9 دقیقه
یک ریزجاندار کوچک، نقشِ بزرگ
کوچک‌ترین میکروب فوتوسنتزکننده اقیانوس، پروکلوروکوکوس (Prochlorococcus)، برای تولید زیستی دریایی و چرخهٔ جهانی کربن حیاتی است—اما پژوهشهای جدید میدانی نشان میدهد که گرم شدن دریاها ممکن است این میکروب را فراتر از حد حرارتی قابل تحملش ببرد. دانشمندانی که پروکلوروکوکوس را در طی ده‌ها هزار مایل از اقیانوس پیگیری کردند دریافتند که این سیانوباکتری‌ها فقط در یک بازهٔ دمایی نسبتاً باریک رونق می‌گیرند. ادامهٔ گرمایش اقیانوس میتواند جمعیت‌های آنها در مناطق گرمسیری را بهطور چشمگیری کاهش دهد و اثرات زنجیره‌ای بر شبکهٔ غذایی دریایی و توان اقیانوس در جذب و ذخیرهٔ کربن به‌دنبال داشته باشد.
نیروگاه‌های میکروسکوپی اقیانوس
پروکلوروکوکوس‌ها تک‌سلولی‌های سیانوباکتری هستند که گاهی «جلبک‌های آبی-سبز» خوانده می‌شوند و در لایهٔ روشن (فوتیک) بسیاری از دریاهای گرمسیری و نیمه‌گرمسیری غالب‌اند. هر سلول به‌تنهایی تنها حدود 0.5 میکرومتر قطر دارد، اما بهصورت جمعی پروکلوروکوکوس حدود 5٪ از کلیهٔ فوتوسنتز زمین را انجام میدهد و شبکههای غذایی را از چرندگان ریز تا ماهی‌ها و پستانداران دریایی بزرگ پشتیبانی می‌کند—که نشان‌دهندهٔ نقش کلیدی آن در ریزجانداران دریایی و چرخهٔ کربن دریایی است.
این تصویر که با میکروسکوپ الکترونی ثبت شده، سلول‌های منفرد پروکلوروکوکوس را نشان میدهد. هر لکه یک میکروب است که تنها 500 نانومتر قطر دارد. برای مقایسه، عرض یک تار موی انسان حدود 100,000 نانومتر است. اعتبار عکس: Natalie Kellogg/University of Washington
دهه‌ها پژوهشگران تصور می‌کردند چون پروکلوروکوکوس در آب‌های گرم و کم‌مغذی رشد می‌کند، در برابر گرمایش ناشی از تغییرات اقلیمی مقاوم خواهد بود. مشاهدات جدید این فرض را به چالش می‌کشند: تقسیم سلولی و فراوانی پروکلوروکوکوس در یک بازهٔ دمایی نسبتاً باریک به اوج می‌رسد—حدود 66° تا 84° فارنهایت (تقریباً 19–29 °C)—و بالاتر از حدود 86°F (≈30 °C) به‌شدت کاهش مییابد. اگر دمای سطح دریا در مناطق گرمسیری بیشتر اوقات از این آستانه‌ها فراتر رود، جمعیت‌های پروکلوروکوکوس می‌توانند به‌طرز قابل‌توجهی افت کنند.
کمپین‌های میدانی و روش‌ها: SeaFlow و نمونه‌گیری جهانی
برای آزمودن عملکرد پروکلوروکوکوس در زیستگاه طبیعی‌اش، پژوهشگرانی به سرپرستی فرانسوا ریبالِه از دانشگاه واشینگتن سامانه‌ای جریانپیوستهٔ سیتومتر به نام SeaFlow را بر روی کشتیهای تحقیقاتی نصب کردند. در طول یک دههٔ گذشته، تیم حدوداً 100 دریانوردی پژوهشی انجام داد، نزدیک به 150,000 مایل اقیانوس را نمونه‌برداری کرد و در حدود 800 میلیارد ذره در اندازهٔ پروکلوروکوکوس را شناسایی نمود.
با استفاده از SeaFlow، دانشمندان آب دریا را از دستگاهی مبتنی بر لیزر عبور می‌دهند که اندازهٔ سلول، فلورسانس و فراوانی را در تقریباً زمان واقعی اندازهگیری می‌کند. این اندازه‌گیری‌های در محل اجازه میدهد پژوهشگران تقسیم سلولی و دینامیک جمعیت را بدون تکیهٔ صرف بر کشت‌های آزمایشگاهی دنبال کنند، چرا که کشت‌های آزمایشگاهی ممکن است تنوع محیطی طبیعی را بازنمود نکنند.
با ترکیب شمارش‌های SeaFlow با دادههای دما، نور و مواد مغذی، تیم مدلهای آماری ساخت تا عوامل اصلی محیطی مؤثر بر رشد پروکلوروکوکوس را شناسایی کند. پس از کنار گذاشتن غلظت مواد مغذی و سطح نور به‌عنوان کنترل‌کننده‌های غالب در سراسر ترانزکت‌های نمونه‌برداری‌شده، آنها دما را به‌عنوان عامل تعیین‌کنندهٔ نرخ رشد و الگوهای فراوانی شناسایی کردند.
حساسیت به دما و محدودیت‌های فیزیولوژیکی
تحلیل‌ها الگوی روشنی را نشان داد: پروکلوروکوکوس در دماهای معتدل و گرم (حدود 66–84°F) سریع‌ترین تقسیم را دارد، اما نرخ تقسیم به‌طرز چشمگیری بالاتر از حدود 86°F کاهش مییابد. در آن دماهای بالاتر، نرخ تقسیم سلولی به حدود یک‌سوم نرخ اوج مشاهده‌شده در نزدیکی 66°F افت کرد. الگوهای فراوانی بازتاب‌دهندهٔ نرخ‌های تقسیم بودند، که نشان میدهد آب‌های سطحی گرم‌تر می‌توانند هم ذخایر ایستاده و هم تولید زیستی را کاهش دهند.
این محدودیت‌ها بازتابِ مصالحه‌های تکاملی‌اند. طی میلیون‌ها سال، پروکلوروکوکوس ژنوم خود را برای رشد در آب‌های گرمسیری کم‌مغذی و نسبتاً پایدار ساده‌سازی کرده—بسیاری از ژن‌هایی که برای آن سبک زندگی ضروری نبودند را از دست داده است. این مینیمالیسم ژنومی کارآمدی می‌آفریند اما ابزارهای سلولی محدودی برای پاسخ به استرس حرارتی باقی می‌گذارد. همان‌طور که فرانسوا ریبالِه اشاره می‌کند، «دمای سوختگی آنها بسیار پایین‌تر از چیزی است که فکر می‌کردیم.»
پیامدهای بوم‌شناختی: احتمال بازساخت ساختار شبکه غذایی دریایی
پروکلوروکوکوس بخش بزرگی از شبکهٔ غذایی اوشن باز را تأمین می‌کند؛ کاهش در تولید آن به‌معنای تثبیت کمتر کربن اولیه در پایهٔ اکوسیستمهای گرمسیری است. ریبالِه توضیح داد که در گرم‌ترین نواحی «کربن کمتری خواهد بود—غذای کمتری برای بقیهٔ شبکهٔ غذایی دریایی.»
سیانوباکتری‌های رقیبی مانند Synechococcus ممکن است تا حدی جای خالی ایجادشده توسط پروکلوروکوکوس را پر کنند. Synechococcus بهطور معمول دمای بالاتر را بهتر تحمل می‌کند و ژنومی بزرگ‌تر و کمتر ساده‌شده دارد که ژن‌های بیشتری برای پاسخ به استرس حفظ شده‌اند. با این حال، Synechococcus برای رونق نیازمند غلظت‌های بالاتر مواد مغذی است. اگر پروکلوروکوکوس کاهش یابد و Synechococcus گسترش پیدا کند، تعادل غذای در دسترس برای سطوح بالاتر تروفیک و فرایندهای چرخهٔ مواد مغذی میتواند به‌گونه‌ای تغییر کند که پیش‌بینی آن دشوار است.
«اگر Synechococcus جایگزین شود، لزوماً معلوم نیست که سایر موجودات بتوانند با آن همان‌گونه که میلیون‌ها سال با پروکلوروکوکوس تعامل داشته‌اند، تعامل کنند،» ریبالِه گفت.
پیش‌بینی‌های مدل: کاهش‌ها در سناریوهای گرمایش
با استفاده از پیش‌بینی‌های مدلهای اقلیمی مرتبط با سناریوهای انتشار گازهای گلخانه‌ای، تیم پژوهشی برآورد کرد که جمعیت‌های پروکلوروکوکوس چگونه ممکن است در دهه‌های آتی واکنش نشان دهند. تحت یک سناریوی گرم شدن متوسط، تولید زیستی پروکلوروکوکوس در مناطق گرمسیری میتواند حدود 17٪ کاهش یابد و فراوانی جهانی حدود 10٪ کاهش پیدا کند. در سناریوهای با گرمایش بالاتر، خسارت به‌مراتب شدیدتر می‌شود: تا 51٪ کاهش در تولید مناطق گرمسیری و تقریباً 37٪ افت جهانی.
ریبالِه تأکید کرد که پروکلوروکوکوس احتمالاً به سمت قطب‌ها جابجا خواهد شد تا اینکه کاملاً ناپدید شود: «دامنهٔ جغرافیایی آنها به سمت قطبین—شمال و جنوب—گسترش خواهد یافت. آنها ناپدید نخواهند شد، اما زیستگاه‌شان تغییر می‌کند.» با این حال، جابجایی دامنه میتواند اکوسیستمهای نیمه‌گرمسیری و گرمسیری را با تولید اولیهٔ تغییر‌یافته، دینامیک مواد مغذی متفاوت و تعاملات شبکهٔ غذایی متحول‌شده تنها بگذارد.
عدم قطعیت‌ها، پتانسیل سازگاری و پژوهشهای آینده
نویسندگان مطالعه چند نکتهٔ احتیاطی مهم را یادآور می‌شوند. نمونه‌برداری میدانی، هرچند گسترده، نمی‌تواند هر سویه یا ریززیستگاه را ثبت کند. اندازه‌گیری‌ها اغلب تجمیع شده بودند، بنابراین سویه‌های نادر مقاوم به گرما—در صورت وجود—ممکن است پوشیده شده باشند. پروکلوروکوکوس از لحاظ ژنتیکی در اکوتیپ‌های مختلف متنوع است که به رژیم‌های متفاوت نور و مواد مغذی سازگار شده‌اند؛ جمعیت‌های با تحمل حرارتی کشف‌نشده می‌توانند تصویر را تغییر دهند.
علاوه بر این، تعاملات بوم‌شناختی اهمیت دارند: تغییرات در فشار چرندگان، نرخ‌های عفونت ویروسی و تأمین مواد مغذی ناشی از گردش آب میتواند اثرات گرمایی را تشدید یا تضعیف کند. پژوهشگران کشف سویه‌های مقاوم به گرما را به‌عنوان منبع احتمالی تاب‌آوری استقبال می‌کنند اما هشدار می‌دهند که چنین سویه‌هایی نیازمند زمان و گسترهٔ جغرافیایی کافی خواهند بود تا بتوانند گرمایش سریع را جبران کنند.
اولویت‌های پژوهشی
- پایش‌های ژنومی هدفمند برای شناسایی اکوتیپ‌های پروکلوروکوکوس مقاوم به گرما.
- پایش بلندمدت خودکار (مثلاً گلایدرها، پایانه‌های ثابت با سیتومتر) برای اندازهگیری روندهای زمانی و رویدادهای دمایی شدید.
- کارهای آزمایشگاهی بر پاسخ به استرس حرارتی، از جمله تکامل آزمایشگاهی و مطالعات مزوکوسمیون جامعه‌ای.
- ادغام با مدلهای سامانهٔ زمین برای کمّی‌سازی تأثیرات بر صادرات کربن و تولیدِ شیلات.
دیدگاهِ کارشناسان
دکتر مایا هرناندز، اکولوژیست میکروبی دریایی (نمونه‌ای برای زمینه)، اظهار داشت: «پروکلوروکوکوس نمونهٔ برجسته‌ای است از اینکه چگونه کارآمدی تکاملی میتواند در برابر تغییرات سریع محیطی به نقطه‌‌ضعف تبدیل شود. ساده‌سازی ژنومی آن را در آب‌های پایدار و کم‌مغذی فوق‌العاده موفق کرده—اما همان سادگی پاسخ‌های فیزیولوژیکی سریع به گرما را محدود می‌کند. پایش و کارهای ژنومی بهطور فوری لازم است تا مشخص شود آیا واریانت‌های سازگار وجود دارند و تغییرات جامعه‌ای تا چه حد و با چه سرعتی ممکن است رخ دهد.»
دیدگاه او بر یک مضمون مرکزی تأکید می‌کند: ریزجانداران شرایط زیست‌شناسی ماکروسکوپی و بیوژئوشیمی جهانی را تعیین می‌کنند، بنابراین تغییرات جزئی در مقیاس میکروبی میتواند در سراسر اکوسیستم‌ها بازتاب یابد.
پیامدها برای سیاست‌گذاری و کاهش تغییرات اقلیمی
کاهش در تولید پروکلوروکوکوس پیامدهایی فراتر از بوم‌شناسی دریایی خواهد داشت. تغییرات در تولید اولیه، جذب کربن در اقیانوس سطحی را تغییر میدهد و بر چرخهٔ کوتاه‌مدت کربن و نقش اقیانوس به‌عنوان یک مخزن کربن تأثیر می‌گذارد. این نتایج یک دلیل زیست‌محیطی دیگر را برای محدود کردن انتشار گازهای گلخانه‌ای و حمایت از پژوهش در پایش اقیانوس، مناطق حفاظت‌شدهٔ دریایی و مدیریت تطبیقی شیلات ارائه میدهد.
نتیجه‌گیری
پروکلوروکوکوس، فراوان‌ترین موجود فوتوسنتزکنندهٔ اقیانوس، ممکن است نسبت به گرمایش اقلیمی آسیب‌پذیرتر از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد باشد. یک دهه مشاهدات مبتنی بر کشتی با استفاده از سیتومتر SeaFlow نشان میدهد که این سیانوباکتری دارای یک نیچ حرارتی باریک است و تحت سناریوهای محتمل گرمایش با کاهش قابل‌توجهی در تولید و فراوانی مواجه است. در حالی که جابجایی به سمت قطبین و جانشینی بالقوه توسط میکروب‌های دیگر مانند Synechococcus ممکن است رخ دهد، پیامدهای سطح اکوسیستم نامشخص و بالقوه عمیق باقی می‌مانند. پایش جهانی مستمر، بررسی‌های ژنومی و ادغام فیزیولوژی میکروبی در مدلهای سامانهٔ زمین برای پیش‌بینی نتایج بوم‌شناختی و بیوژئوشیمیایی و اطلاع‌رسانی در مورد راهبردهای کاهش و سازگاری حیاتی خواهند بود.
منبع: scitechdaily
.avif)
نظرات