מדענים גילו חיים מיקרוביאליים מגוונים עמוק בתוך מדבר אטקמה בצ'ילה תוך שימוש בטכניקות ניתוח DNA חדשות, המספקות תובנות לגבי המגוון הביולוגי בסביבות קיצוניות והשלכות אפשריות על מחקר חיים מחוץ לכדור הארץ. ה-Yungay-Playa, אחד האזורים היבשים ביותר במדבר אטקמה הצ'יליאני. קרדיט: D. Wagner, GFZ
מולקולרית חדשה DNA טכניקת הניתוח אפשרה זיהוי של חיידקים ברי קיימא בעומקים של עד 4.20 מטר. לגילוי זה יש משמעות גם לחיפוש אחר חיים מחוץ לכדור הארץ.
מבחינה היסטורית, האמינו שהקרקעות הצחיחות של מדבר אטקמה בצ'ילה נטולות חיים. עם זאת, באחד האזורים היבשים ביותר שלה, קבוצת חוקרים בראשות לוקאס הורסטמן ודירק וגנר ממרכז המחקר הגרמני למדעי הגיאוגרפיה GFZ, בשיתוף עמיתים מ-TU ברלין ואוניברסיטת אנטופגאסטה בצ'ילה, גילתה כעת תופעה שלא הייתה ידועה בעבר. בית גידול תת קרקעי.
זה התבסס על שיטות חדשות שפותחו לניתוח DNA מולקולרי, המאפשרות מיצוי וניתוח ממוקדים של DNA תוך תאי. זה מגיע מתאי שלמים של אורגניזמים חיים או רדומים, מה שמאפשר לזהות קהילות מיקרוביאליות בנות קיימא ופוטנציאליות פעילות המאכלסות קרקעות היפראריות עד לעומק של 4.20 מטר. המחקר, שפורסם בכתב העת PNAS Nexus, ובכך מרחיבה את ההבנה שלנו לגבי המגוון הביולוגי של אזור שבו תנאים קיצוניים של בצורת, מליחות ומחסור בחומרים מזינים קרובים לגבולות החיים. לתוצאות יש גם השלכות על החיפוש אחר חיים על כוכבי לכת אחרים.
רקע: בית הגידול המדברי הקיצוני
מדבריות היא אחת המערכות האקולוגיות הגדולות והשבריריות ביותר על פני כדור הארץ. למרות שהתנאים שם הם מהקשים ומסכני החיים ביותר, הם מכילים חיים מיקרוביאליים. בהיעדר גשם סדיר, מיקרואורגניזמים הם המרכיב האקולוגי החשוב ביותר המתווך זרימת חומרי הזנה על ידי ניצול רכיבי קרקע כגון מינרלים ומלחים וכן גזים אטמוספריים כמקור אנרגיה ומים.
"חקר המגוון וההפצה המיקרוביאלי חיוני כדי להבין היטב את התפקיד המרכזי של תהליכים מיקרוביאליים בשמירה על האיזון והפונקציונליות האקולוגית של מערכות אקולוגיות מדבריות, במיוחד בהתייחס להתפתחותן העתידית בהקשר של שינויי אקלים", אומר דירק וגנר, ראש מנהל. מהמדור הגיאומיקרוביולוגיה של GFZ ואחד ממובילי המחקר.
אתר מחקר ביונגאי-פלאיה: בור הפרופיל שנחפר ועגלת המעבדה של אוניברסיטת אנטופגסטה. קרדיט: L. Horstmann, GFZ
מדבר אטקמה ששטחו 105,000 קמ"ר בצפון צ'ילה נחשב למדבר החם היבש ביותר בעולם. לכן זהו מיקום רלוונטי ומתאים ביותר למחקר על בית גידול זה. אזורים רדודים עד לעומק של כמטר אחד כבר נחקרו. כאן אנו יודעים שזהו בית גידול נישה המגן מפני קרינת UV ושבו עדיין מים זמינים כדי שחיי חיידקים יוכלו לשגשג.
גישה חדשה: ניתוח קרקעות עמוקות במדבר אטקמה עם ניתוח DNA מיוחד
השכבות העמוקות יותר של קרקעות מדבריות, לעומת זאת, נותחו עד כה רק במחקרים בודדים. הם היו, לפיכך, המוקד של צוות בראשות לוקאס הורסטמן, סטודנט לדוקטורט, ודניאל ליפוס, חוקר פוסט-דוקטורט, שניהם במדור הגיאומיקרוביולוגיה של GFZ, ודירק וגנר, ראש אותו מדור ופרופסור לגיאומיקרוביולוגיה וגיאוביולוגיה ב- GFZ אוניברסיטת פוטסדאם. עמיתים אחרים הגיעו מה-TU ברלין ומאוניברסיטת אנטופגסטה בצ'ילה. החוקרים רצו לבדוק האם המשקעים העמוקים יותר של מדבר אטקמה היפר-ארידי יכולים להיות גם בית גידול לחיידקים מיוחדים.
צוות המחקר חקר פרופיל קרקע באזור יונגאי, כ-60 קילומטרים דרומית-מזרחית לאנטופגסטה, כדי לנתח את המגוון המיקרוביאלי והאינטראקציה שלו עם תכונות הקרקע לאורך פרופיל עומק שכלל הן את המשקעים של הפלאיה והן את מרבצי המניפה הסחף למטה. , המגיע עד לעומק של 4.2 מטר. לשם כך הם חפרו פרופיל קרקע ולקחו דגימות קרקע כל 10 ס"מ עד לעומק של שלושה מטרים, ולאחר מכן כל 30 ס"מ, שנלקחו למעבדות GFZ לניתוח.
על מנת לזהות עקבות חיים בדגימות, השתמשו המדענים בטכניקה חדשה של ניתוח DNA מולקולרי, אשר פותחה על ידי דירק וגנר ואחרים ב-GFZ: באמצעות שיטת מיצוי מיוחדת, ניתן לסנן רק DNA תוך תאי מתוך דגימה, כלומר DNA שמקורו בתאים שלמים ובעלי פוטנציאל פעיל. לשם כך נעשה שימוש בכימיקלים שונים, צנטריפוגות ומסננים.
"גישה זו מייצגת שיפור משמעותי עבור מחקרים על מגוון מיקרוביאלי בסביבות קיצוניות, שכן היא שוללת למעשה הטיה שנוצרת על ידי ה-DNA מתאי תאים מתים ועדיין מספקת נתונים תקפים גם כאשר גבול הזיהוי עבור שיטות אחרות הושגה עקב הכמות הנמוכה של ביומסה", מדגיש ואגנר.
גילוי של קהילה חיידקית בעלת פוטנציאל קיימא עד לעומק של 4.2 מטר
באמצעות מיצוי DNA תוך תאי ורצף גנים לאחר מכן של הדגימות, החוקרים הצליחו לזהות חיידקים בעלי פוטנציאל קיימא עד לעומק של 4.2 מטרים. ב-80 הסנטימטרים העליונים הם מצאו בעיקר חיידקים ממשפחת Firmicutes, אך מספרם ירד עם הגדלת העומק וכך גם גדלו כמויות המלחים המסיסים. החוקרים חושדים שריכוז המלחים הגבוה והמחסור הגובר במים יכולים להיות אחראים גם לכך שהקולוניזציה החיידקית בחלק התחתון של משקעי הפלייה נפסקת. מבחינה זו, ממצאיהם תואמים מחקרים קודמים.
עם זאת, הצוות של הורסטמן ווגנר גילה שוב קהילה חיידקית במרבצי האוהדים הסחף מתחת לשני מטרים. הוא מגוון יותר מקהילת פני השטח וכנראה מבודד לחלוטין מפני השטח. הוא כלל בעיקר חיידקים השייכים ל-actinobacteriota, קבוצה עם חברים מיוחדים שנמצאים לרוב בקרקעות יבשות או בתוליות.
חלק עליון של פרופיל פליאו. קרדיט: D. Wagner, GFZ
קיומם של חיידקים אלה יכול להיות קשור לנוכחות של גבס שלפוחית, שעשוי לספק מקור מים חלופי על ידי המסת אנהידריט. האורגניזמים שנצפו במחקר זה היו שייכים ל מִין שיכולים להשתמש בגזי קורט כמו מימן כמקור אנרגיה כדי לנצל CO2 כמקור פחמן לצמיחתם.
"סוג זה של מטבוליזם, הנקרא כימוליטואוטוטרופיה, הוצע במחקרים אחרים כחשוב עבור קרקעות היפראריות שבהן החומר האורגני מוגבל ביותר כמקור פחמן. לכן זה יכול להיות חיוני גם עבור הנישות התת-קרקעיות המבודדות שנחקרו במחקר זה", אומר המחבר הראשון לוקאס הורסטמן.
סיכום והשקפה: מגוון ביולוגי מדברי מדהים והשלכות על חיים מחוץ לכדור הארץ
הורסטמן מסכם: "הגילוי של קהילה תת-קרקעית זו, המשגשגת במשקעי מניפות סחף מתחת לעומק של שני מטרים ומציגה מגוון מדהים ויציבות אקולוגית, מאתגרת את ההבנה הנוכחית שלנו לגבי מערכות אקולוגיות מדבריות".
המחברים מציעים שייתכן שהקהילה הזו התיישבה את האדמה כבר לפני 19,000 שנה, לפני קבורתה על ידי מרבצי פלאיה, ומשערים שהיא יכולה להמשיך כלפי מטה למרחק לא ידוע, המייצגת ביוספרה עמוקה שלא הייתה ידועה קודם לכן תחת קרקעות מדבריות היפר-צחיחות.
"בהתחשב בתפוצה הרחבה של השטחים היבשים על הפלנטה שלנו, לנוכחותן של קהילות שעלולות להיות קושרות פחמן בקרקעות תת-קרקעיות שלא נחקרו בעבר, יש השלכות עמוקות לא רק על המגוון הביולוגי במדבריות, אלא גם על רכיבה על אופניים של אלמנטים בקנה מידה עולמי", אומר המחבר דירק. ואגנר. "זה מצביע על כך שחשיבותם של בתי הגידול הללו הוערכה עד כה. וזה מדגיש את החשיבות של בתי גידול תת-קרקעיים להבנה מקיפה של מערכות אקולוגיות מדבריות בעתיד".
החוקרים מדגישים שלתוצאות המחקר הזה יש השלכות לא רק על כדור הארץ שלנו, אלא גם רלוונטיות לדיונים מתמשכים על חיפוש חיים על כוכבי לכת אחרים: "נוכחות מרבצי גבס על מַאְדִים, בדומה לאלה המצויים במשקעי מניפה סחף, מעוררת עניין רב באסטרוביולוגיה. החיבור של קהילות תת-קרקעיות אלה עם מצעים צועניים באטקמה עשוי לספק עדות נוספת לכך שמרבצי גבס על מאדים לא רק מצביעים על אפשרות של מים נוזליים בעבר, אלא יכולים גם לשמש כגומחה ראויה למגורים עבור חיי חיידקים בהווה".
