معدلات نمو الميكروبات التي تم قياسها باستخدام Raman-SIP تكشف عن حيوية حيوية تحت السطح مدعومة بالتسرب الرملي

حياة مخفية عميقاً داخل الصخور

بعيداً تحت أقدامنا، في شقوق مظلمة بصخور قشرة محيطية قديمة أصبحت الآن مرتفعة على اليابسة، تعمل الميكروبات بهدوء. تعيش هذه الكائنات الدقيقة في مياه جوفية تتسرب عبر صخور غنية بالحديد وتتفاعل لإنتاج الهيدروجين وجزيئات أخرى غنية بالطاقة. حتى الآن، كان العلماء يفترضون أن الحياة في هذه المياه القلوية القاسية تتقدم بوتيرة جيولوجية بطيئة. تُظهر هذه الدراسة بدلاً من ذلك أن العديد من هذه الميكروبات تحت السطحية يمكن أن تنمو على مدى أيام إلى أشهر، معيدة تشكيل طريقتنا في التفكير حول الغلاف الحيوي المخفي للأرض ودوره في مشاريع الهيدروجين المستقبلي وتخزين الكربون.

مياه غريبة في عالم حجري

في أوفيوليتة السمائل في عُمان، تكشفت قطع من قاع البحر السابق على اليابسة. تتسرب الأمطار والمياه الجوفية إلى التشققات وتتفاعل مع الصخور الفائقة القلوية في عملية تُسمى التسرب الرملي (serpentinization). مع تعمق الماء، يصبح أكثر قلوية، أغنى بالهيدروجين والميثان، وأفقر في الكربون المذاب والمواد المغذية الأخرى. أخذ الباحثون عينات من ثلاثة أنواع من المياه الجوفية على عمق 250–270 مترًا تحت السطح: سائل قلوي معتدل يحتوي على الكثير من الكربون المذاب والمواد المؤكسدة؛ سائل وسيط بقلوية متوسطة وكبريتات وفيرة؛ وسائل شديد القلوية غني جدًا بالهيدروجين والميثان لكنه يعاني من ندرة في الكربون المذاب. تخلق هذه التدرجات الطبيعية مجموعة من "العوالم" المتباينة التي يمكن أن تستوطنها الميكروبات تحت السطح.

وزن نمو الميكروبات خلية بخلية

قياس مدى سرعة نمو الميكروبات تحت الأرض صعب للغاية. بدل تتبع مصدر طعام محدد، استخدم الفريق "ماء ثقيلاً" يحتوي على الديوتيريوم، وهو شكل أثقل من الهيدروجين. لأن كل الخلايا النامية تحتاج الماء لبناء الكتلة الحيوية الجديدة، فإن أي ميكروب ينشئ مكونات خلوية بنشاط سيستبدل بهدوء بعض هيدروجينه العادي بالديوتيريوم. باستخدام المجهر الطيفي رامان — تقنية قائمة على الليزر تقرأ الاهتزازات الكيميائية داخل الخلايا الفردية — تمكن العلماء من كشف كمية الديوتيريوم التي دمجتها كل خلية مفردة. ومن ذلك استدلوا على معدلات النمو وأزمنة التكاثر لأكثر من ألفي ميكروب فردي، دون الحاجة لمعرفة هويتها أو نظامها الغذائي سلفًا.

سريعو النمو في مكان غير متوقع

كشفت قياسات الخلية الواحدة عن غلاف حيوي تحت سطحي مفاجئ النشاط. في المياه القلوية المعتدلة والوسطى، كانت معظم الخلايا نشطة، وجزء كبير منها نمّاء سريعًا بأزمنة تكاثر على مقياس أيام إلى أسابيع. حتى من دون إضافة طعام إضافي، تضاعفت العديد من الخلايا في أقل من أسبوعين. بالمقابل الواضح، احتوى السائل شديد القلوية — حيث يكون الرقم الهيدروجيني قريبًا من منظف المصارف المنزلي ويكون الكربون غير العضوي المذاب نادراً للغاية — على تجمعات أبطأ، مع أزمنة تكاثر نموذجية امتدت إلى أشهر أو حتى سنوات. ومع ذلك، حتى في هذه المياه القصوى، كان هناك أقلية ذات معنى من الخلايا واضحة النشاط وقادرة على النمو.

الميكروبات التي تحول كيمياء الصخور إلى ميثان

أظهرت تسلسلات الحمض النووي أن العتائق المولدة للميثان (الميثانوجينات) والميكروبات المختزلة للكبريتات هي التي سيطرت على المجتمعات بعد الحضانة. أكدت مراقبة إنتاج الميثان والكبريتيد عبر الزمن أن هذه المجموعات لم تكن حاضرة فحسب، بل كانت ذات نشاط أيضي قوي. تراكم الميثان كان الأسرع في السوائل الأقل قلوية وبطئ بشكل ملحوظ مع ارتفاع الرقم الهيدروجيني، مما يشير إلى قيود مفروضة بنقص ثاني أكسيد الكربون المذاب. عندما أضاف الباحثون بيكربونات — شكل من أشكال الكربون غير العضوي — استجابت العديد من المجتمعات ببعض أسرع معدلات نموها وإنتاج الميثان. تشير هذه الاستجابة إلى أن في هذه النظم المستضيفة للصخور، فإن الميكروبات مضبوطة بدقة لاستخدام الكربون غير العضوي المذاب، حتى في المياه الجوفية شديدة القلوية حيث يكون معظم الكربون محبوسًا في أشكال أقل قابلية للوصول.

دلالات على الطاقة النظيفة وعوالم أخرى

بدمج قياسات نمو الخلية الواحدة مع تقديرات أعداد الخلايا وإنتاج الميثان، حسب المؤلفون كمية الهيدروجين التي يمكن أن تستهلكها الميكروبات تحت السطح على مقياس خزَّان صخري كامل. تشير نتائجهم إلى أن المجتمعات الميكروبية في الصخور الخاضعة للتسرب الرملي يمكن أن تستخدم الهيدروجين أسرع مما يفرّ إلى السطح، ويمكن أن تحول جزءًا كبيرًا من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون المحقون إلى ميثان وكبريتيد. بالنسبة لخطط حصاد "الهيدروجين الجيولوجي" أو لتخزين ثاني أكسيد الكربون في مثل هذه الصخور، فهذا يعني أن الميكروبات المحلية قد تعيد تشكيل الكيمياء بقوة، مع مخاطر وفرص على حد سواء. وعلى نطاق أوسع، يعزز الاكتشاف أن الحياة في هذه الصخور العميقة القلوية يمكن أن تكون نشطة وقابلة للتكيف الحجة القائلة بأن نظم الصخر-الماء المماثلة على عوالم مثل المريخ أو الأقمار الجليدية قد تستضيف أغلفة حيوية قابلة للكشف من تلقاء نفسها.

الاستشهاد: Kashyap, S., Caro, T.A. & Templeton, A.S. Microbial growth rates captured using Raman-SIP reveal a highly active subsurface biosphere fueled by serpentinization. Nat Commun 17, 4128 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70622-w

الكلمات المفتاحية: علم الأحياء الدقيقة تحت السطح, التحول إلى سيربينتاين (التسرب الرملي), الهيدروجين الجيولوجي, تكوّن الميثان, قابلية الحياة في الغلاف الحيوي