Mikroplar üzerine yapılan yeni araştırmalar, Dünya ve ötesindeki yaşamın bilinen sınırlarını genişletiyor

Stanford Üniversitesi bilim adamlarının liderliğindeki yeni araştırma, yaşamın aşırı tuzlu ortamlarda, daha önce mümkün olduğu düşünülen sınırın ötesinde devam edebileceğini öngörüyor.

Çalışma, yayınlanan 22 Aralık Bilim Gelişmeleri, suyun deniz suyundan buharlaştırılarak tuz elde edildiği Güney Kaliforniya kıyısındaki endüstriyel havuzlardan alınan salamuralarda bulunan binlerce ayrı hücredeki metabolik aktivitenin analizine dayanmaktadır. Sonuçlar, güneş sistemimizdeki potansiyel yaşanabilir alan ve kuraklık ve su sapması sonucu bazı yeryüzündeki su habitatlarının daha tuzlu hale gelmesinin olası sonuçları hakkındaki anlayışımızı genişletiyor.

Stanford Doerr Sürdürülebilirlik Okulu’nda Dünya sistem bilimi alanında yardımcı doçent olan kıdemli çalışma yazarı Anne Dekas, “Her yere bakamıyoruz, bu yüzden diğer gezegenlerde yaşamı nerede ve nasıl bulmaya çalıştığımız konusunda gerçekten dikkatli olmalıyız” dedi. . “Dünyadaki zorlu ortamlarda yaşamın nerede ve nasıl hayatta kaldığı hakkında mümkün olduğunca fazla bilgiye sahip olmak, başka yerlerdeki yaşam tespit misyonları için hedeflere öncelik vermemize olanak tanıyor ve başarı şansımızı artırıyor.”

Dünya dışındaki yaşamı tespit etmekle ilgilenen bilim insanları, sıvı suyun yaşam için gerekli olduğunu ve tuzun suyun daha geniş bir sıcaklık aralığında sıvı kalmasını sağladığını bilerek uzun süredir tuzlu ortamlar üzerinde çalışıyorlar. Tuz aynı zamanda salamuradaki turşu gibi yaşam belirtilerini de koruyabilir. Çalışmanın başyazarı, Ph.D. Emily Paris, “Tuzlu yerlerin geçmiş veya şimdiki yaşamın işaretlerini bulmak için iyi adaylar olduğunu düşünüyoruz” dedi. Dekas Laboratuvarı’nın bir parçası olan Yer sistemi bilimi öğrencisi. “Tuz, Dünya’daki yüksek konsantrasyonlarda yaşamın engellenmesine rağmen, başka bir gezegeni yaşanabilir kılan şeyin ta kendisi olabilir.”

Yeni araştırma, Cornell Üniversitesi profesörü Britney Schmidt liderliğindeki ve mikrobiyologları, jeokimyacıları ve gezegen bilimcilerini bir araya getiren NASA’nın Astrobiyoloji Programı tarafından finanse edilen Uzay ve Zaman Boyunca Okyanuslar adlı büyük bir işbirliğinin parçası. Amaçları: Okyanus dünyalarının ve yaşamın, geçmişte veya günümüzde tespit edilebilir yaşam belirtileri üretecek şekilde nasıl birlikte evrimleştiğini anlamak. Okyanus dünyasını yaşanabilir kılan koşulları anlamak ve biyolojik aktivite sinyallerini tespit etmek için daha iyi yöntemler geliştirmek, güneş sisteminin başka yerlerinde yaşamın nerede bulunabileceğini tahmin etmeye yönelik adımlardır.

Paris, değişen tuzluluk oranlarının Dünya’daki ekosistemleri nasıl etkilediğini de düşünmemiz gerektiğini söylüyor. Örneğin, su seviyelerinin azalması Utah’ın Büyük Tuz Gölü’ndeki tuzluluk artışı, besin zincirinin her kademesindeki yaşamı etkileyebilecek bir artışa neden oldu.

Paris, “Yaşam tespiti perspektifinin ötesinde, tuzluluğun etkisini anlamak, Dünya üzerindeki koruma ve sürdürülebilirlik açısından önemlidir.” dedi. “Araştırmamız, artan tuzluluğun mikrobiyal topluluk kompozisyonunu ve mikrobiyal metabolizma oranlarını nasıl değiştirdiğini gösteriyor. Bu faktörler, göçmen kuşlar ve diğer suda yaşayan hayvanlar için temel besin kaynakları olan kabuklular ve böceklerin yaşamlarının yanı sıra besin döngüsünü de etkileyebilir.

Dünyanın en tuzlu suları

Bu çalışma için örneklerin toplandığı South Bay Tuz Fabrikası’ndaki gibi tuz göletleri üzerinde veya San Francisco Körfezi boyunca uçan gezginler, neon yeşili, paslı kırmızı, pembe ve turuncu renkte parlayan, Dünya’nın en canlı mikroplarından bazılarının kaleydoskopunu görebilirler. Renklerin yama yapısı, farklı tuzluluk seviyelerinde hayatta kalmaya adapte olmuş suda yaşayan mikropların dizisini veya bilim adamlarının “su aktivitesi” dediği şeyi, yani mikropların büyümesine izin veren biyolojik reaksiyonlar için mevcut su miktarını yansıtıyor.

Paris, “Hangi noktada su aktivitesinin çok düşük, tuzluluğun çok yüksek olduğunu ve mikrobiyal yaşamın nerede hayatta kalamayacağını öğrenmek istiyoruz” dedi. Deniz suyunun su aktivite seviyesi yaklaşık 0,98 iken, saf su 1’dir. Çoğu mikrop, su aktivitesi 0,9’un altında bölünmeyi durdurur ve laboratuvar ortamında hücre bölünmesini sürdürdüğü bildirilen mutlak en düşük su aktivitesi seviyesi 0,63’ün biraz üzerindedir.

Yeni çalışmada araştırmacılar yaşamın yeni bir sınırını öngördü. Yaşamın 0,54 kadar düşük seviyelerde bile aktif olabileceğini tahmin ediyorlar.

Stanford bilim adamları, dünyanın en tuzlu sularından bazılarına ev sahipliği yapan South Bay Tuz Fabrikasından örnekler toplamak için ülkenin dört bir yanından meslektaşlarıyla bir araya geldi. Tuz fabrikalarındaki farklı tuzluluk seviyelerine sahip havuzlardan yüzlerce şişeyi tuzlu suyla doldurdular ve ardından bunları analiz için Stanford’a geri götürdüler.

Hayatı daha hızlı bulmak

Yaşamın su aktivitesi sınırını araştıran önceki çalışmalar, hücre bölünmesinin durduğu noktayı aramak için saf kültürler kullanmıştı; bu da yaşamın son noktasını işaret ediyordu. Ancak bu aşırı koşullarda hayat acı verici bir şekilde yavaş yavaş iki katına çıkıyor. Araştırmacılar, yaşamın ne zaman sona ereceğini test etmek için hücre bölünmesine güvenirlerse, Paris gibi yüksek lisans öğrencileri için pratik olmayan, yıllarca süren laboratuvar deneyleriyle karşı karşıya kalacaklar. Hücre bölünmesi üzerine yapılan çalışmalar yürütüldüğünde bile yaşamın ne zaman öldüğünü göstermiyor; aslında hücreler metabolik olarak aktif olabilir ve çoğalmadıklarında bile hala oldukça canlı olabilir.

Böylece Paris ve Dekas, yaşamın farklı bir sınırını, hücresel aktivitenin sınırını belirlemek için açık havadaki tuz havuzlarındaki mikropları incelediler.

Araştırma ekibi önceki araştırmalara göre üç önemli iyileştirme yaptı. İlk olarak, hangi tür veya mikrop türünün en dayanıklı olacağına dair bir bilim insanının standart en iyi tahmini olan saf kültürleri kullanmak yerine, gerçek bir ekosisteme gittiler. Tuz tesislerinde ortam, belirli koşullara en iyi şekilde uyum sağlayan karmaşık organizmalar topluluğu için doğal olarak seçilmiştir.

İkincisi, araştırmacılar daha esnek bir yaşam tanımı kullandılar. Sadece hücre bölünmesini değil, hücre oluşumunu da bir yaşam belirtisi olarak görüyorlardı. Dekas, “Bu, bir insanın yemek yemesini veya büyümesini gözlemlemeye benziyor. Bu, aktif yaşamın bir işareti ve çoğalmanın gerekli bir öncüsü, ancak gözlemlenmesi çok daha hızlı” dedi.

Yüzlerce tuzlu su örneğinde (bazıları o kadar tuzlu ki şurup kadar koyuydu) su aktivite seviyesini ve tuzlu suda bulunan hücrelere herhangi bir karbon ve nitrojenin dahil olup olmadığını belirlediler. Bu yaklaşımla, bir hücrenin biyokütlesini %1’in yarısı kadar az bir oranda arttırdığını tespit edebildiler. Buna karşılık, hücre bölünmesine odaklanan geleneksel yöntemler, biyolojik aktiviteyi ancak hücrelerin biyokütlelerini kabaca iki katına çıkardıktan sonra tespit edebiliyor. Daha sonra bilim insanları, su aktivitesi azaldıkça bu sürecin nasıl yavaşladığını temel alarak bu kesintinin tamamen duracağını öngördü.

Üçüncüsü, diğer bilim insanları tuzlu sulardaki karbon ve nitrojen katılımını toplu düzeyde ölçerken, Stanford ekibi, Stanford’da nanoSIMS adı verilen nadir bir cihazla (ülkedeki az sayıdaki cihazdan biri) hücre bazında bir analiz gerçekleştirdi. Bu hassas teknik, varlığı toplu analizde aktivite sinyalini gizleyen diğer “turşulanmış” hücrelerin ortasındaki tek tek hücrelerdeki aktiviteyi gözlemlemelerine ve düşük tespit limitlerine ulaşmalarına olanak sağladı.

Dekas, “Çevresel örneklerin tek hücreli aktivite analizi hala oldukça nadirdir” dedi. “Bu, buradaki analizimizin anahtarıydı ve daha geniş çapta uygulandığında, küresel iklimin anlaşılmasından insan sağlığına kadar mikrobiyal ekolojide geniş anlamda alakalı ilerlemeler göreceğimizi düşünüyorum. Mikrobiyal dünyayı hâlâ yeni anlamaya başlıyoruz.” tek hücre düzeyinde.”