ژئو میکروبیولوژی (Geomicrobiology )

ژئو میکروبیولوژی مطالعه نقش میکروب ها در فرآیند های زمین شناسی و ژئو شیمیایی است که زمین را شکل داده اند و امروزه کماکان به فعالیت خود ادامه می دهند. میکروب ها از طریق چرخه های بیو ژئو شیمیایی که اتمسفر، هیدروسفر و قسمت عمیق لیتوسفر را در بر می گیرند، نقش حیاتی در بازیافت، تولید، جداسازی و حذف طیف گسترده ای از مواد و عناصر شیمیایی در محیط دارند. پژوهشگران بسیاری با استفاده از انواع تجهیزات به روز آزمایشگاه های میکروبیولوژی درباره این پدیده ها مطالعه می کنند.

از چه زمانی ژئو میکروبیولوژی تبدیل به یک رشته تحصیلی شد؟

نخستین بار اصطلاح ژئو میکروبیولوژی در دهه 1950 برای توصیف مطالعه این دست از فرآیند ها ابداع و معرفی شد، اگرچه پیش از این دانشمندان بسیاری از قرن نوزدهم در حال مطالعه میکروبیولوژی خاک و آب بودند و از این عنوان استفاده نمی شد. کریستین ارنبرگ در سال 1836 تشخیص داد که باکتری گالیونلا (Gallionella ferruginea )که از دسته باکتری های اکسید کننده آهن است، با وجود آمدن رسوبات آهن باتلاقی مرتبط است، اگرچه در آن زمان او این باکتری را به اشتباه به عنوان یک باکتری تک یاخته معرفی کرد.

پس از گذشت مدتی و در سال 1887 سرگئی وینوگرادسکی اشاره کرد که باکتری بگیاتو ( Beggiatoa) می تواند گاز هیدروژن سولفید را به گوگرد عنصری جامد اکسید کند. یک سال پس از این کشف در سال 1888 مشخص شد که باکتری لپتوتریکس اوکراسیا ( Leptothrix ochracea) در آزادسازی کربنات آهن از سنگ برای تولید اکسید آهن نقش دارد.  این باکتری یکی از گونه های باکتری‌ های اکسید کننده آهن است که در هیدرو فسفات‌ های طبیعی یافت می شود. باید توجه داشت که تجهیزات آزمایشگاه های میکروبیولوژی در زمان کشف این گونه از باکتری ها پیشرفت چندانی نداشته اند.

نقش باکتری ‌ها در ترسیب شدن کلسیم و منگنز در اقیانوس ‌ها، تشکیل متان، هوازدگی سنگ و چرخه نیتروژن در طی چند دهه آینده واضح ‌تر شد، که اغلب با شناخت فعالیت متابولیکی میکرو ارگانیسم ‌ها با استفاده از تجهیزات آزمایشگاه میکروبیولوژی مشخص شد و به دنبال آن منجر به فهم و درک این موضوع شد که این فرآیند ها در شکل دادن به زمین و اکوسیستم های آن نقش بسزایی داشته اند.

در اواخر قرن بیستم، اکتشافات مربوط به نقش میکروارگانیسم ها در شکل دادن به زمین شناخته شد. برای مثال، مدت‌ ها تصور می ‌شد که میکروارگانیسم ‌ها نمی‌ توانند در خارج از pH و محدوده دمایی غیر از محدوده دمایی خاص زنده بمانند، اما کشف باکتری‌ های اکستروموفیل ( (extremophile که در محیط‌ های اسیدی یا قلیایی شدید در اطراف محل‌ های زهکشی معدن رشد می ‌کنند و همچنین شناسایی دسته ای دیگر که در اطراف محل های خروجی گرمایی زمین که بسیار داغ هستند یا در قطب ها و در شرایط یخ زده زندگی می ‌کنند، این دیدگاه را تغییر دادند.

به تدریج گزارش ‌هایی مبنی بر تأثیر حیات میکروبی کیلومتر ها زیر سطح زمین و کف دریا در دهه‌ های 1990 و 2000 گسترش یافت، درک این موضوع  را بیشتر تقویت کرد که بسیاری از جنبه ‌های زمین ‌شناسی که در گذشته کاملاً نتیجه نیرو های فیزیکی و شیمیایی در نظر گرفته می‌ شد، در واقع به دلیل فعالیت های میکروارگانیسم ها در طول میلیون ها سال در زمین است.

حوزه ژئومیکروبیولوژی از نظر تاریخی ثابت کرد که حیات بی هوازی زیر سطح زمین به صورت مناطقی با نام " نردبان ترمودینامیکی" شکل گرفته اند. در این مناطق آهن به عنوان کاهنده بسیار قوی مانع کاهش یه وسیله کاهنده های سولفات می شود، که به طور مشابه میکروارگانیسم های تولید کننده متان را نیز حذف می کند. با این حال، pH محیط می تواند مسیر متابولیسم تغییر دهد و مسیری را که از نظر ترمودینامیکی مطلوب تر است، جایگزین کند.

ژئومیکروبیولوژی تازه در حال ظهور

پوسته اقیانوسی بالایی به طور مداوم در پشته های میانی اقیانوسی ایجاد می شود، جایی که واکنش های بازالت-آب دریا با دمای بالا انرژی لازم برای حفظ حیات را با استفاده از جریان های هیدروترمال تولید می کند و رسوبات بازیافت و جمع آوری می شوند. میکروارگانیسم‌ های بی ‌هوازی و هوازی در این محیط‌ ها رشد می‌ کنند و به چرخه هیدروژن، کربن و گوگرد کمک می ‌کنند و تصور می‌ شود که اکثریت حیات میکروبی در اقیانوس‌ ها را همین میکرواورگانیسم ها تشکیل می‌ دهند.

هنگامی که سنگ بازالت از پشته فاصله می گیرد، سرد و در طی یک دوره حدود 10 میلیون سال دچار ترک خوردگی و اکسیداسیون می ‌شود. در این مرحله شدت واکنش‌ های بازالت-آب دریا افت می کند و در نتیجه آن چرخه سیال و رسوب کاهش می‌ یابد. بیش از 90 درصد از لیتوسفر اقیانوس بیشتر از 10 میلیون سال قدمت دارد و از نظر رسوبات آلی کمبود و اکسیژن محلول فراوان دارد، بنابراین تصور می ‌شد که میکروارگانیسم ‌های کمی در این شرایط زندگی کنند.

در مقاله ای توسط سوزوکی و همکاران در سال 2020 به چاپ رسید، اشاره شده است که  سلول‌ های میکروبی در نمونه ‌های گدازه بازالتی زیر دریا با قدمت بیش از 10 میلیون سال شناسایی شدند که از رسوبات دریایی غنی از آهن زندگی می ‌کنند. مشخص شد که اکسیژن مولکولی محلول به سنگ بازالت نفوذ می کند و میکروب های هوازی را در سراسر رسوبات پ حفظ می کند. اکثر میکروارگانیسم‌ های شناسایی شده در چنین بازالت قدیمی درگیر هتروتروفی و متانوتروفی هستند و از مواد آلی محلول که توسط جریان آب دریا وارد یا در اثر هوازدگی سنگ ‌ها ایجاد می‌ شوند، تغذیه می ‌کنند.

نویسندگان احتمال وجود حیات در مریخ را می دهند. با این شواهد که پوسته بازالتی آن حدود 4 میلیارد سال پیش تشکیل شده است و مانند زمین روزگاری سطح آن به وسیله اقیانوس پوشیده شده بود. بر این اساس مدلی را ارائه می‌ دهند که اختر زیست ‌شناسان می‌ توانند وجود گذشته حیات را در سیارات دیگر بررسی کنند.