روبیسکو در تاریکی: روایت کشف توان عظیم تثبیت کربن در اعماق ناشناخته اقیانوسها
روبیسکو (RuBisCO)، یکی از حیاتیترین آنزیمهای زیستی، به عنوان موتور اصلی فتوسنتز در گیاهان، جلبکها و سیانوباکترها شناخته میشود. این آنزیم پلی میان جو و زیستکره است: با تثبیت دیاکسید کربن، آن را به زیستمولکولهای آلی تبدیل میکند. اما سؤالی کمتر مطرحشده وجود دارد: آیا روبیسکو صرفاً متعلق به موجوداتی است که در نور زندگی میکنند؟ آیا تاریکی مطلق اعماق اقیانوس، از نظر زیستی خاموش است؟
مقالهای نوآورانه از “الکساندر جافی” و همکاران، با ترکیب دادههای متاژنومیک و ترنسکریپتومیک از آبهای عمیق سواحل کالیفرنیا و منابع جهانی، پرده از داستانی کمتر شناختهشده اما بسیار مهم برمیدارد: اکوسیستمهای تاریک اقیانوسی نیز، برخلاف تصور رایج، میزبان شبکهای گسترده از تثبیت کربن وابسته به روبیسکو هستند.
پیشزمینه علمی: روبیسکو و فرمهای آن
روبیسکو مخفف Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase است؛ آنزیمی که در مسیر کالوین عمل میکند و دیاکسید کربن را به ریبولوز متصل میکند. چندین فرم از روبیسکو شناسایی شده است:
فرم I: رایجترین، در گیاهان، جلبکها و برخی باکتریها.
فرم II: در بعضی باکتریها و پروتئوباکترهای خاص.
فرم III: عمدتاً در آرکئاها، و بدون عملکرد فتوسنتزی کلاسیک.
فرم IV: شبهروبیسکو، بدون فعالیت تثبیت کربن.
مقاله مورد نظر نشان میدهد که در عمق ۱۵۰ متر و پایینتر، این آنزیمها بهویژه فرمهای I و II، در جامعه میکروبی نقش فعالی دارند.
روش تحقیق: ژنوم و ترنسکریپتوم در کنار هم
محققان با تولید ۱۵ مجموعه متاژنوم از اعماق مختلف آبهای سواحل کالیفرنیا (شامل اپیپلاژیک و مزوپلاژیک)، و تحلیل آنها به همراه دادههای عمومی جهانی، به شناسایی تنوع و فراوانی ارگانیسمهای روبیسکودار پرداختند. همچنین با بررسی ترنسکریپتومهای فعال، میزان بیان واقعی ژنها در شرایط محیطی مختلف نیز تحلیل شد.
یافتههای کلیدی:
۱. روبیسکو همهجا هست — حتی در تاریکی مطلق
برخلاف انتظار، ژنهای روبیسکو در تقریباً تمامی نمونهها شناسایی شدند، حتی در مناطق کاملاً فاقد نور. در برخی نقاط، این ارگانیسمها تا ۲۰٪ کل جمعیت میکروبی را تشکیل میدادند—عدد قابل توجهی که نشاندهندهی نقش اکولوژیکی مهم آنهاست.
۲. بازیگران اصلی: گاماپروتئوباکترها و SAR324
در نواحی عمیقتر، بهویژه از ۱۵۰ متر به پایین، جامعهی میکروبی تثبیتکنندهی کربن عمدتاً از دو گروه تشکیل شده بود:
دو رده از گاماپروتئوباکترها با روبیسکوی نوع I یا II
شاخهی SAR324 که تا همین اواخر ناشناخته باقی مانده بود.
این میکروبها، علاوه بر روبیسکو، مسیرهای متابولیکی اکسیداسیون ترکیبات گوگرد را نیز دارند؛ بهعبارتی از انرژی شیمیایی گوگرد برای تأمین انرژی مورد نیاز تثبیت کربن استفاده میکنند (chemoautotrophy).
۳. روبیسکو روشن نیست، بلکه انعطافپذیر است
بیان ژنهای روبیسکو، بهویژه در فرمهای I، II و III، در آبهای عمیق با شدت بالا دیده میشود—اما نه بهصورت دائمی. این یعنی ارگانیسمها بهصورت تطبیقی و در واکنش به شرایط خاص محیطی (مانند تغییرات ترکیبات شیمیایی یا مواد مغذی)، مسیرهای تثبیت کربن را فعال یا خاموش میکنند. این نشاندهندهی انعطاف متابولیکی بالا است.
۴. روبیسکو بدون نور هم معنا دارد
یافتهها تأییدی بر فرضیهای هستند که مدتها در بایوجئوشیمی مطرح بوده: تثبیت کربن در اعماق دریا، تنها به ارگانیزمهای فتوسنتزکنندهی سطحی محدود نمیشود. بلکه اکوسیستمهای تاریک اقیانوسی با بهرهگیری از مسیرهای شیمیواتوتروفی و آنزیم روبیسکو، نقشی غیرقابل چشمپوشی در چرخه جهانی کربن ایفا میکنند.
ارتباط با چرخه جهانی کربن و تغییرات اقلیمی
وجود این سطح از فعالیت تثبیت کربن در لایههای تاریک اقیانوس، میتواند بهشدت بر درک ما از تعادل کربن در جو و دریا تأثیر بگذارد. مدلهای اقلیمی که بر اساس فرض تثبیت کربن صرفاً در سطح اقیانوس طراحی شدهاند، ممکن است نیاز به بازنگری داشته باشند.
همچنین این کشف در تحلیل دینامیک چرخه کربن در عصر گرمایش زمین، نقش بالقوهای در پیشبینی تغییرات زیستی، اسیدی شدن اقیانوس و حتی ظرفیت جذب دیاکسید کربن توسط دریاها دارد.
جمعبندی و چشمانداز آینده
مقالهی جافی و همکاران، مرزهای درک ما از زندگی در اعماق اقیانوسها را جابهجا میکند. اکنون میدانیم:
روبیسکو تنها مختص گیاهان و موجودات فتوسنتزکننده نیست.
تاریکی بهمعنای خاموشی نیست؛ بلکه میتواند بستر یک زیستبوم شیمیواتوتروفی پیچیده باشد.
میکروبهای گمنام اعماق، نقشی کلیدی در حفظ توازن اکولوژیکی زمین ایفا میکنند.
در آینده، توسعه ابزارهای دقیقتر برای شناسایی بیان ژن در محیطهای تاریک، بررسی تعامل بین گونهها و ارزیابی برونداد متابولیکی آنها، به رمزگشایی بیشتر از اکوسیستمهای عمیق کمک خواهد کرد.
منبع :
Abundant and metabolically flexible bacterial lineages underlie a vast potential for rubisco-mediated carbon fixation in the dark ocean