ذخایر آهن گلوله برفی زمین ممکن است از طریق میکروب هایی که بدون نور خورشید زندگی می کنند تشکیل شده باشد

توسط Jaekyung Yoon، Jihyun F. Kim، دانشگاه Yonsei

ویرایش شده توسط لیزا لاک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

آهن یکی از فراوان‌ترین فلزات روی سطح زمین است، اما چگونگی تشکیل چنین ذخایر عظیم سنگ آهن در طول تاریخ زمین‌شناسی مدت‌ها یک راز باقی مانده است. نظریه غالب این بوده است که باکتری های فتوسنتزی باستانی آهن را اکسید کرده و باعث رسوب و تجمع آن در اقیانوس ها می شود.

اکنون، تیمی از محققان کره‌ای میکروارگانیسم‌های اکسید کننده آهن و ژن‌های کلیدی را در رسوبات دریایی در زیر قفسه یخی لارسن سی قطب جنوب، محیطی جدا شده از نور و اکسیژن، کشف کرده‌اند. آزمایش‌های آن‌ها تأیید کرد که یک پروتئین کلیدی که توسط این میکروب‌ها کدگذاری می‌شود، می‌تواند آهن را اکسید کند و سرنخ‌های جدیدی از چگونگی شکل‌گیری تشکیلات عظیم آهن در زمین باستانی ارائه دهد.

این تیم شامل پروفسور Jihyun F. Kim، دکتر Jaekyung Yoon، دکتر Boyoung Lee و دکتر Min-Jung Kwak از دانشگاه Yonsei بود. پروفسور هوان سو یون از دانشگاه سونگکیونکوان؛ دکتر کیو چول یو از موسسه تحقیقات قطبی کره; پروفسور چونگ یون هوانگ از دانشگاه ملی سئول؛ و پروفسور Soon-Kyeong Kwon از دانشگاه ملی Gyeongsang. آنها DNA محیطی را که در رسوبات دریایی در زیر قفسه یخی حفظ شده بود، تجزیه و تحلیل کردند.

از طریق تجزیه و تحلیل متاژنومی، آنها کلاد جدیدی از باکتری های کمولیتوتروف را شناسایی کردند که قادر به اکسید کردن آهن (II) در محیط هایی هستند که نور و اکسیژن محدود است. آنها همچنین به طور تجربی نشان دادند که پروتئین Cyc2 این باکتری - یک پروتئین همجوشی پورین-سیتوکروم واقع در غشای خارجی باکتری - به عنوان یک کاتالیزور زیستی عمل می کند و آهن (II) را به آهن (III) تبدیل می کند.

این کشف به ویژه مهم است زیرا آهن و اکسیژن عناصر حیاتی برای درک تاریخ زمین و تکامل حیات هستند. به طور خاص، تشکیلات عظیم آهن نواری (BIFs)، که از لایه‌های متناوب آهن و سیلیس تشکیل شده‌اند، مدت‌ها تصور می‌شد که از طریق فعالیت باکتری‌های فتوسنتزی تشکیل شده‌اند.

با این حال، BIF های دوره برودتی "زمین گلوله برفی" در دوران نئوپروتروزوییک، زمانی که تصور می شود سیاره توسط یخ به ضخامت صدها متر پوشیده شده است، چالش بزرگی را برای این فرضیه ایجاد کرد. تیم تحقیقاتی سرنخ های مهمی را در زیر قفسه های یخی قطب جنوب یافتند.

در سال 2013، کشتی تحقیقاتی یخ شکن Araon یک هسته رسوبی هولوسن (GC16B) به طول 2.4 متر (7.9 فوت) را از کف دریا در عمق 324 متری (1063 فوت) در نزدیکی قفسه یخی لارسن سی، در خط مقدم تغییرات آب و هوایی جمع آوری کرد. تیم تحقیقاتی اطلاعات ژنتیکی میکروبیوتای موجود در DNA محیطی این هسته را تجزیه و تحلیل کردند. این لایه رسوبی سوابقی از محیط دریایی را حفظ می کند که با تغییر قفسه یخی در طول حدود 12000 سال، از آخرین دوره یخبندان دوره کواترنر در عصر سنوزوئیک تا به امروز، تغییر کرده است.

این تیم باکتری‌هایی را شناسایی کردند که به‌عنوان قطب‌های شبکه در اکوسیستم میکروبی بی‌هوازی لایه‌های رسوبی شبیه BIF‌های تشکیل‌شده در زیر قفسه یخی عمل می‌کنند. آنها تسلط متناوب بین دو گروه میکروبی مجزا را مشاهده کردند که از نزدیک با این باکتری ها مرتبط بودند. این الگوی چرخه‌ای می‌تواند توضیحی بیولوژیکی برای نواربندی تکراری که در BIFs مشاهده می‌شود ارائه دهد.

محققان ژنوم این گونه کیستون را بازسازی و تجزیه و تحلیل کردند و نشان دادند که آن دودمان جدیدی از باکتری های کمولیتوتروف است. اعتبار تجربی وجود آن را در نمونه های رسوب تایید کرد. نام موقت این باکتری «Candidatus Mariimomonas ferrooxydans» بود. این تیم در داخل ژنوم خود، ژنی را کشف کردند که پروتئین Cyc2 را رمزگذاری می‌کند و اعتقاد بر این است که در اکسیداسیون آهن نقش دارد.

سپس تیم تحقیقاتی ژن cyc2 را در E. coli شبیه‌سازی کردند و آن را بیان کردند و مشاهده کردند که آهن (II) به سرعت به آهن نامحلول (III) اکسید می‌شود و منجر به بارش می‌شود. این شواهد تجربی مستقیم از فعالیت اکسید کننده آهن آنزیم Cyc2 را ارائه می دهد. از آنجایی که آهن (III) به مراتب کمتر از آهن (II) در آب حل می شود، تجمع آن در کف دریا در طول زمان می تواند منجر به تشکیل مواد معدنی آهن شود.

این مطالعه بینش‌هایی را در مورد چگونگی زنده ماندن میکروارگانیسم‌ها و چرخش آهن در اقیانوس‌های پوشیده از یخ در طول دوره زمین گلوله برفی ارائه می‌دهد. به طور خاص، به یک مکانیسم میکروبیولوژیکی جدید برای تشکیل سازندهای آهن نواری اشاره می کند که نمی تواند به طور کامل توسط مدل سنتی فتوسنتز محور توضیح داده شود.

علاوه بر این، یافته‌ها نشان می‌دهد که اکسیداسیون آهن توسط باکتری‌های کمولیتوتروف ممکن است نه تنها در محیط‌های فاقد نور، بلکه در زمین باستان از دوران آرکئن تا اوایل دوران پروتروزوئیک، زمانی که حتی فتوسنتز بدون اکسیژن نیز ظاهر نشده بود، عمل کرده است. این به این احتمال اشاره می کند که یک مکانیسم بیوژئوشیمیایی جهانی در طول تاریخ زمین شناسی است.

با کشف یک مسیر جدید اکسیداسیون آهن که مدل متعارف تشکیل رسوب آهن مبتنی بر فتوسنتز را به چالش می کشد، این کشف می تواند درک ما از تشکیل آهن در علوم زمین، زمین شناسی، علوم زیستی، میکروبیولوژی، ژئوبیولوژی، بیوژئوشیمی و سایر زمینه ها را تغییر دهد.

یون، استاد محقق در آزمایشگاه ژنومیک میکروبی و سیستم‌ها/زیست‌شناسی مصنوعی دانشگاه یونسی، که به‌عنوان نویسنده‌ی اول مقاله، این تحلیل را رهبری کرد، توضیح داد: «با تجزیه و تحلیل DNA از رسوبات قطب جنوب که حاوی رکوردهای بیش از 10000 سال بود، شرایط محیطی و سیستم میکروبی آن زمان eco را بازسازی کردیم.

"ارتباط بازسازی ژنوم میکروارگانیسم های کلیدی با اعتبار سنجی عملکردی، دستاورد بزرگ این مطالعه است. این یک روش تحقیق تجربی را ارائه می دهد که فراتر از تجزیه و تحلیل داده های توالی در ژنومیک محیطی است و ما را قادر می سازد تا معماهای حل نشده در تاریخ زمین را حل کنیم."

کیم، مدیر مؤسسه تحقیقاتی میکروبیوم و محقق اصلی این مطالعه، اظهار داشت: «این اولین نمونه از یافتن لایه‌ای رسوبی در زیر یک قفسه یخی قطب جنوب مشابه BIF‌های دوران گلوله برفی زمین و استفاده از تکنیک‌های پیشرفته تجزیه و تحلیل میکروبیوم برای تأیید این است که باکتری‌های کمولیتوتروفیک رسوب اکسیدکننده آهن می‌توانند در ایجاد رسوب آهن نقش داشته باشند.

این دیدگاه سنتی متمرکز بر فتوسنتز در مورد تشکیل آهن را گسترش می دهد و دیدگاه جدیدی را برای درک چگونگی تعامل، تغییر شکل و تکامل محیط های سطح زمین و متابولیسم های میکروبی با هم ارائه می دهد.

جی یون و همکاران، کمولیتوتروف جدید قطب جنوب، بیومینالیزاسیون آهن را پیش می‌برد، میکروبیوم (2026). DOI: 10.1186/s40168-026-02536-0

لیسانس تاریخ هنر، کارشناسی ارشد فرهنگ مادی. سردبیر سابق موزه، پیراپزشک و هماهنگ کننده پیوند. ویرایش برای Science X از سال 2021. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →