مرحلة التسخين

بالمقارنة بنا، فإن البكتيريا والطحالب هي كائنات أقل فسادًا بكثير. إنها موجودة دون أي شكاوى خاصة في القارة القطبية الجنوبية المتجمدة أو في ينابيع الماء المغلي، دون أي قدرة على تنظيم حرارة الجسم، وبالتأكيد دون أي وسائل تكنولوجية. كيف تمكنوا من الازدهار في البيئات ذات درجات الحرارة القصوى؟

هامسين في السيطرة
تزحف الحرارة ببطء
كل يوم مثل السبت يمتد

هامسين في السيطرة
كلمات وألحان: نعومي شيمر
الأداء الأصلي: إيلي غورليتسكي وفرقة القيادة المركزية

نص:
لا يعمل الأشخاص بشكل جيد في ظل الإجهاد الحراري الشديد، أو عندما يكون الجو باردًا جدًا. من الصعب وصف الحياة العصرية دون مدفأة مشتعلة، وزجاجة ساخنة، ومعاطف، ومراوح، ومكيفات هواء. بالمقارنة بنا، فإن البكتيريا والطحالب هي كائنات أقل فسادًا بكثير. إنها موجودة دون شكاوى خاصة في القارة القطبية الجنوبية المتجمدة أو في ينابيع الماء المغلي، ودون أي قدرة على تنظيم حرارة الجسم، وبالتأكيد دون أي وسائل تكنولوجية. كيف تمكنوا من الازدهار في البيئات ذات درجات الحرارة القصوى؟ إذا وجدنا الإجابة على هذا السؤال، فربما نتمكن من تحسين قدرة المحاصيل الزراعية على التعامل مع الظروف الحارة والباردة، وتحسين العمليات الصناعية، وإيجاد حلول لمختلف المشاكل البيئية. هذه هي بالضبط الأسئلة التي تقع في قلب نشاط فريق علمي متعدد التخصصات برئاسة البروفيسور أفيغدور شارتس من قسم علوم النبات في معهد وايزمان للعلوم. بالتعاون مع الفريق الذي ضم طلاب البحث أوكسانا شليك كيرنر وإيلان ساميش وهادر كيلز، وباحثي ما بعد الدكتوراه ديفيد كافاتان ونيتا هولاند وماروتي ساي، حاول البروفيسور شيرتز فك رموز الآليات التي تسمح للمخلوقات المختلفة بالعيش. وتزدهر في بيئة تتميز بمجموعة واسعة من درجات الحرارة. أو كما قال العلماء: كيف تتمكن الأنظمة الأنزيمية ذات البنية والخصائص المتشابهة جدًا من العمل بكفاءة مماثلة في ظل ظروف درجات حرارة مختلفة تمامًا.

وقام الباحثون بفحص أنواع مختلفة من البكتيريا التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي (إنتاج المواد الغذائية – السكريات – بمساعدة الطاقة الشمسية). ركزوا على إحدى الخطوات الرئيسية للعملية (نقل الإلكترون بين جزيئين موجودين على "مركز تفاعل" البروتين)، وقارنوا معدل هذا التفاعل في نوعين من البكتيريا، مع رفع درجة الحرارة المحيطة تدريجيًا.

ولدهشتهم، اكتشف الباحثون أن التفاعل لا يتوافق مع الاعتقاد السائد بأن معدل أي تفاعل إنزيمي يزداد بشكل كبير مع زيادة درجة الحرارة. في الواقع، أصبح من الواضح لهم أن معدل التفاعل بلغ ذروته بالضبط في نطاق درجة الحرارة الذي "تحب" البكتيريا أن تتواجد فيه. وظل هذا المعدل دون تغيير حتى مع استمرار ارتفاع درجة الحرارة المحيطة. بمعنى آخر، لا تتأثر البكتيريا بأخطاء الطقس، بل تنظم معدل نشاطها الأنزيمي وفقًا لمتوسط ​​درجة حرارة البيئة التي تعيش فيها. وبهذه الطريقة، يتجنبون الانخفاض الخطير في النشاط نتيجة لتبريد البيئة، وفرط النشاط المدمر نتيجة لارتفاع درجة حرارة البيئة.

كيف يفعلون ذلك؟ قام العلماء بفحص مراكز تفاعل البروتين حيث تحدث خطوة رئيسية في عملية التمثيل الضوئي في البكتيريا التي "تحب" درجات الحرارة المعتدلة، وفي البكتيريا التي تزدهر في بيئة شديدة الحرارة. تكاد تكون بروتينات البكتيريا متطابقة، لكن العلماء تمكنوا من تحديد اختلاف بسيط بينهما: اثنان من الأحماض الأمينية (الوحدات التي تتكون منها البروتينات) في بروتين البكتيريا التي تحب البيئة المعتدلة، يختلفان عن بعضهما البعض. تلك الموجودة في نفس المكان على تسلسل البروتين للبكتيريا المحبة للحرارة. عاش الفارق البسيط. وافترض العلماء أن هذا الاختلاف يسمح للبكتيريا بتعديل معدل نشاطها حسب درجة الحرارة المحيطة. وبالفعل، عندما تم تغيير تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين باستخدام أساليب الهندسة الوراثية، تغير نطاق النشاط الأمثل للبكتيريا بنحو 10 درجات، على غرار ما يحدث في الطبيعة.

قد تساعد هذه النتائج، التي نُشرت مؤخرًا في النسخة الإلكترونية من مجلة Nature العلمية، في المستقبل، في تطوير أصناف نباتية مقاومة لدرجات الحرارة القصوى، بحيث يكون من الممكن، على سبيل المثال، زراعة نباتات غذائية مختلفة في المناطق الصحراوية. قد تؤدي التطبيقات الإضافية إلى تحسين العمليات الصناعية التي تنطوي على تفاعلات إنزيمية. ويقول البروفيسور شيرتز إن القدرة على زيادة معدل نشاط إنزيمات التمثيل الضوئي قد تسمح في المستقبل بالتحكم في معدل التمثيل الضوئي وزيادة معدل امتصاص ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي - وهو الأمر الذي قد يسمح بزيادة كبيرة في إنتاج كتلة نباتية لإنتاج الوقود الحيوي، وفي الوقت نفسه تقلل أيضًا من ظاهرة الاحتباس الحراري".