وبلاگ

محققان نوع جدیدی از چرخه گوگرد را در دریاچه سوپریور کشف کردند.

یافته های آنها، منتشر شده در لیمنولوژی و اقیانوس شناسیتوجه را بر نقش ترکیبات آلی گوگرد در این چرخه بیوژئوشیمیایی متمرکز کنید.

عنصر زرد گوگرد یک درشت مغذی حیاتی است و الکساندرا فیلیپس ژئوشیمیدان در تلاش است تا چگونگی حرکت آن در محیط را درک کند. به طور خاص، او کنجکاو است چرخه گوگرد در زمین اقیانوس باستانیحدود 3 میلیارد سال پیش

خوشبختانه، آب های فقیر از مواد مغذی دریاچه سوپریور، نگاهی اجمالی به گذشته دارد. فیلیپس، عضو سابق فوق دکتری در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا و دانشگاه مینه‌سوتا، دولوث، می‌گوید: «نگریستن به میلیاردها سال گذشته واقعاً سخت است. “پس این یک پنجره عالی است.”

از سولفات تا سولفید هیدروژن

یون سولفات (SO4) رایج ترین شکل گوگرد در محیط زیست و جزء اصلی آب دریا است. در کف اقیانوس ها و دریاچه ها، جایی که اکسیژن در دسترس نیست، برخی از میکروب ها با تبدیل سولفات به سولفید هیدروژن (H2S) امرار معاش می کنند. سرنوشت این سولفید هیدروژن پیچیده است. می تواند به سرعت توسط میکروارگانیسم ها در طول تنفس مصرف شود یا می تواند میلیون ها سال در رسوبات باقی بماند. تبدیل سولفات به سولفید هیدروژن یک شغل قدیمی است. شواهد ژنومی نشان می دهد که میکروب ها حداقل 3 میلیارد سال است که این کار را انجام می دهند.

اما دانشمندان فکر می کنند سولفات تا حدود 2.7 تا 2.4 میلیارد سال پیش، زمانی که فعالیت فتوسنتزی سیانوباکتری های تازه تکامل یافته شروع به پمپاژ مقادیر عظیمی از اکسیژن به اقیانوس و جو کرد، به وفور یافت نشد. پس این میکروب های باستانی سولفات خود را از کجا می آوردند؟

فیلیپس با تأمل در این وضعیت، توجه خود را به سولفور آلی معطوف کرد، مولکول هایی که در آن گوگرد به یک ترکیب کربن متصل است. اینها شامل سولفولیپیدها و آمینو اسیدهای گوگرد است. در اقیانوس های مدرن، سولفات تقریبا یک میلیون بار بیشتر از گوگرد آلی است. او می گوید: «اما در سیستمی که سولفات زیادی وجود ندارد، ناگهان گوگرد آلی اهمیت بیشتری پیدا می کند.

سرگئی کاتسو، نویسنده ارشد رصدخانه دریاچه‌های بزرگ دانشگاه مینه‌سوتا، می‌گوید: «برای مدت طولانی، تفکر ما تحت سلطه چیزهایی بود که می‌توانیم از اقیانوس‌های مدرن که سرشار از سولفات هستند یاد بگیریم. Katsev یک همکار ارشد تحقیقاتی در پروژه ای بود که توسط بنیاد ملی علوم تامین می شد. با این حال، درک زمین اولیه مستلزم بررسی فرآیندهایی است که در زمانی که سولفات کمیاب است اتفاق می‌افتد و اینجاست که گوگرد آلی می‌تواند کل پارادایم را تغییر دهد.»

چیز راحت در مورد دریاچه سوپریور

اتفاقاً دریاچه سوپریور سولفات بسیار کمی دارد، تقریباً هزار برابر کمتر از اقیانوس مدرن. فیلیپس می‌گوید: از نظر سولفات، دریاچه سوپریور به اقیانوس میلیاردها سال پیش بسیار نزدیک‌تر به نظر می‌رسد و می‌تواند به ما در درک فرآیندهایی کمک کند که نمی‌توانیم به طور مستقیم به گذشته برگردیم. اقیانوس های اولیه سولفات بسیار کمی داشتند زیرا اکسیژن آزاد بسیار کمتری برای تشکیل SO4 در دسترس بود.

دریاچه بزرگ به عنوان آنالوگ اقیانوس باستان عمل می کند و به فیلیپس اجازه می دهد تا ببیند که چرخه گوگرد در آن زمان با مواد شیمیایی مشابه چگونه کار می کرد. او سه سوال در ذهن داشت:

• اگر کاهش سولفات اتفاق می افتد، کدام میکروب ها مسئول هستند؟
• اگر گوگرد آلی این فرآیند را تامین می کند، میکروب ها چه نوع ترکیباتی را ترجیح می دهند؟
• و برای سولفید هیدروژن حاصل چه اتفاقی می افتد؟

فیلیپس و همکارانش به دریاچه سوپریور رفتند تا گوگرد آلی را از منبع تا غرق ردیابی کنند. این تیم نمونه‌های آب و رسوب را برای تجزیه و تحلیل از دو مکان به آزمایشگاه بردند: یکی با اکسیژن فراوان در رسوبات و دیگری بدون اکسیژن. کاهش سولفات معمولاً در قسمت های بدون اکسیژن محیط اتفاق می افتد. اکسیژن منبع بزرگی است، بنابراین موجودات زنده ترجیح می دهند در صورت امکان به جای سولفات از اکسیژن استفاده کنند. این تیم از متاژنومیک تفنگ ساچمه ای برای جستجوی میکروب هایی با ژن های دخیل در کاهش سولفات استفاده کردند. و آنها چیزهای زیادی پیدا کردند، درست در لایه ای که سطح سولفات در رسوبات به اوج خود رسید. در مجموع، آنها هشت گونه کاهنده سولفات را شناسایی کردند.

سپس محققان تصمیم گرفتند تا مشخص کنند که میکروب ها چه نوع گوگرد آلی را ترجیح می دهند. آنها اشکال مختلفی از گوگرد آلی را برای جداسازی جوامع میکروبی دادند و نتایج را مشاهده کردند. نویسندگان دریافتند که میکروب ها بیشتر سولفات خود را از سولفولیپیدها به جای اسیدهای آمینه گوگرد تولید می کنند. اگرچه این فرآیند مقداری انرژی می‌گیرد، اما بسیار کمتر از آن است که میکروب‌ها از احیای بعدی سولفات به سولفید هیدروژن دریافت کنند.

نه تنها سولفولیپیدها برای این فرآیند مورد علاقه هستند، بلکه در رسوبات نیز فراوانتر هستند. سولفولیپیدها توسط جوامع میکروبی دیگر تولید می شوند و پس از مرگ به کف دریاچه منتقل می شوند.

با پاسخ “چه کسی” و “چگونه”، فیلیپس توجه خود را به سرنوشت سولفید هیدروژن معطوف کرد. در اقیانوس مدرن، سولفید هیدروژن می تواند با آهن واکنش داده و پیریت را تشکیل دهد. اما همچنین می تواند با مولکول های آلی واکنش داده و ترکیبات آلی گوگردی تولید کند. او می‌گوید: «و ما متوجه شدیم که در دریاچه هزاران ماده آلی گوگرد وجود دارد که برای ما واقعاً شگفت‌انگیز بود. گوگرد آلی نه تنها چرخه گوگرد را به عنوان منبع تغذیه می کند، بلکه یک مخزن بالقوه برای سولفید هیدروژن است.

یک چرخه جدید

این چرخه – از گوگرد آلی گرفته تا سولفات تا سولفید هیدروژن و دوباره برگشت – برای محققان کاملاً جدید است. فیلیپس می‌گوید: «دانشمندانی که سیستم‌های آبی را مطالعه می‌کنند باید درباره گوگرد آلی به عنوان یک عامل مرکزی فکر کنند. این ترکیبات می توانند چرخه گوگرد را در محیط های فقیر از مواد مغذی مانند دریاچه سوپریور یا حتی اقیانوس باستانی هدایت کنند.

این فرآیند می تواند در سیستم های با سولفات بالا نیز مهم باشد. گردش آلی گوگرد، مشابه آنچه در دریاچه سوپریور می بینیم، احتمالاً در رسوبات دریایی و آب شیرین در همه جا وجود دارد. مورگان ریون، نویسنده ارشد، بیوژئوشیمی‌دان در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، می‌گوید: اما در اقیانوس، سولفات به قدری فراوان است که رفتار آن بیشتر سیگنال‌های ما را خنثی می‌کند. کار در دریاچه سوپریور کم سولفات به ما امکان می‌دهد تا ببینیم چرخه گوگرد آلی رسوب‌شده واقعاً چقدر پویا است.» به نظر می‌رسد گوگرد آلی به عنوان منبع انرژی برای جوامع میکروبی و همچنین حفظ کربن آلی و فسیل‌های مولکولی عمل می‌کند. در مجموع، این عوامل می توانند به دانشمندان کمک کنند تا تکامل میکروارگانیسم های اولیه گوگرد چرخه و تأثیر آنها بر شیمی زمین را درک کنند.

فیلیپس می افزاید: برخی از اولین واکنش های بیوشیمیایی احتمالاً شامل گوگرد است. ما کاملاً مطمئن هستیم که گوگرد نقش مهمی در متابولیسم واقعاً اولیه ایفا کرده است.» درک بهتر چرخه گوگرد می‌تواند بینشی در مورد نحوه استفاده اشکال اولیه زندگی از این نوع شیمی ردوکس ارائه دهد.

منبع: UC سانتا باربارا