Ζωή στο πέτρινο έρεβος

Εκατοντάδες μέτρα κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας, σε περιοχές ακόμη βαθύτερες από τη ζώνη όπου το νερό συναντά τον τελευταίο φλοιό του χερσαίου τμήματος του πλανήτη μας, δύσκολα θα περίμενε κανείς να υπάρχουν ευνοϊκές συνθήκες για την ανάπτυξη και τη διατήρηση της ζωής. Κι όμως, μέσα στο έρεβος αυτό βρίσκονται «τα τελευταία σύνορα της ζωής», μικροοργανισμοί δηλαδή οι οποίοι παλεύουν «με νύχια και με δόντια» για να εξασφαλίσουν τα απαραίτητα θρεπτικά συστατικά για την επιβίωσή τους. Οσο απόμακροι και να ακούγονται, κι αυτοί οι οργανισμοί έχουν γενετικό υλικό, μεταβολικές διεργασίες και γονίδια που εκφράζονται και σιωπούν. Ολα αυτά μελέτησε πρόσφατη έρευνα σύμπραξης επιστημόνων με βάση το Ωκεανογραφικό Ινστιτούτο στο Γουντς Χολ των ΗΠΑ (WHOI), τα αποτελέσματα της οποίας δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στην επιστημονική επιθεώρηση «Nature» και φωτίζουν πτυχές της πρότερα άγνωστης ζωής των μικροοργανισμών οι οποίοι διαβιούν σε βάθος ακόμη μεγαλύτερο από αυτό όπου βρίσκεται ο βυθός της θάλασσας.

Αχαρτογράφητα εδάφη στον βυθό

Το 1986 επιστήμονες εντόπισαν έναν μεγάλο υποθαλάσσιο ορεινό όγκο ο οποίος ονομάστηκε, με πρωτοβουλία του γεωλόγου και ενός εκ των επικεφαλής της αποστολής Χένρι Ντικ, «Υφαλος της Ατλαντίδας». Η ορεινή αυτή μάζα αποτελεί επέκταση του ωκεάνιου πυθμένα και σχηματίστηκε πριν από 12 εκατομμύρια χρόνια από λάβα η οποία ψύχθηκε. Το «Atlantis Bank», όπως είναι η αγγλική ονομασία του, έχει μια ιδιαιτερότητα: ο θαλάσσιος πυθμένας του αποκολλάται συνεχώς δημιουργώντας ένα μεγάλο ρήγμα, ή αλλιώς ένα «τεκτονικό παράθυρο» το οποίο δίνει απευθείας πρόσβαση στον κατώτερο ωκεάνιο φλοιό, ένα στρώμα το οποίο σχηματίζεται από τηγμένα πετρώματα του μανδύα της Γης. Αυτό το σημείο του Ινδικού Ωκεανού επέλεξαν οι επιστήμονες για να μελετήσουν την ποικιλία των μικροοργανισμών, αφού η πρόσβασή τους στον κατώτερο ωκεάνιο φλοιό καθίσταται πιο εύκολη εκεί σε σύγκριση με άλλα σημεία. Μια ερευνητική αποστολή έπλευσε το 2016 στο σημείο ώστε να συλλέξει πετρώματα τα οποία θα μπορούσαν να δώσουν επιπρόσθετες πληροφορίες για τη ζωή στα σκοτεινά αυτά σημεία. «Η αποστολή IODP Expedition 360 πραγματοποιήθηκε το 2016 στο ωκεάνιο σύμπλεγμα του Atlantis Bank στη νοτιοδυτική ινδική «ράχη» στον Ινδικό Ωκεανό» εξηγεί στο ΒΗΜΑ-Science η ελληνίδα ερευνήτρια του Ωκεανογραφικού Ινστιτούτου στο Γουντς Χολ των ΗΠΑ και μία εκ των κύριων συγγραφέων της δημοσίευσης Παρασκευή Μάρα. «Στο πλαίσιο της αποστολής συλλέχτηκαν με εξειδικευμένο γεωτρύπανο πυρήνες πετρωμάτων από βάθος έως 800 μέτρων εντός του κατώτερου ωκεάνιου φλοιού. Το υλικό το οποίο συλλέχθηκε παραδόθηκε στις αντίστοιχες ομάδες που βρίσκονταν στο πλοίο για γεωλογικές μελέτες και περιγραφή των πετρωμάτων, αναλύσεις λιπιδίων, μετρήσεις ATP. Επίσης συλλέχτηκαν δείγματα για μελέτες μετα-μεταγραφωμάτων (metatrascriptomes), DNA, αλλά και δείγματα από τα πετρώματα τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για καλλιέργειες σε διαφορετικά θρεπτικά μέσα για απομόνωση και χαρακτηρισμό μυκήτων και βακτηρίων που θα μπορούσαν να διαβιούν κυριολεκτικά μέσα στα πετρώματα». Εξειδικευμένες πληροφορίες, όπως μετρήσεις του ATP (το οποίο είναι ένα είδος «νομίσματος» στο οποίο αποθηκεύεται ενέργεια μέχρι αυτή να απαιτηθεί από διάφορες βιολογικές διεργασίες), αναλύσεις του γενετικού υλικού των μικροοργανισμών ή των μεταγραφωμάτων, δηλαδή μιας πλήρους καταγραφής των γονιδίων τα οποία εκφράζονται σε κάθε μικροοργανισμό σε δεδομένες χρονικές στιγμές, επέτρεψαν στους ερευνητές να διερευνήσουν βασικά ερωτήματα τα οποία τους απασχολούν σχετικά με τη ζωή στα πετρώματα τα οποία βρίσκονται κάτω από τον πυθμένα του ωκεανού. «Το βασικό ερώτημα αυτής της μελέτης ήταν να εξετάσει την ποικιλομορφία και τις πιθανές μεταβολικές διεργασίες των μικροβιακών κοινοτήτων καθώς και των βιογεωχημικών διεργασιών (συμπεριλαμβανομένων και των μικροβιακών αλληλεπιδράσεων) που συμβαίνουν σε ακραία περιβάλλοντα όπως αυτό του κατώτερου ωκεάνιου φλοιού» σημειώνει η ελληνίδα ερευνήτρια. «Το ερώτημα αυτό προέκυψε καθώς ένα ευρύ φάσμα υδροθερμικών διεργασιών που πραγματοποιούνται σε διαφορετικές θερμοκρασίες δημιουργεί ευνοϊκές γεωχημικές συνθήκες για την υποστήριξη της ζωής στον κατώτερο ωκεάνιο φλοιό ή ακόμη και στον μανδύα της Γης».

Πληροφορίες χρήσιμες και για το Διάστημα

Μέχρι σήμερα οι ερευνητές έχουν μελετήσει σε μεγάλο βαθμό τους μικροοργανισμούς οι οποίοι διαβιούν στον ανώτερο ωκεάνιο φλοιό. Σε βαθύτερα σημεία του φλοιού ωστόσο η διαβίωση μικροοργανισμών αποτελεί ακόμη ένα «κλειστό βιβλίο» για την επιστήμη, αφού η εξασφάλιση θρεπτικών συστατικών σε σημεία τα οποία δεν έρχονται σε άμεση επαφή με το νερό δεν είναι προφανής. «Δεν γνωρίζουμε αρκετά για τη μικροβιακή ζωή στον κατώτερο ωκεάνιο φλοιό» σημειώνει στο ΒΗΜΑ-Science η ερευνήτρια και μία εκ των επικεφαλής της δημοσίευσης Βιρτζίνια Εντκομπ. «Η μελέτη του φλοιού αυτού για σημάδια μικροβιακής ζωής μπορεί να μας δώσει πληροφορίες σχετικά με την έκταση της βιόσφαιρας των υποεπιφανειακών περιοχών και σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο συντηρείται η ζωή σε τέτοια βάθη. Γνωρίζοντας ότι η υποεπιφάνεια συνδέεται με τον ωκεανό μέσω υγρών ρευμάτων τα οποία διαπερνούν τον φλοιό, μπορούμε να κατανοήσουμε καλύτερα τους κύκλους του άνθρακα και άλλων θρεπτικών συστατικών και να γνωρίσουμε περισσότερα σχετικά με τα όρια της ζωής στη Γη. Επιπλέον, για τους επιστήμονες οι οποίοι προετοιμάζονται για την αναζήτηση ζωής σε άλλους πλανήτες, τα δεδομένα από τη ζωή σε ακραία περιβάλλοντα μπορούν να τους παρέχουν ενδείξεις σχετικά με στοιχεία τα οποία θα μπορούσε κανείς να αναζητήσει σε πρώτη φάση σε τρίτους πλανήτες που θα μπορούσαν να υποδηλώνουν την ύπαρξη ζωής».

Η ζωτική δύναμη του νερού

Τα αποτελέσματα των αναλύσεων στα πετρώματα του κατώτερου ωκεάνιου φλοιού έδωσαν ωστόσο κάτι παραπάνω από απλές ενδείξεις ότι υπάρχει ζωή σε τέτοιο βάθος: οι ερευνητές εντόπισαν σε αυτό το ακραίο περιβάλλον μικροοργανισμούς οι οποίοι έχουν μεταβολική δραστηριότητα παρόμοια με τους μικροοργανισμούς οι οποίοι διαβιούν σε λιγότερο ακραία περιβάλλοντα. «Παρατηρήθηκαν μικροβιακές κοινότητες οι οποίες, ως φαίνεται, είναι μεταβολικά ενεργές και εκφράζουν γονίδια που εμπλέκονται σε βιοχημικά μονοπάτια τα οποία αφορούν τόσο βασικό μεταβολισμό (π.χ. μεταβολισμό αμινοξέων), σύνθεση βιταμινών, σύνθεση πεπτιδογλυκάνης, αποδόμηση αρωματικών υδρογονανθράκων, όσο και μεταβολικές διεργασίες που εμπλέκονται στον κύκλο του αζώτου, φωσφόρου, μεθανίου και θείου. Επιπροσθέτως, ανιχνεύτηκαν μετάγραφα (mRNAs) που αφορούσαν και άλλες φυσιολογικές λειτουργίες που χαρακτηρίζουν ενεργές μικροβιακές κοινότητες, όπως παραδείγματος χάριν μετάγραφα που σχετίζονται με χημειοτακτισμό, οξειδωτικό στρες, σύνθεση αντιβιοτικών, ανακύκλωση πρωτεϊνών. Τέλος, στα βασικά ευρήματα ήταν και το γεγονός ότι σε αυτό το ακραίο περιβάλλον του κατώτερου ωκεάνιου φλοιού η ανακύκλωση στοιχείων και πηγών ενέργειας, αλλά και η μεταβολική ευελιξία, είναι σημαντικό κομμάτι στη βιωσιμότητα των μικροβιακών κοινοτήτων».

Οι μικροοργανισμοί έχουν λοιπόν την ικανότητα να προσαρμόζονται ακόμη και σε περιβάλλοντα τα οποία θεωρούνται ως τα πλέον μη ευνοϊκά για τη συντήρηση της ζωής. Οπως καταδεικνύει ωστόσο η έρευνα, δεν πρέπει να θεωρούμε τα περιβάλλοντα αυτά ομοιογενή, όπου επικρατούν παντού ακριβώς οι ίδιες συνθήκες. Μικρές διαφοροποιήσεις είναι ικανές να προκαλέσουν τοπικά άνθηση της ζωής. Κι ανάμεσα σε αυτές τις διαφοροποιήσεις συγκαταλέγεται, φυσικά, η παρουσία του νερού, το οποίο στο πέρασμά του ανάμεσα από χαραμάδες δίνει το «φιλί της ζωής» σε διάφορες μικροβιακές κοινότητες. «Είναι γνωστό ότι κάθε μορφή ζωής εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα του νερού και φυσικά από τις πηγές άνθρακα και ενέργειας, τα οποία δύναται να μεταφερθούν επίσης μέσω ρωγμών και ρηγμάτων. Αυτό συμβαίνει και στο «Atlantis Bank» όπου η παρουσία τέτοιων ρηγμάτων είναι αξιοσημείωτη, κάτι το οποίο διευκολύνει τη μεταφορά θαλασσινού νερού στο εσωτερικό του φλοιού» σημειώνει η ερευνήτρια Βιρτζίνια Εντκομπ. Η παρουσία των μικροοργανισμών συμπίπτει λοιπόν με την παρουσία του νερού, με τέτοιον τρόπο ώστε όπου υπάρχει νερό καθίσταται δυνατή και η ύπαρξη της ζωής, ακόμη κι αν αυτή παρατηρείται μέσα σε φαινομενικά συμπαγή υλικά όπως τα πετρώματα.

«Το γεγονός ότι ο κατώτερος ωκεάνιος φλοιός είναι ένα ακραίο περιβάλλον με περιορισμένη διαθεσιμότητα θρεπτικών ουσιών καθιστά πρόκληση τη διαβίωση των βακτηρίων αλλά και των μυκήτων που ως φαίνεται υπάρχουν – ίσως περιορισμένα – στη μικροβιακή κοινότητα του κατώτερου ωκεάνιου φλοιού» εξηγεί η ερευνήτρια Παρασκευή Μάρα, συμπληρώνοντας ότι «όπως φάνηκε, οι μετρήσεις του ATP, οι οποίες μπορούν να δώσουν μια πρώτη ένδειξη για το πού μπορεί να υπάρχουν ζωντανοί μικροοργανισμοί, δεν ήταν ομοιόμορφες κατά μήκος του πυρήνα του πετρώματος (σε έκταση από 10 έως περίπου 800 μέτρα βάθος). Παρατηρήθηκε ότι οι μετρήσεις ATP ήταν υψηλότερες στα σημεία όπου τα πετρώματα είχαν μεγαλύτερη ένταση ρωγμών. Περισσότερες και ενδεχομένως βαθύτερες ρωγμές στο πέτρωμα σημαίνει δυνατότητα κυκλοφορίας του θαλασσινού νερού και άρα μεταφορά θρεπτικών ουσιών και άλλων πηγών ενέργειας στις μικροβιακές κοινότητες που επιβιώνουν εκεί. Αυτή η μεταφορά ουσιών και ενέργειας δεν είναι απαραιτήτως συνεχόμενη και ομοιόμορφη, συνεπώς η ανακύκλωση ουσιών μέσω της αλληλοτροφοδότησης (crosstalk) των μεταβολικών μονοπατιών που χαρακτηρίστηκαν μέσω των μεταγραφωμάτων φαίνεται να είναι ένας τρόπος λειτουργίας και προσαρμογής ο οποίος υιοθετείται από τις μικροβιακές κοινότητες του κατώτερου ωκεάνιου φλοιού».

Ο μεταβολισμός στο μικροσκόπιο

Η μελέτη του μεταγραφώματος, το οποίο μαρτυρά ποια γονίδια των μικροοργανισμών είναι ενεργά σε δεδομένες χρονικές στιγμές, κατέδειξε επίσης ότι ακόμη και σε τέτοιου είδους περιβάλλοντα οι μικροοργανισμοί δεν αρκούνται στη διεκπεραίωση των απολύτως βασικών μεταβολικών διεργασιών, όπως η σύνθεση απαραίτητων πρωτεϊνών για την επιβίωσή τους, αλλά εκτελούν και πιο πολύπλοκες βιοχημικές διεργασίες. «Μέσω της ανάλυσης των μεταγραφωμάτων για μεταβολισμό συγκεκριμένων αμινοξέων παρατηρήθηκε ότι είναι πιθανό κάτω από συνθήκες περιορισμένων θρεπτικών ουσιών και απουσίας οξυγόνου τα συγκεκριμένα αμινοξέα να χρησιμοποιούνται όχι μόνο για τη σύνθεση πρωτεϊνών, όπως είθισται, αλλά και για οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις ή αντιδράσεις ζύμωσης και άρα για την παραγωγή ενέργειας. Αυτό όμως χρήζει περαιτέρω διερεύνησης» καταλήγει η ερευνήτρια. Οπως σημειώνει η μικροβιολόγος Βιρτζίνια Εντκομπ, θα χρειαστούν πιο εκτενείς μελέτες ώστε οι ερευνητές να αποτυπώσουν τον ακριβή χάρτη των μικροοργανισμών οι οποίοι διαβιούν σε τέτοια περιβάλλοντα και να τους κατατάξουν, έπειτα από ανάλυση του γονιδιώματός τους, στο εξελικτικό δέντρο της ζωής. Οσο για τα επόμενα βήματα της ερευνητικής ομάδας; Αυτά είναι μοιρασμένα τόσο στο εργαστήριο όσο και στο πεδίο: σκοπεύουν αφενός να καλλιεργήσουν τους μικροοργανισμούς ώστε να μελετήσουν τις μεταβολικές τους διεργασίες, αφετέρου να συλλέξουν δείγματα από διαφορετικές περιοχές για να διαπιστώσουν εάν το αποτύπωμα ζωής είναι παρόμοιο σε άλλα σημεία του κατώτερου ωκεάνιου φλοιού.

Ο Χένρι Ντικ, «νονός» του «Atlantis Bank»

Ο αναλυτικός τοπογραφικός χάρτης του κατώτερου ωκεάνιου φλοιού στην περιοχή όπου βρίσκεται το «Atlantis Bank» δημοσιεύτηκε μόλις το 2019 στην επιστημονική επιθεώρηση «Progress in Earth and Planetary Science», με κύριο συγγραφέα της δημοσίευσης τον ερευνητή Χένρι Ντικ, ο οποίος ονοματοδότησε το 1986 τον υποθαλάσσιο ορεινό όγκο.

Κάτω από τη θάλασσα με τάσεις ανόδου

«Αυτό που συμβαίνει στον φλοιό είναι πολύ παράξενο, ολοένα και ανεβαίνει προς την επιφάνεια της θάλασσας και καταλήγει να βρίσκεται μόλις ένα χιλιόμετρο κάτω από αυτή» είχε αναφέρει ο Χένρι Ντικ με αφορμή την ανακάλυψη του «Atlantis Bank», χαριτολογώντας ότι «είναι σαν να βρήκαμε ένα τούβλο μολύβδου να επιπλέει μέσα στην μπανιέρα μας».

Τι συμβαίνει στην Ελλάδα

Διαθέτει η Ελλάδα υπέδαφος το οποίο μπορεί να προσφερθεί για αναλύσεις μικροβιακής ζωής σε ακραία περιβάλλοντα; Σύμφωνα με την ερευνήτρια Παρασκευή Μάρα σε ελάχιστες περιοχές στον κόσμο ο κατώτερος ωκεάνιος φλοιός εκτίθεται με τέτοιον τρόπο ώστε να καθίσταται δυνατή η μελέτη του.
Η Ελλάδα δεν συγκαταλέγεται στις περιοχές αυτές, ωστόσο, όπως σημειώνει η ίδια, η χώρα μας «διαθέτει εξίσου ιδιαίτερα οικοσυστήματα όσον αφορά την επιβίωση σε ακραία συστήματα και που σίγουρα παρουσιάζουν ενδιαφέρον για μελέτη. Τέτοιες περιπτώσεις είναι τα ηφαιστειακά τόξα, οι βαθιές ανοξικές λεκάνες με πολύ υψηλή αλατότητα όπου η περιγραφή των μικροβιακών κοινοτήτων, και κυρίως η βιολογία και η βιοχημεία που μπορεί να κρύβουν, μπορεί να οδηγήσει και σε ανακαλύψεις βιοτεχνολογικού ενδιαφέροντος».

Ενας κόσμος όχι και τόσο διαφορετικός

Πόσο μοιάζουν οι οργανισμοί οι οποίοι βρίσκονται κάτω από τον πυθμένα του ωκεανού με τους μικροοργανισμούς οι οποίοι ζουν σαν… βασιλιάδες στην επιφάνεια της Γης έχοντας στη διάθεσή τους άφθονο νερό και θρεπτικά συστατικά; «Ενώ πολλές μεταβολικές διεργασίες οι οποίες συνδέονται με τον κεντρικό μεταβολισμό είναι κοινές ανάμεσα σε μικροβιακά στελέχη διαφορετικών περιοχών, εντοπίζονται διαφορές στον τρόπο με τον οποίο οι μικροοργανισμοί “βγάζουν τα προς το ζην”, ανάλογα με τους πόρους οι οποίοι είναι διαθέσιμοι σε κάθε ενδιαίτημα» σημειώνει η ερευνήτρια Βιρτζίνια Εντγκομπ. «Ούτως ειπείν, διαφορετικά μικρόβια ενδέχεται να πετύχουν τον ίδιο στόχο, όπως παραδείγματος χάριν την παραγωγή διάφορων αμινοξέων, με διαφορετικούς τρόπους. Υπάρχουν ενδιαιτήματα όπως οι ιαματικές πηγές και τα ορυχεία, όπου οι πηγές άνθρακα και ενέργειας μπορεί να είναι παρόμοιες με αυτές που συναντώνται σε περιοχές όπως ο κατώτερος ωκεάνιος φλοιός, ως εκ τούτου είναι πιθανό οι μικροοργανισμοί σε αυτές τις περιοχές να εμφανίζουν ομοιότητες. Ωστόσο, δεν μπορούν όλα τα φύλα να προσαρμοστούν σε θαλάσσιο περιβάλλον, σε υψηλές πιέσεις ή σε αλλαγές στη θερμοκρασία».