאליים תושבי מאדים, הותירו עדויות לקיומם. לפני שאנו שולחים משימות מחקר למאדים כדי לחפש אחר סימני חיים, מוטב שיהיה לנו מושג איזה סוג של סימנים עלינו לחפש. חשוב להתכונן, משום ששיגור משימת מחקר למאדים הוא דבר מורכב ויקר להפליא. כצעד ראשון בהכנות, המדענים חוקרים את הסביבות בכדור הארץ שבהן הכימיה של המים דומה לזו של כוכב מאדים הקדום. אין סביבה זהה לגמרי על פני כדור הארץ, אך ישנן סביבות רבות הדומות מספיק כדי לעזור לנו לפתֵּח הבנה של המים על פני מאדים, ואם חיים יכלו אי פעם להתקיים על הכוכב.
מחקר סביבות חיים דומות למאדים בכדור הארץ
אחת הסביבות הללו היא מערכת המעיינות קאלר פיק שבאי אַקְסֵל הָיְיבֶּרְג, בצפון הארכיפלג הארקטי הקנדי (איור 1), שבה המים מלוחים מאוד ועשירים בגופרית. טמפרטורת האוויר הממוצעת בקאלר פיק עומדת על (20-) מעלות צלזיוס. בחורף, הטמפרטורה יכולה להגיע ל-(40-) מעלות, אך מֵי המעיינות לעולם לא קופאים, כיוון שיש בהם אחוזי מלח גבוהים (בדומה לפיזור מלח על כבישים כדי שקרח לא יצטבר עליהם) [2, 3]. אספנו דגימות משקעים ומים מקאלר פיק, ואִחסַנּו אותם בטמפרטורה נמוכה עד הגיעם למעבדה באנגליה.
- איור 1 - האי אקסל הייברג ומעיינות קאלר פיק.
- (A) מפה של האי אקסל הייברג. הצבע החום מייצג את היבשה, והצבע הלבן מייצג את כיפות הקרח. מעיינות קאלר פיק מיוצגים על ידי כוכב, והנקודות האדומות מסמנות שני מעיינות מלוחים נוספים. (B) תמונה של קאלר פיק עם תוויות המציגות את מקורות המעיינות. המפה נוצרה על ידי שינוי תמונה מ-Google Maps (Map Data @2020 Google) בעזרת התוכנה Illustrator Creative Cloud version 21.0.2. תמונות אלה הן עיבוד מ Macey et al., [3], תחת רישיון creative commons 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
ניתחנו את ההרכּב הכימי של המים ממעיינות קאלר פיק באמצעות שיטה המכונה סְפֵּקְטְרוֹסְקוֹפִּיַית פליטה אופטית של פְּלַזְמָה מצוּמדת אינדוּקטיבית (ICP-OES). בטכניקה זו, מחממים מים כדי ליצור פלזמה (גז חם מאוד וטעון חשמלית), ומזהים צבעים מסוימים של אור שכֹּל אלמנט במים פולט. בהתבסס על נתונים גיאולוגיים מפני השטח של מאדים שנאספו באמצעות הגָּשוֹשִית קִיוּרִיוֹסִיטִי של נאס''א (סוכנות החלל של ארה''ב), השתמשנו בתוכנת מחשב ליצירת מודֶל ההרכּב הכימי של המים הקדומים במאדים [4]. הרכּב המים המשוערים במאדים היה דומה להפליא להרכב המים שנדגמו מקאלר פיק. המשמעות היא שהחיידקים החיים במעיינות קאלר פיק שורדים וגדֵלים בתנאים כמו אלה שאולי התקיימו פעם במאדים.
אֵילוּ חיים מתקיימים במי קאלר פיק?
זיהינו את החיידקים שחיים במעיינות קאלר פיק, על ידי בחינת החומצה הדֵאוֹקְסִירִיבּוֹנוּקְלֵאִית (DNA, דנ''א) שלהם. הסליל הכפול של הדנ''א מכיל את הקוד הגנטי אשר מורֶה לתאים לייצר סוגים רבים של חלבונים, ומווסת את שימושי החלבונים הללו בתפקודים התאיים. ישנוֹ גֶּן מרכזי אחד שמסייע לנו לזהות את החיידקים החיים בסביבה מסוימת: גן 16S rRNA. גן זה, הקיים אצל כל החיידקים בשינויים קלים, ממלא תפקיד מרכזי בשכפול תא החיידק ובגדילתו. כשאנו חוקרים אותו בסביבה כלשהי, ביכולתנו לזהות סוגים שונים של חיידקים שחיים בה.
לפני שהתאפשר לנו לחקור את הגֶּן, תחילה היה עלינו לְמַצּוֹת את הדנ''א מהחיידקים הנמצאים בדגימות שלנו. כדי לעשות זאת, נאלצנו להתגבר על שתי בעיות עיקריות. ראשית, הדרך הרגילה למצּוֹת דנ''א מתוך חיידקים היא להשתמש בכימיקלים כדי לפרוץ את התאים כך שיישאר רק הדנ''א. ריכוז המלח הגבוה במֵי קאלר פיק גרם לכמה מהכימיקלים הללו להגיב בדרכים מוזרות, ומשמעות הדבר הייתה שלא יכולנו לאסוף דנ''א כלל. שנית, כיוון שמֵי קאלר פיק קרים ומלוחים, הדנ''א מחיידקים שהתפוצצו ומתו לפני אלפי שנים השתמר, ולא הצלחנו להבדיל בין דנ''א של חיידקים שמתו מזמן, לבין זה של החיידקים החיים [5].
כדי להתגבר על הבעיה הראשונה, שטפנו את הדגימות במים טהורים במיוחד, במטרה לנקות את המלח מהחיידקים. כדי לפתור את הבעיה השנייה, חקרנו את החומצה הריבונוקלאית (RNA, רנ''א) נוסף על הדנ''א. רנ''א הוא עותק סליל אחד של דנ''א (המורכב משני סלילים), שהתא קורא כדי לייצר חלבונים. רנ''א מתפרק במהירות רבה, אפילו בתנאי קור ומליחוּת גבוהה. לכן, חיפוש גן 16S rRNA ברנ''א כמו גם בדנ''א, סייע לנו לדעת אֵילוּ חיידקים היו חיים בזמן איסוף הדגימות. בשימוש בגישה זו, חשפנו במחקרנו כי רוב החיידקים החיים בקאלר פיק שייכים לקבוצה המכונה חיידקים מְחַמְצְנֵי- גופרית (SOB) [3].
מהי משמעות התוצאות הללו מבחינת מאדים?
חיידקים מחמצני-גופרית משתמשים בגופרית כמקור אנרגיה. בהתחשב בכמות הגופרית הרבָּה במֵי קאלר פיק, מתקבל על הדעת שזו דרך מוצלחת לִחיות בסביבה שכזו. המים על כוכב מאדים הקדום ודאי הכילו אף הם כמויות גדולות של גופרית, ומכך משתמע כי מקור האנרגיה העיקרי של החיידקים מחמצני-הגופרית היה זמין עבורם. כמו צמחים, חיידקים מחמצני-גופרית רבים משיגים את הפחמן אשר לו הם זקוקים על ידי לכידתו מפחמן דו-חמצני המצוי באוויר. תהליך זה נקרא אוֹטוֹטְרוֹפִיה. אוטוטרופיה עשויה להיות אסטרטגיה טובה גם על מאדים, הודות לכמות הגדולה של פחמן דו-חמצני הקיים באטמוספרה של כוכב זה [95,000 חלקים למיליון (ppm), בהשוואה ל-415 חלקים למיליון בכדור הארץ]. ישנם חיידקים מחמצני- גופרית שמסוגלים לגדול ללא חמצן (המצוי בכמות מועטה מאוד במאדים). במקום זאת, הם יכולים להשתמש בכימיקלים מבוססי-חנקן המכונים נִיטְרָאטִים, אשר זוהו בסלעים במאדים (איור 2) [6].
- איור 2 - הצעה למקורות של יסודות החיוניים לחיים (CHNOPS) עבור החיידקים מחמצני-הגופרית, במעיינות קאלר פיק ובסביבות המים האפשריות במאדים.
- נוכחוּת היסודות במשקעים (Elements detected in sediments), וריכוזי הפחמן הדו-חמצני (2CO) והחמצן (2O) באטמוספרה (Atmosphere) מתבססים על נתונים ממחקרים על אודות הסביבה בקאלר פיק, או על מידע ממשימות על פני השטח של מאדים [6, 7]. התמונות הללו הן עיבוד מ- Macey et al., [3], תחת רישיון creative commons 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Water = מים;
Sediment = משקע;
Sulphur Oxidising Bacteria = חיידקים מחמצני-גופרית.
לאחר שהראינו כי חיידקים מחמצני-גופרית יכולים לשגשג במי קאלר פיק, ובידיעה כי כל היסודות הבסיסיים (CHNOPS) הנחוצים לגדילה נוכחים, חקרנו אם מוֹדֶל מֵי-מאדים שיצרנו אכן יצביע על האפשרות שחיידקים יִגדלו שָׁם. זה חשוב, מאחר שפרט לכך שחיידקים מחמצני-גופרית זקוקים ליסודות מסוימים, הם גם צריכים לייצר מספיק אנרגיה כדי לגדול. אם אנו יודעים מהו הריכוז של יסוד מסוים, ביכולתנו לחשֵּׁב אם יש כמות מַספקת מיסוֹד זה כדי לייצר את האנרגיה אשר לה החיידקים זקוקים. המשוואה המשמשת לחישוב האנרגיה נקראת משוואת האנרגיה של גִיבְּס , שאותה פיתח המדען האמריקאי וִילַארְד גִיבְּס [8]. בעזרת משוואה זו ביכולתנו לקבוע כי לא זו בלבד שהחיידקים ייצרו מספיק אנרגיה כדי לגדול, אלא אף כי זהו סוג החיידקים היחיד שיכול לגדול במים בעלי תכונות מסוימות כאלו. באיור 3 תוכלו להתרשם ממערך המחקר שערכנו.
- איור 3 - שלבי המחקר.
- מקרא צבעים: עבודת שדה – לבן; שלבים מיקרוביולוגיים – צהוב; שלבים כימיים – כתום; המחקר שהתמקד במאדים – אדום.
מקרא תוכן (מלמעלה למטה ומשמאל לימין): (לבן) נסיעה לאי אקסל הייברג – (לבן) איסוף דגימות מים ומשקעים ממעיינות קאלר פיק – (אדום) יצירת מוֹדל של מֵי מאדים באמצעות תוכנת מחשב – (כתום) חוקרים את הרכּב המים והמשקעים באמצעות ספקטרוסקופיית פליטה אופטית של פלזמה מצומדת אינדוקטיבית (OES-ICP) – (צהוב) ממצים דנ''א מהחיידקים שבמשקעים – (צהוב) ממצים רנ''א מהחיידקים שבמשקעים – (אדום) עורכים השוואה בין ההרכּב הכימי של מֵי מאדים לבין זה של מֵי קאלר פיק – (צהוב) מזהים את החיידקים שבמשקעים על ידי ריצוף הגֶּן rRNA S16 – (אדום) משתמשים במשוואת האנרגיה של גיבס כדי לבדוק אם מיקרואורגניזמים ממעיינות קאלר פיק היו יכולים לגדול בסביבה בעלת הרכּב כימי כמו שיש במאדים.
זוהי תוצאה מלהיבה מאוד, משום שבתהליך הגדילה שלהם, חיידקים מחמצני-גופרית משנים את הכימיה של סביבתם המיידית. הדבר מספֵּק רְאָיות להתקיימות חיים, בכלל זה היווצרות והצטברות של כימיקלים ומינרלים מסוימים, היכולים לשמֵּש הוכחה לחיים הרבה אחרי שהחיידקים מתו [9, 10]. אם חיידקים כמו אלה מחמצני-הגופרית גדלו פעם במאדים, ייתכן שהם הותירו אחריהם במאדים ראיות דומות לאלה שהם מותירים אחריהם בכדור הארץ.
העתיד
חקרנו סביבה מסוימת בכדור הארץ (מֵי המעיינות המלוחים והעשירים בגופרית של קאלר פיק), הנחשבת דומה לסביבות שהתקיימו בכוכב מאדים הקדום (לפני 3.7-4.1 מיליארד שנים). ממחקר זה, הצלחנו להבין טוב יותר אֵילוּ סוגים של יצורים חיים יכלו לשרוד במאדים. על ידי שילוב של מיקרוביולוגיה, כימיה ויצירת מודלים, הראינו כי חיידקים מחמצני-גופרית משגשגים במֵי המעיינות הארקטיים הללו, ולכן, היו יכולים, פוטנציאלית, להתקיים במאדים הקדום.
בעודנו כותבים מאמר זה, שתי גָּשׁוֹשִׁיּוֹת (פֵּרְסֵבִירֵנְס של נאס''א ו-טְיָאנְוֶון-1 של מִנהל החלל הסיני), נחתו לאחרונה על מאדים. ייקח שנים רבות להבין את המידע שהגשושיות אוספות, ולקבוע אם אכן התקיימו חיים במאדים. זהו תהליך שיושלם על ידי הדורות הבאים של חוקרים צעירים. אנו נרגשים לחשוב כי עבודתנו והשיטות שלנו יתְרמו להתמודדות עם אחת השאלות הגדולות ביותר של זמננו: האם אנו לבד ביקום?
מילון מונחים
CHONPS: ↑ קיצור לשמותיהם באנגלית של היסודות: פחמן, מימן, חמצן, חנקן, זרחן וגופרית. אלה נחשבים יסודות הבסיס לחיים, כיוון שהם מהווים %98 בקירוב מכלל המולקולות בתאים חיים.
ספקטרוסקופיית פליטה אופטית של פלזמה מצומדת אינדוקטיבית [Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES)]: ↑ שיטה מדעית שבה הופכים מים לפלזמה על ידי חימום (גז חם וטעון חשמלית), ומזהים את צבעי האור שכל יסוד פולט במים.
גן 16S rRNA (16S rRNA Gene): ↑ גֶּן זה ממלא תפקיד בתהליכי גדילת התא ושכפולו. הוא קיים בצורה דומה בכל החיידקים. ניתן לזהות את החיידק המסוים על ידי הבדלים ברצף הגנטי.
חיידקים מחמצני-גופרית (Sulphur Oxidising Bacteria): ↑ סוג של חיידקים המשתמשים בגופרית כמקור אנרגיה.
אוֹטוֹטְרוֹפִיה (Autotrophy): ↑ תהליך היצירה של תרכובות מורכבות (כלומר, אבני הבניין המרכיבות את התאים), מֵרְכִיבִים פשוטים (כמו למשל פחמן דו-חמצני – CO2).
משוואת האנרגיה של גִיבְּס (Gibbs Energy Equation): ↑ ניתן להשתמש במשוואה זו כדי לחשב כמה אנרגיה תייצר תגובה כימית מסוימת.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
מאמר המקור
↑ Macey, M. C., Fox-Powell, M., Ramkissoon, N. K., Stephens, B. P., Barton, T., Schwenzer, S. P., et al. 2020. The identification of sulfide oxidation as a potential metabolism driving primary production on late noachian mars. Sci Rep. 10:10941. doi: 10.1038/s41598-020-67815-8
מקורות
[1] ↑ Carr, M. H., and Head, J. W. 2010. Geologic history of Mars. Earth Planet Sci Lett. 294:185–203. doi: 10.1016/j.epsl.2009.06.042
[2] ↑ Perreault, N. N., Andersen, D. T., Pollard, W. H., Greer, C. W., and Whyte, L. G. 2007. Characterization of the prokaryotic diversity in cold saline perennial springs of the Canadian high arctic. Appl Environ Microbiol. 73:1532–43. doi: 10.1128/AEM.01729-06
[3] ↑ Macey, M. C., Fox-Powell, M., Ramkissoon, N. K., Stephens, B. P., Barton, T., Schwenzer, S. P., et al. 2020. The identification of sulfide oxidation as a potential metabolism driving primary production on late noachian mars. Sci Rep. 10:10941. doi: 10.1038/s41598-020-67815-8
[4] ↑ Bridges, J. C., and Schwenzer, S. P. 2012. The nakhlite hydrothermal brine on Mars. Earth Planet Sci Lett. 359–60:117–23. doi: 10.1016/j.epsl.2012.09.044
[5] ↑ Willerslev, E., Hansen, A. J., Rønn, R., Brand, T. B., Barnes, I., Wiuf, C., et al. 2004. Long-term persistence of bacterial DNA. Curr Biol. 14:13–4. doi: 10.1016/j.cub.2003.12.012
[6] ↑ Stern, J. C., Sutter, B., Freissinet, C., Navarro-González, R., McKay, C. P., Archer, P. D., et al. 2015. Evidence for indigenous nitrogen in sedimentary and aeolian deposits from the Curiosity rover investigations at Gale crater, Mars. Proc Natl Acad Sci USA. 112:4245–50. doi: 10.1073/pnas.1420932112
[7] ↑ Mahaffy, P. R., Webster, C. R., Atreya, S. K., Franz, H., Wong, M., Conrad, P. G., et al. 2013. Abundance and isotopic compoisition of gases in the Martian atmosphere from the Curiosity rover. Science. 341:263–6. doi: 10.1126/science.1237966
[8] ↑ McCollom, T. M. 2007. Geochemical constraints on sources of metabolic energy for chemolithoautotrophy in ultramafic-hosted deep-sea hydrothermal systems. Astrobiology. 7:933–50. doi: 10.1089/ast.2006.0119
[9] ↑ Battler, M. M., Osinski, G. R., and Banerjee, N. R. 2013. Mineralogy of saline perennial cold springs on axel Heiberg Island, Nunavut, Canada and implications for spring deposits on Mars. Icarus. 224:364–81. doi: 10.1016/j.icarus.2012.08.031
[10] ↑ Pellerin, A., Antler, G., Holm, S. A., Findlay, A. J., Crockford, P. W., Turchyn, A. V., et al. 2019. Large sulfur isotope fractionation by bacterial sulfide oxidation. Sci Adv. 5:eaaw1480. doi: 10.1126/sciadv.aaw1480