ریزجانداران تثبیت کننده نیتروژن زیر یخ های قطبی

دانشمندان جوامع میکروبی شگفت‌آور را در زیر یخ‌های دریای آرکتیک کشف کرده‌اند — موجوداتی که ابزارهای ژنتیکی لازم برای کشیدن نیتروژن از جو را در مکانی که هرگز انتظارش را نداشتیم، در اختیار دارند. این یافته‌ها می‌توانند در شبکه‌های غذایی آرکتیک تأثیر بگذارند و حتی پیش‌بینی‌های جهانی کربن و اقلیم را دگرگون کنند.

کارخانه‌های پنهان نیتروژن زیر یخ

نیتروژن تقریباً ۷۸٪ از جو زمین را تشکیل می‌دهد، اما بیشتر موجودات زنده تا زمانی که این عنصر به شکل‌های زیستی در دسترس مانند آمونیاک یا آمونیوم تبدیل نشود، قادر به استفاده از آن نیستند. میکروب‌هایی که این تبدیل را انجام می‌دهند، «تثبیت‌کننده‌های نیتروژن» نامیده می‌شوند و با تأمین این عنصر حیاتی، پایه بسیاری از اکوسیستم‌ها را تشکیل می‌دهند.

برای دهه‌ها اقیانوس‌شناسان بر این باور بودند که این میکروب‌های تثبیت‌کننده نیتروژن — به‌ویژه آن دسته که فرآیندهای دریایی گسترده را هدایت می‌کنند — محدود به مناطق گرم و روشن سطحی اقیانوس‌ها هستند. آرکتیک با دماهای پایین، نور کم و یخ ضخیم به‌نظر می‌رسید غیرقابل سکونت باشد. پژوهش‌های اخیر به رهبری Lisa von Friesen از دانشگاه کپنهاگ این دیدگاه را به چالش می‌کشد.

با استفاده از نمونه‌هایی از اقیانوس مرکزی آرکتیک و منطقه اوراسیا در آرکتیک، تیم von Friesen فراوانی بالایی از دیازوتروف‌های غیرسینوباکتریایی (NCDs) را شناسایی کردند: باکتری‌هایی که ژن‌های لازم برای تثبیت نیتروژن را دارند اما به فتوسنتز وابسته نیستند. اگرچه پژوهشگران هنوز در همه نمونه‌ها نرخ فعال تثبیت نیتروژن را مستقیماً اندازه‌گیری نکرده‌اند، توزیع و پتانسیل ژنتیکی این میکروب‌ها به‌روشنی نشان می‌دهد که آن‌ها در چرخه‌های نیتروژن آرکتیک نقش دارند.

چرا این موضوع برای اکوسیستم‌ها و اقلیم اهمیت دارد

این میکروب‌ها صرفاً یک کنجکاوی میکروبیولوژیک نیستند. NCDها می‌توانند نیتروژن را به جلبک‌ها فراهم کنند و جلبک‌ها منبع غذایی اصلی برای سخت‌پوستان ریز هستند؛ سخت‌پوستان ریز تغذیه ماهیان کوچک را تأمین می‌کنند و آن‌ها نیز شکارچیان بزرگ‌تر را تغذیه می‌کنند. به عبارت دیگر: افزایش نیتروژن می‌تواند به افزایش جلبک منجر شود که این خود می‌تواند کل شبکه غذایی آرکتیک را تقویت کند.

«این تصور وجود داشت که تثبیت نیتروژن زیر یخ‌های دریایی امکان‌پذیر نیست زیرا شرایط زیستی برای موجوداتی که این فرایند را انجام می‌دهند بسیار نامطلوب فرض می‌شد»، von Friesen می‌گوید. «ما اشتباه کردیم.»

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

خودکفایی غذایی جهانی: بررسی استقلال ملی در تأمین غذا

خودکفایی غذایی جهانی و تحلیل استقلال غذایی کشورها در دنیای امروزی که زنجیره‌های تأمین جهانی بیش...

این موضوع پیامدهای اقلیمی نیز دارد. جلبک‌ها هنگام رشد دی‌اکسیدکربن را جذب می‌کنند؛ اگر دسترسی به نیتروژن افزایش یابد و به تولید زیست‌توده جلبکی بیشتر بینجامد، اقیانوس آرکتیک می‌تواند مقدار بیشتری CO2 را جذب و ذخیره کند. «اگر تولید جلبک افزایش یابد، اقیانوس آرکتیک CO2 بیشتری جذب خواهد کرد، چون مقدار بیشتری از CO2 در زیست‌توده جلبکی بسته می‌شود»، می‌گوید بوم‌شناس میکروبی دریایی Lasse Riemann — هرچند او هشدار می‌دهد که این سامانه پیچیده است و بازخوردهای دیگر ممکن است این اثر را جبران کنند.

پژوهشگران همچنین مشاهده کردند که حاشیه‌های یخ دریا تمایل دارند غلظت‌های بالاتری از این میکروب‌های تثبیت‌کننده نیتروژن و فعالیت‌های استنباطی تثبیت نیتروژن بالاتری را میزبان باشند. این الگو مهم است زیرا یخ دریای آرکتیک در حال کوچک‌تر شدن و تکه‌تکه شدن است در حالی که اقلیم گرم می‌شود. باز شدن پهنه‌های دریایی و گسترش نواحی حاشیه‌ای می‌تواند زیستگاه‌هایی ایجاد کند که برای تثبیت‌کننده‌های نیتروژن مناسب‌تر باشد و احتمالاً تأثیر آن‌ها را تقویت کند.

زمینهٔ علمی و گام‌های بعدی

تا همین اواخر، بسیاری از مدل‌های چرخه نیتروژن دریایی و بازخوردهای اقلیمی وجود قویِ تثبیت نیتروژن در آرکتیک را در نظر نمی‌گرفتند. von Friesen و همکاران معتقدند که مدل‌های آینده اقلیمی و بیوژئوشیمیایی باید به‌صراحت فعالیت تثبیت نیتروژن در آرکتیک را شامل کنند تا پیش‌بینی‌های بهتری از جذب کربن، تغییرات شبکه غذایی و تبادل با جو ارائه دهند.

گام‌های کلیدی بعدی شامل اندازه‌گیری‌های مستقیم نرخ تثبیت نیتروژن در شرایط مختلف یخ، آزمایش‌هایی که رهیابی جریان نیتروژن تولیدشده توسط NCDها به زیست‌توده جلبکی را پیگیری کنند، و وارد کردن این فرایندها در مدل‌های اقلیمی منطقه‌ای و جهانی است. نمونه‌برداری بهتر در طول فصول و در هنگام ذوب سریع تابستانی روشن‌تر خواهد کرد که این میکروب‌ها چه زمانی و کجا بیشترین فعالیت را دارند.

دیدگاه کارشناسان

«یافتن دیازوتروف‌ها زیر یخ دریایی تصویر ما از اکوسیستم‌های قطبی را تغییر می‌دهد»، می‌گوید دکتر Maya Henderson، یک بیوژئوشیمیست دریایی در موسسه تحقیقات قطبی. «اگر این باکتری‌ها فعال باشند، می‌توانند توازن مواد مغذی و جریان‌های کربن را در ناحیه‌ای که سریع‌تر از میانگین جهانی گرم می‌شود، تغییر دهند. مدل‌هایی که این فرایند را حذف می‌کنند در معرض کم‌برآورد کردن پاسخ‌های زیستی آرکتیک و بازخوردهای اقلیمی آن قرار دارند.»

کاهش یخ دریایی و تأثیر احتمالی آن بر نرخ‌های تثبیت نیتروژن. (von Friesen et al., Commun. Earth Environ., 2025)

با تولید داده‌های میدانی بیشتر و ادغام فرایندهای میکروبی در مدل‌ها، نقش تثبیت‌کننده‌های نیتروژن آرکتیک روشن‌تر خواهد شد. فعلاً، حضور آن‌ها زیر یخ یادآور این است که حتی سردترین و تاریک‌ترین گوشه‌های سیاره ما هم می‌توانند زیست‌های شگفت‌آور را در خود جای دهند — و این موجودات می‌توانند فراتر از اندازهٔ میکروسکوپی‌شان اهمیت داشته باشند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

شگفتی طبیعی: مشاهده کوه یخ سیاه در سواحل کانادا

یک پدیده طبیعی استثنایی توجه جهانیان را جلب کرده است؛ زمانی که یک ماهیگیر در سواحل...