En"Ίσως περιμένουν κάτι που θα συμβεί μόνο χιλιάδες χρόνια αργότερα": Η κρυμμένη ζωή "κοιμάται" βαθιά κάτω από τη Γη για εκατομμύρια χρόνια
Το κρυφό βασίλειο των "εσωγήινων" μικροβίων
Ανακαλύψτε τους μικροοργανισμούς που ζουν στα έγκατα του πλανήτη μας, επιβιώνοντας σε ακραίες συνθήκες για χιλιάδες ή και εκατομμύρια χρόνια σε λήθαργο.
Διαβάστε: Διαστημικά σκουπίδια: Επιστήμονες επινόησαν έναν καινοτόμο τρόπο για την παρακολούθησή τους
Πώς εξελίσσεται η ζωή που δεν αναπτύσσεται για χιλιάδες χρόνια
Η μικροσκοπική ζωή που βρίσκεται θαμμένη βαθιά στα ιζήματα του ωκεάνιου πυθμένα έχει αναπτύξει μοναδικές ικανότητες επιβίωσης. Αυτοί οι μικροοργανισμοί, γνωστοί ως εσωγήινοι, ζουν μέσα στον φλοιό της Γης σε όλο τον πλανήτη. Για να κατανοήσουμε πώς εξελίχθηκαν, πρέπει πρώτα να σκεφτούμε τι βιώνουν κατά τη διάρκεια της ζωής τους.
Αυτοί οι αργοί οργανισμοί δεν ενδιαφέρονται για τη διάρκεια μιας ημέρας. Είναι θαμμένοι τόσο βαθιά που δεν μπορούν να ανιχνεύσουν τον ήλιο. Πιθανότατα δεν θα παρατηρούσαν καν την αλλαγή των εποχών. Ωστόσο, ενδέχεται να τους απασχολούν άλλοι, μακρύτεροι γεωλογικοί ρυθμοί: το άνοιγμα και το κλείσιμο ωκεάνιων λεκανών μέσω της τεκτονικής των πλακών, ο σχηματισμός νέων νησιωτικών αλυσίδων ή νέες ροές ρευστών που προκαλούνται από την αργή δημιουργία ρωγμών στον φλοιό της Γης.
Η βιολογία των γεωλογικών χρονικών κλιμάκων
Η βιολογία που διδάσκεται στα σχολεία θεωρεί τα γεωλογικά γεγονότα ως εξελικτικούς παράγοντες για ένα είδος, όχι για ένα άτομο. Για παράδειγμα, οι σπίνοι του Δαρβίνου εξέλιξαν νέα σχήματα ράμφους επειδή είχαν απομονωθεί σε ένα νησί με συγκεκριμένο σχήμα σπόρων. Αυτή η εξέλιξη συνέβη στη γεωλογική χρονική κλίμακα του σχηματισμού των νησιών, αλλά εμφανίστηκε σε μια γενεαλογική σειρά ειδών, όχι σε ένα μεμονωμένο πουλί.
Γνωρίζουμε όμως ότι τα άτομα είναι επίσης ικανά να αλλάζουν μαζί με τους ρυθμούς του περιβάλλοντός τους. Η γούνα μιας αρκτικής αλεπούς αλλάζει από λευκή σε καφέ όταν το χιόνι λιώνει κάθε άνοιξη. Πολλοί άνθρωποι ξυπνούν την ίδια ώρα κάθε πρωί χωρίς τη βοήθεια ξυπνητηριού. Οι ημερήσιοι και ετήσιοι ρυθμοί φαίνονται λογικά πράγματα για έναν άνθρωπο ή ένα ζώο να παρακολουθεί.
Οι εποχές των παγετώνων, όχι τόσο. Η πρόβλεψη αλλαγών σε μεγαλύτερες χρονικές κλίμακες φαίνεται παράλογη. Θα ήταν γελοίο να υποδείξουμε ότι ένας μεμονωμένος σπίνος θα είχε εξελίξει την ικανότητα να κολυμπά επειδή είχε μια έμφυτη πρόβλεψη ότι το νησί του θα βυθιζόταν στη θάλασσα σε 100.000 χρόνια. Ή ότι ένα σκαθάρι στην έρημο Γκόμπι θα μπορούσε να αναπαραχθεί μόνο όταν έτρωγε έναν σπόρο από το τροπικό δάσος του Αμαζονίου επειδή γεννήθηκε εκατομμύρια χρόνια πριν, όταν η Νότια Αμερική και η Αφρική ήταν ενωμένες.
Τι υπάρχει κάτω από την επιφάνεια της Γης και πώς επιβιώνει
Αυτά τα σενάρια δεν έχουν νόημα για τα ζώα, αλλά μπορεί να είναι λογικά για τους εσωγήινους μικροοργανισμούς. Ένα άτομο που ζει για ένα εκατομμύριο χρόνια μπορεί να είναι εξελικτικά προδιατεθειμένο να βασίζεται σε κάτι τόσο αργό όσο η καθίζηση ενός νησιού με τον ίδιο τρόπο που εμείς είμαστε εξελικτικά προδιατεθειμένοι να περιμένουμε να ανατείλει ο ήλιος αύριο. Για να κατανοήσουμε πλήρως τους εσωγήινους, ίσως χρειαστεί να επανεξετάσουμε τι προσδιορίζεται ως εξελικτικό σήμα.
Το γεγονός ότι τα ζωντανά κύτταρα πιθανώς υπάρχουν σε κατάσταση μη ανάπτυξης για πολύ μεγάλες χρονικές κλίμακες εγείρει δύο σημαντικά ερωτήματα. Μπορεί ένα μικρόβιο να προσαρμοστεί ώστε να αποφεύγει την κυτταρική διαίρεση για χιλιάδες χρόνια ή περισσότερο, αντί να συμβαίνει τυχαία; Και, αν ναι, πώς λειτουργεί η εξέλιξη για έναν οργανισμό που φαινομενικά δεν παράγει ποτέ απογόνους;
Η προσαρμογή στην αιώνια αναμονή
Για μένα, το να ζεις για εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια φαίνεται απίθανο να συμβεί χωρίς προσαρμογή. Πάρα πολλές φυσιολογικές αλλαγές απαιτούνται για να υποστηρίξουν αυτόν τον τρόπο ζωής ώστε να είναι παρενέργεια μιας "κανονικής" ταχείας ζωής. Επιπλέον, αν αυτός ο τρόπος ζωής είναι τυχαίος, τότε η κύρια ζωή τους που υποστηρίζει την ανάπτυξη πρέπει να συμβαίνει σε κάποιο άλλο περιβάλλον. Αλλά σπάνια βλέπουμε τους τύπους μικροβίων που βρίσκουμε στον υποθαλάσσιο πυθμένα αλλού.
Δεν είναι σαν να ήταν κανονικά μικρόβια θαλασσινού νερού που κολυμπούσαν ευτυχισμένα, διαιρούνταν και αναπτύσσονταν όταν έπεσαν στον πυθμένα της θάλασσας και ξέχασαν να πεθάνουν. Αντίθετα, οι περισσότεροι από αυτούς τους εξαιρετικά ποικιλόμορφους μικροοργανισμούς φαίνεται να υπάρχουν μόνο σε θαλάσσια ιζήματα. Δεδομένου αυτού, μπορεί να είναι εξίσου επιλεγμένοι για τα θαλάσσια ιζήματα όπως οι παπαγάλοι είναι για ένα τροπικό δάσος.
Πράγματι, διαπιστώνουμε ότι σε αυξανόμενα βάθη στα θαλάσσια ιζήματα, τα μικρόβια παράγουν ένζυμα με υψηλότερη ειδικότητα για τον τύπο των υποστρωμάτων που είναι διαθέσιμα στο υπέδαφος, υποδηλώνοντας ότι είναι ειδικά προσαρμοσμένα για αυτό το περιβάλλον.
Η φυσική επιλογή στους μικροοργανισμούς του υπεδάφους
Οι μικροοργανισμοί του υπεδάφους έχουν επίσης προσαρμογές που επιτρέπουν εξαιρετικά αργούς μεταβολισμούς και κυτταρικές διαιρέσεις. Αυτό υποδηλώνει ότι είναι κάπως εξελικτικά έτοιμοι να βρίσκονται σε μακροχρόνια κατάσταση μη ανάπτυξης. Αλλά εδώ έχουμε ένα πρόβλημα. Σύμφωνα με τη θεωρία της φυσικής επιλογής του Δαρβίνου, αυτά τα κύτταρα πρέπει να αναπτυχθούν και να δημιουργήσουν νέους απογόνους για να εξελιχθούν.
Η φυσική επιλογή λειτουργεί επειδή, κατά την αναπαραγωγή, οι οργανισμοί βιώνουν μεταλλάξεις. Και όταν ένας οργανισμός έχει μια μετάλλαξη που είναι ευεργετική, η μετάλλαξη αυξάνει την καταλληλόλητα του οργανισμού, έτσι οι απόγονοι του οργανισμού ξεπερνούν εκείνους των μη μεταλλαγμένων οργανισμών, με αποτέλεσμα περισσότεροι απόγονοι να έχουν τη μετάλλαξη. Αυτές οι περαιτέρω γενιές συνεχίζουν να τα πηγαίνουν καλύτερα από τις μη μεταλλαγμένες γενεαλογίες, και τελικά η μετάλλαξη εξαπλώνεται σε όλο τον πληθυσμό.
Έτσι, η προσαρμογή έχει συμβεί μέσω της φυσικής επιλογής. Αλλά πώς μπορούμε να σκεφτούμε τη δαρβινική εξέλιξη σε πληθυσμούς που δεν αναπαράγονται; Πώς μπορείς να προσαρμοστείς για να μην κάνεις απογόνους; Δεν νομίζω ότι ο Δαρβίνος είχε κατά νου τη μη ανάπτυξη όταν περιέγραψε την επιβίωση του ισχυρότερου.
Ευτυχώς, έχουμε ένα καλό μοντέλο στον βραχυπρόθεσμο εποχιακό λήθαργο. Εδώ ο λήθαργος κατά τη διάρκεια του χειμώνα έχει ένα εξελικτικό πλεονέκτημα επειδή οι οργανισμοί σε λήθαργο έχουν μεγαλύτερους πληθυσμούς που απομένουν μόλις οι συνθήκες είναι ώριμες για ανάπτυξη ξανά την άνοιξη. Αυτοί οι οργανισμοί έχουν έτσι ένα προβάδισμα σε άλλους οργανισμούς και μπορούν να μεταβιβάσουν τα γονίδια λήθαργου τους σε έναν μεγαλύτερο πληθυσμό απογόνων την άνοιξη και το καλοκαίρι.
Για τι περιμένουν οι μικροοργανισμοί να ξυπνήσουν
Ας επεκτείνουμε αυτό το μοντέλο στον λήθαργο που διαρκεί χιλιάδες χρόνια σε θαλάσσια ιζήματα. Πρέπει να σκεφτούμε ένα γεγονός που οι εσωγήινοι θα μπορούσαν πιθανώς να περιμένουν που θα τους τραβήξει έξω από τον λήθαργο όταν είναι θαμμένοι εκατοντάδες μέτρα βαθιά στον φλοιό της Γης. Αν συναντήσουμε ένα μικρόβιο σε λήθαργο στο χώμα το χειμώνα, μπορούμε να υποθέσουμε ότι περιμένει να αρχίσει να αναπτύσσεται ξανά το καλοκαίρι. Ποια είναι η ισοδύναμη κατάσταση για έναν βαθιά θαμμένο οργανισμό θαλάσσιου ιζήματος που βρίσκεται σε λήθαργο για χιλιάδες έως εκατομμύρια χρόνια;
Ας κάνουμε ένα νοητικό πείραμα. Φανταστείτε ότι οι ανθρώπινες ζωές διαρκούσαν μόνο περίπου 24 ώρες. Θα γεννιόσασταν τα μεσάνυχτα, θα επαναστατούσατε ενάντια στους γονείς σας στο πρωινό, θα αποκτούσατε παιδιά λίγο πριν το μεσημεριανό γεύμα και θα ξεκινούσατε το ψάρεμα ως χόμπι συνταξιοδότησης γύρω στην ώρα του δείπνου. Μέχρι τα μεσάνυχτα, οι αγαπημένοι σας, που οι ίδιοι γεννήθηκαν μόνο λίγες ώρες πριν, θα μαζεύονταν κοντά και θα κρατούσαν το χέρι σας καθώς θα φεύγατε ειρηνικά στην ώριμη ηλικία μιας ημέρας.
Αν όλοι έκαναν αυτό, εκατοντάδες ανθρώπινες γενιές θα έρχονταν και θα έφευγαν μέσα σε έναν μόνο χειμώνα. Καθ' όλη τη διάρκεια αυτού του χρονικού διαστήματος, που θα αντιπροσώπευε ένα σημαντικό κομμάτι της ανθρώπινης ιστορίας, τα φυλλοβόλα δέντρα θα παρέμεναν καφέ και άψυχα. Η μόνιμη νεκρότητα των δέντρων θα λαμβανόταν ως αδιαμφισβήτητο γεγονός, και επιστήμονες σαν εμένα πιθανώς θα έγραφαν προτάσεις για να κατανοήσουν αν τα δέντρα είναι ζωντανά ή όχι, δεδομένου ότι δεν φαίνεται να αναπτύσσονται ή να κάνουν απογόνους.
Η μικροσκοπική ζωή σε ακραίες συνθήκες και οι γεωλογικοί κύκλοι
Εμείς οι άνθρωποι με διάρκεια ζωής 100 ετών γνωρίζουμε ότι τα δέντρα απλώς περιμένουν να εκμεταλλευτούν τον καλοκαιρινό ήλιο. Αλλά οι άνθρωποι με διάρκεια ζωής μιας ημέρας θα ήταν σε αμηχανία. Όταν σκεφτόμαστε τη ζωή στο υπέδαφος, είμαστε σαν ανθρώπους με διάρκεια ζωής μιας ημέρας που σκέφτονται ένα δέντρο; Οι μακρόβιοι εσωγήινοι περιμένουν σήματα αφύπνισης που δεν αναγνωρίζουμε επειδή οι ζωές μας είναι πολύ σύντομες για να τα δούμε; Ποιος είναι καν ο σκοπός της ζωής για εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια;
Πρέπει να υπάρχει κάποιος λόγος που αυτοί οι εσωγήινοι παραμένουν τόσο καιρό. Υπάρχουν στοιχεία ότι ο μακροχρόνιος λήθαργος έχει ένα επιλεκτικό πλεονέκτημα. Όταν αφήνετε το εργαστηριακό άλογο εργασίας Escherichia coli να κάθεται χωρίς τροφή για μήνες ή ακόμα και χρόνια, πολλά από τα κύτταρα εισέρχονται σε κατάσταση μακροχρόνιου λήθαργου όπου είναι ζωντανά και μεταβολίζουν, αλλά δεν αναπτύσσονται σχεδόν τόσο γρήγορα όσο όταν τα ταΐζετε.
Αν αναμείξετε αυτά τα σχεδόν νεκρά E. coli με μια φρέσκια παρτίδα ταχέως αναπτυσσόμενων E. coli και τα πεινάσετε και τα δύο, οι παλιοί νικούν τα γλυκά μικρά νεαρά. Αυτό το πλεονέκτημα ανάπτυξης σε στάσιμη φάση μπορεί να είναι το μυστικό για το γιατί οι εσωγήινοι ζουν τόσο πολύ. Ίσως περιμένουν κάτι που συμβαίνει μόνο χιλιάδες χρόνια αργότερα ώστε να είναι αυτοί που θα εκμεταλλευτούν τη νέα κατάσταση. Μπορεί να ενεργούν ως μοναχοί, συνηθισμένοι στη στέρηση ενώ οι λαίμαργοι πεθαίνουν γύρω τους.
Γεωλογικές διαδικασίες ως σήματα αφύπνισης
Λοιπόν, για τι περιμένουν αυτοί οι μικροοργανισμοί μοναχοί να ξυπνήσουν; Οι εποχιακοί κύκλοι είναι πολύ γρήγοροι. Τα μόνα πράγματα αρκετά αργά είναι οι γεωλογικές διαδικασίες. Για παράδειγμα, η καθίζηση νησιών, οι πλημμύρες, η ξηρασία ή οι καταιγίδες συχνά συμβαίνουν σε κύκλους εκατό έως χίλια ετών. Οι υποθαλάσσιες κατολισθήσεις, οι σεισμοί, τα τσουνάμι και οι ηφαιστειακές εκρήξεις μπορεί να μετακινούν υλικά σε ακόμη μεγαλύτερες χρονικές κλίμακες, εκθέτοντας τους εσωγήινους σε νέες πηγές τροφής που τους παρακινούν να βγουν από τον λήθαργο μετά από εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια.
Φαίνεται περίεργο να πούμε ότι ένα μικρόβιο είναι προσαρμοσμένο να περιμένει κάτι τόσο σπάνιο όσο μια ηφαιστειακή έκρηξη, αλλά η ιστορία της Γης δείχνει ότι μπορείς να βασιστείς στις ηφαιστειακές εκρήξεις, αρκεί να έχεις χρόνο να περιμένεις.
Αν αφήσουμε πραγματικά τη φαντασία μας να τρέξει ελεύθερα, μεμονωμένα μικρόβια μπορεί να είναι προσαρμοσμένα σε γεγονότα με ακόμη μεγαλύτερες περιόδους όπως οι παγετώδεις κύκλοι, που αλλάζουν κάθε 30.000 χρόνια περίπου. Ή η αργή κίνηση των τεκτονικών πλακών. Καθώς νέος θαλάσσιος πυθμένας αναδύεται στις ράχες των μέσων ωκεανών, ο υπάρχων θαλάσσιος πυθμένας ωθείται συνεχώς μακριά από τη μέση του ωκεανού, όπως ένα άτομο που στέκεται σε έναν κυλιόμενο διάδρομο σε αεροδρόμιο.
Ο θαλάσσιος πυθμένας τελικά συγκρούεται με μια ήπειρο στο πιο αργό εκτροχιασμό τρένου που έγινε ποτέ. Μερικά από τα ιζήματα και οι εσωγήινοι που ζουν σε αυτά θα σύρονται στην καταδυόμενη πλάκα κάτω για να συνθλιβούν τελικά σε θερμοκρασίες και πιέσεις που σκοτώνουν όλη τη ζωή όπως την ξέρουμε.
Η επιστροφή στην επιφάνεια ως εξελικτικό πλεονέκτημα
Ακόμη και για τους εξτρεμόφιλους, το να σύρονται μέχρι τον μανδύα θα ήταν σίγουρα ένα εξελικτικό αδιέξοδο. Ωστόσο, μερικά από τα ιζήματα που βρίσκονται στα πρώτα στάδια καταβύθισης κάτω από ηπειρωτικές πλάκες μπορεί να επιστρέψουν μέσω ρωγμών και σχισμών που ανοίγουν στην υπερκείμενη πλάκα. Κατά τη διάρκεια αυτής της σύγκρουσης, μερικά από τα ιζήματα του θαλάσσιου πυθμένα ωθούνται προς τα πάνω σε προσαυξητικά πρίσματα και τα συνοδευτικά ρήγματα που δημιουργούνται από σεισμούς ή άλλες παραμορφώσεις πλακών.
Θα μπορούσε όλη αυτή η συσσώρευση, η ρηξιγένεση και η ανάβλυση στην επιφάνεια να είναι αυτό που περιμένουν οι εσωγήινοι; Ας σκεφτούμε τις επιπτώσεις. Αυτό θα σήμαινε ότι τα μεμονωμένα μικροβιακά κύτταρα που τραβάμε στα πλοία γεώτρησής μας που φαίνονται να βρίσκονται σε λήθαργο απλώς περιμένουν υπομονετικά την εξαιρετικά αργή κίνηση των πλακών να τα συμπιέσουν σε μια ήπειρο, όπου έχουν μια ευκαιρία να επανεμφανιστούν και να επαναρχίσουν την ανάπτυξη.
Η εξελικτική ανταμοιβή για την αναμονή για εκατομμύρια χρόνια σε βαθιά θαλάσσια ιζήματα θα ήταν να επιστρέψουν στον ανώτερο θαλάσσιο πυθμένα ξανά όπου η τροφή είναι πιο θρεπτική, οπότε το μικρόβιο θα μεταβίβαζε τα γονίδιά του σε μελλοντικές γενιές. Όπως κάθε τυπική δαρβινική φυσική επιλογή, τα άτομα που έχουν τις καλύτερες προσαρμογές για να βρίσκονται σε λήθαργο για εκατομμύρια χρόνια θα είχαν ένα πλεονέκτημα ανάπτυξης μόλις φτάσουν πίσω στην επιφάνεια, διασφαλίζοντας ότι αυτές οι προσαρμογές γίνονται σταθερές στις κοινότητες. Είναι το να πετιέσαι πίσω στα επιφανειακά ιζήματα η εκδοχή του καλοκαιριού για έναν εσωγήινο;
