ازدهار المحيطات

العوالق النباتية - مخلوقات صغيرة تشبه النباتات تطفو في مياه البحر - ضرورية لصحة الكوكب. ماذا يحدث عندما تتكاثر بشكل لا يمكن السيطرة عليه ثم تنهار؟

العوالق النباتية - مخلوقات صغيرة تشبه النباتات تطفو في مياه البحر - ضرورية لصحة الكوكب. "على الرغم من أنها لا تشكل سوى نصف بالمائة من الكتلة الحيوية النباتية العالمية، إلا أنها مسؤولة عن حوالي نصف عملية التمثيل الضوئي التي تحدث على كوكبنا. لذلك، في الواقع، علينا أن نشكر العوالق النباتية على كل نفس ثاني نأخذه"، يقول الدكتور عساف فاردي، الذي انضم مؤخرًا إلى قسم علوم النبات في معهد وايزمان للعلوم. تشكل هذه الطحالب وحيدة الخلية - التي يشتق زيتها من الكلمة اليونانية "الهجرة" - أساس الشبكة الغذائية البحرية: فبدون العوالق النباتية لن تكون هناك حياة في المحيطات. ولأسباب غير مفهومة تماما، يتسارع تكاثرها بين الحين والآخر، مما يؤدي إلى ازدهار الطحالب التي تغطي مئات وآلاف الكيلومترات عبر البحار والبحيرات والمحيطات، حتى يحدث انهيار موقوت يؤدي إلى اختفائها. خلال هذه الإزهار - والتي يمكن التعرف عليها من خلال صور الأقمار الصناعية من الفضاء - تقارن العوالق النباتية بالغابات المطيرة في نشاط التمثيل الضوئي، مما يعني قدرتها على امتصاص ثاني أكسيد الكربون وإطلاق الأكسجين. בכ-5% ממיני האצות מלווה הפריחה בתופעות חיוביות פחות: במקרים אלה, הקרויים “גאות אדומה” (red tide), נוצרים רעלנים אשר מסוגלים לפגוע בדגים וביונקים הימיים, וכאשר הם מועברים דרך מארג המזון ומי שתייה – הם מרעילים גם חיות משק ובני- انسان.

السؤال المركزي الذي يشغل العديد من العلماء في مختلف أنحاء العالم هو كيف يؤثر تغير المناخ - ارتفاع درجات الحرارة وتركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي - على مصير الأزهار في المحيطات. قد تؤدي التغيرات المناخية إلى زيادة درجة حرارة مياه البحر، وبالتالي تقليل الاختلاط بين طبقات الماء - وهو الاختلاط الذي يساعد في إمداد الطحالب بالعناصر الغذائية الأساسية. بالإضافة إلى ذلك، فإن مياه الصرف الصحي التي تحتوي على نسبة عالية من النترات والفوسفات والملوثات الأخرى تزيد اليوم من تكاثر الطحالب الضارة في البحيرات (على سبيل المثال في بحيرة طبريا) وبالقرب من الشواطئ. يحاول بحث الدكتور فيردي - الذي يأخذه من طاولة المختبر إلى البحر المفتوح - دراسة البيولوجيا الخلوية وعلم الجينوم والبيئة المعقدة للعوالق النباتية. ويفعل ذلك من خلال الأبحاث الجينية التي تهدف إلى الكشف عن العمليات الخلوية التي تتعامل من خلالها هذه الكائنات مع بيئة تتغير من وقت لآخر، ويركز على العمليات المسؤولة عن ازدهار الطحالب وانهيارها. وتشمل المخلوقات التي تتألق في بحثه "الدياتومات" - وهي مخلوقات ذات قوقعة مصنوعة من مادة تشبه الزجاج (السيليكا)، مع مجموعة لا حصر لها من الأشكال المعقدة - و"المكورات الحجرية" التي تتكون قشرتها من الكالسيوم. الكربونات، مما يجعلها مشاركين حيويين في دورة الكربون.

وفي بحث ما بعد الدكتوراه، اكتشف الدكتور فاردي وشركاؤه في البحث أن الفيروسات هي المسؤولة عن انهيار أزهار الطحالب. وعندما فحصوا عن كثب التسلسل الجيني للعوالق النباتية والفيروسات، اكتشفوا عددًا من النتائج المدهشة، مما دفعهم إلى تطوير نظريات جديدة فيما يتعلق ببيئة هذه الكائنات وتطورها. وهكذا، على سبيل المثال، اكتشفوا دليلاً على وجود آلية خلوية تؤدي إلى الموت المبرمج للخلايا (موت الخلايا المبرمج). يحدث موت الخلايا المبرمج في جميع أنواع الكائنات متعددة الخلايا: الخلايا التالفة أو القديمة تقتل نفسها، حتى يتمكن الكائن الحي بأكمله من الاستمرار في العيش. لماذا ينتحر كائن حي وحيد الخلية - مثل العوالق النباتية - وما هي الأهمية البيئية لمثل هذا الانتحار؟ إحدى الإجابات المحتملة هي أن جينات الانتحار الخلوي تطورت معًا في الكائن الحي المضيف والفيروس، بهدف منع العدوى وانتشار الفيروس، مما قد يتسبب في الموت الجماعي للمضيف - ونتيجة لذلك، وفاة المضيف. الفيروس كذلك. والاحتمال الآخر هو أن الفيروسات تقوم بتعبئة آليات موت الخلايا المبرمج للخلية المضيفة "لتفقس" منها، بعد أن تنهي عملية تكاثرها داخلها. ويدعم هذا التفسير اكتشاف أن فيروسات الطحالب تحتوي على جينات ومسارات كيميائية حيوية لم يسبق رؤيتها إلا في الكائنات الحية المضيفة. والواقع أن الجينوم الخاص بها يُعَد من بين أكبر الجينومات المكتشفة على الإطلاق في الفيروسات، ويتضمن 500 جين (مقارنة، على سبيل المثال، بتسعة جينات يحتوي عليها فيروس نقص المناعة البشرية).

هناك احتمال آخر: ربما تكون العمليات التطورية هي التي دفعت العوالق النباتية إلى تطوير آليات مقاومة ضد العدوى الفيروسية، على مستوى السكان. أي أنه بدلاً من أن تضحي الخلية بنفسها من أجل المخلوق كله، فإن المخلوق الوحيد الخلية يضحي بنفسه من أجل "المجتمع" ككل. وفي الماضي، اكتشف العلماء بالفعل أن عدة أنواع من الكائنات الحية الدقيقة تشارك في نشاط جماعي معقد، بينما تتواصل مع بعضها البعض من خلال الإشارات الكيميائية. ويبحث الدكتور فاردي الآن عن أدلة على وجود مثل هذه الإشارات في العوالق النباتية، ويقوم بعزل المواد المسؤولة عن الاتصال وتحديد مصير الخلية - والتي يسميها "المواد الكيميائية المعلوماتية". بعض المواد التي حددها - بعضها تنتجه العوالق النباتية وبعضها الآخر تنتجه الفيروسات - تظهر فقط في مراحل معينة من عملية العدوى. ويقول: "نحن نستخدم هذه المواد كعلامات بيولوجية (مؤشرات حيوية)، بغرض فهم المزيد عن التفاعلات البيولوجية في المحيطات".

"تتيح العلامات إمكانية مراقبة حالة العوالق النباتية في المحيطات، وتحديد عملية الإصابة في الوقت الحقيقي، وتأثيرها على الشبكة الغذائية." وهكذا، على سبيل المثال، في البحث الذي أجراه مؤخرًا في المضايق على ساحل النرويج، تمكن الدكتور فيردي من التسبب في ظهور مثل هذا الإزهار تحت ظروف خاضعة للرقابة، واستخدم مرافق ووسائل خاصة لدراسة العلاقة بين الفيروس والمضيف أثناء ازدهار الطحالب. يمكن أن تستخدم العوالق النباتية أنواعًا أخرى من المواد الكيميائية المعلوماتية للدفاع عن نفسها ضد الكائنات الحية الدقيقة البحرية المتنافسة - على غرار طريقة عمل المضادات الحيوية. ويرى الدكتور فيردي أنه حتى سموم "المد الأحمر" قد تكون نوعًا من المواد الكيميائية المعلوماتية: "من الممكن أن تستخدم العوالق النباتية هذه المواد كوسيلة للتواصل وكعلامة على الإجهاد البيئي، بهدف التكيف مع الظروف المناخية". الظروف المتغيرة." إن تحديد المواد الكيميائية المعلوماتية سيمكن من التحكم البيولوجي في الأزهار السامة عن طريق تعطيل مسارات الاتصال بين الطحالب باستخدام المواد الطبيعية التي تنتجها.

إن الفهم الدقيق لمكونات التوازن البيولوجي هو خطوة أساسية في محاولاتنا لاستعادة التوازن، ولكن مثل هذا البحث يمكن أن يكون له أيضًا عواقب أقل قابلية للتنبؤ بها. على سبيل المثال، يمكن استخدام المواد الكيميائية المعلوماتية التي تسبب موت الخلايا المبرمج في علاجات مضادة للسرطان في المستقبل، أو كأدوية جديدة مضادة للفيروسات. بالإضافة إلى ذلك، فإن فك رموز التسلسل الجيني للعوالق النباتية ذات الأصداف المعقدة معماريا - مثل تلك التي بحثها الدكتور فيردي - قد يوفر معلومات مفيدة للعلماء في مجالات أخرى، مثل الباحثين في مجال تكنولوجيا النانو المهتمين بتقليد تصميم مثل هذه الهياكل، أو الباحثين تعمل في تطوير الوقود الحيوي الذي يعتمد على الطحالب، وتبحث عن الجينات التي من شأنها زيادة كمية الزيوت التي تنتجها الطحالب.

شخصي

ولد عساف فيردي في حيفا ودرس في الجامعة العبرية في القدس. بعد حصوله على درجة الدكتوراه في علم البيئة الجزيئية في عام 2004، شرع في إجراء أبحاث ما بعد الدكتوراه في مدرسة المعلمين العليا في باريس، وفي جامعة روتجرز في نيوجيرسي. وفي عام 2010 انضم إلى معهد وايزمان للعلوم.

الدكتورة فيردي متزوجة من الفنانة نيبي إلروي، التي تستلهم المفاهيم البيولوجية من أبحاثه العلمية - مثل موت الخلايا المبرمج والتواصل بين الخلايا - وتعطيها تفسيرًا جديدًا في أعمالها. وقد تعاونا مؤخرًا في تأليف كتاب للأطفال يشرح المبادئ والعمليات البيئية من خلال عرض حياة الكائنات الحية الدقيقة في قطرة ماء البحر.