أعمل كاختصاصية ميكروبيولوجيا المحيطات في جامعة تينيسي، وأريد أن أخبركم يا رفاق عن بعض أنواع الميكروبات الغريبة والرائعة جدًا، والتي تتحدى افتراضاتنا حول طبيعة الحياة على الأرض.
I'm an ocean microbiologist at the University of Tennessee, and I want to tell you guys about some microbes that are so strange and wonderful that they're challenging our assumptions about what life is like on Earth.
لذلك لدي سؤال: رجاءً ارفع يدك إذا كنت تعتقد أنه من الرائع الذهاب إلى قاع المحيط في غواصة؟ نعم. معظمكم، لأن المحيطات رائعة جدًا.
So I have a question. Please raise your hand if you've ever thought it would be cool to go to the bottom of the ocean in a submarine? Yes. Most of you, because the oceans are so cool.
حسنًا، الآن رجاءً ارفع يدك إذا كان سبب رفع يدك للذهاب إلى قاع المحيط هو أنه سيقربك قليلًا من هذا الوحل المثير في الأعماق.
Alright, now -- please raise your hand if the reason you raised your hand to go to the bottom of the ocean is because it would get you a little bit closer to that exciting mud that's down there.
(ضحك)
(Laughter)
لا أحد. أنا الوحيدة في هذه القاعة.
Nobody. I'm the only one in this room.
حسنًا، أفكر في هذا طوال الوقت. أقضي معظم ساعات يقظتي
Well, I think about this all the time. I spend most of my waking hours
أحاول معرفة أقصى عمق للغوص في الأرض يمكن أن نجد فيه شيئًا، أي شيء، على قيد الحياة، لأننا ما زلنا لا نعرف الجواب على هذا السؤال الأساسي للغاية عن الحياة على الأرض.
trying to determine how deep we can go into the Earth and still find something, anything, that's alive, because we still don't know the answer to this very basic question about life on Earth.
لذلك في ثمانينيات القرن الماضي، كان العالم البريطاني (جون باركس) مهووسًا بالأمر ذاته، وجاء بفكرة مجنونة. كان يعتقد بوجود محيط حيوي ميكروبي حي وشاسع وعميق أسفل كل محيطات العالم، ويمتد لمئات الأمتار في قاع البحر، وهذا رائع، لكن المشكلة الوحيدة أنه لم يصدقه أحد، وسبب ذلك هو أن رواسب المحيطات قد تكون أكثر الأماكن مللًا على وجه الأرض.
So in the 1980s, a scientist named John Parkes, in the UK, was similarly obsessed, and he came up with a crazy idea. He believed that there was a vast, deep, and living microbial biosphere underneath all the world's oceans that extends hundreds of meters into the seafloor, which is cool, but the only problem is that nobody believed him, and the reason that nobody believed him is that ocean sediments may be the most boring place on Earth.
(ضحك)
(Laughter)
حيث لا وجود لضوء الشمس أو الأكسجين، وربما الأسوأ من ذلك كله، أنه لا توجد أطعمة طازجة حرفيًا لملايين السنين. لا يجب الحصول على دكتوراه في علم الأحياء لمعرفه أن ذلك المكان سيئ للبحث عن الحياة فيه.
There's no sunlight, there's no oxygen, and perhaps worst of all, there's no fresh food deliveries for literally millions of years. You don't have to have a PhD in biology to know that that is a bad place to go looking for life.
(ضحك)
(Laughter)
لكن في عام 2002 أقنع جون عددًا كافيًا من الأشخاص أنه كان بصدد شيء ما، حتى أنه قام ببعثة استكشافية على متن سفينة حفر، تدعى (جويدس ريزولوشن). وأدار البعثة معه (بو باركر يورجنسن) من الدنمارك. وهكذا حصلوا في النهاية على عينات نقية للسطح الخارجي من القاع حيث لم يتلوث بعضها بالميكروبات السطحية. تمتاز هذه السفينة بالقدرة على الحفر لآلاف الأمتار في قاع المحيط، ويظهر الطين في صورة نوى متسلسلة، واحدة تلو الأخرى... نوى طويلة جدًا تبدو كهذه. هذا ما يفعله العلماء مثلي الذين يذهبون على متن تلك السفن، نعالج النوى على السفن ثم نرسلها إلى الوطن لمزيد من الدراسة في مختبراتنا.
But in 2002, [Steven D'Hondt] had convinced enough people that he was on to something that he actually got an expedition on this drillship, called the JOIDES Resolution. And he ran it along with Bo Barker Jørgensen of Denmark. And so they were finally able to get good pristine deep subsurface samples some really without contamination from surface microbes. This drill ship is capable of drilling thousands of meters underneath the ocean, and the mud comes up in sequential cores, one after the other -- long, long cores that look like this. This is being carried by scientists such as myself who go on these ships, and we process the cores on the ships and then we send them home to our home laboratories for further study.
لذلك عندما حصل جون وزملاؤه على أولى العينات النقية والثمينة من أعماق البحار، وضعوها تحت المجهر، ورأوا صورًا بدت إلى حد كبير مثل هذه، والتي تم الحصول عليها من رحله استكشافية حديثة من قبل طالب الدكتوراه (جوي بونجيورنو). يمكنكم رؤية الشيء الضبابي في الخلفية. هذا طين، طين من عمق المحيط، والنقاط الخضراء الساطعة الملطخة بالصبغة الخضراء الفلورية هي ميكروبات حية حقيقية.
So when John and his colleagues got these first precious deep-sea pristine samples, they put them under the microscope, and they saw images that looked pretty much like this, which is actually taken from a more recent expedition by my PhD student, Joy Buongiorno. You can see the hazy stuff in the background. That's mud. That's deep-sea ocean mud, and the bright green dots stained with the green fluorescent dye are real, living microbes.
الآن يجب أن أخبركم شيئًا مأساويًا حقًا عن الميكروبات، كلها تبدو متشابهة تحت المجهر، أعني، بتقارب أولي. يمكنكم أن تأخذوا الكائنات الأكثر روعة في العالم، مثل الميكروب الذي يتنفس اليورانيوم حرفيًا، وآخر يصنع وقود الصواريخ، وتمزجوها ببعض طين المحيط، وتضعوها تحت المجهر، فتظهر كنقاط صغيرة. إنه شيءٌ مزعجٌ حقًا. لذلك لا يمكننا استخدام مظهرها لنفرق بينها، علينا أن نستخدم الحمض النووي، كبصمة الأصبع، لنفرق بينها.
Now I've got to tell you something really tragic about microbes. They all look the same under a microscope, I mean, to a first approximation. You can take the most fascinating organisms in the world, like a microbe that literally breathes uranium, and another one that makes rocket fuel, mix them up with some ocean mud, put them underneath a microscope, and they're just little dots. It's really annoying. So we can't use their looks to tell them apart. We have to use DNA, like a fingerprint, to say who is who.
وسوف أعلمكم يا رفاق كيف نفعل ذلك الآن. لذلك اختلقت بعض المعطيات، وسأظهر لكم معطيات زائفة. هذا لتوضيح كيف ستبدو العينة في حالة عدم وجود أي علاقة بين بعض أنواع تلك الكائنات. لذلك يمكنكم رؤية أن كل نوع لديه قائمة من مجموعات من A وG وC وT، الوحدات الفرعية الأربع للحمض النووي، مختلطة بشكل عشوائي، ولا شيء يشبه أي شيء آخر، وهذه الأنواع لا علاقة لها ببعضها البعض إطلاقًا. لكن هذا هو شكل الحمض النووي الحقيقي، من جين مشترك بين هذه الأنواع. كل شيء يصطف بدقة تقريبًا. وفرص الحصول على هذا العدد من تلك الأعمدة الرأسية حيث تملك جميع هذه الكائنات عنصر C أو T بعشوائية، متناهية في الصغر. وبذلك ندرك أن جميع هذه الكائنات لابد أن يكون لها سلف مشترك. إنهم جميعًا أقرباء.
And I'll teach you guys how to do it right now. So I made up some data, and I'm going to show you some data that are not real. This is to illustrate what it would look like if a bunch of species were not related to each other at all. So you can see each species has a list of combinations of A, G, C and T, which are the four sub-units of DNA, sort of randomly jumbled, and nothing looks like anything else, and these species are totally unrelated to each other. But this is what real DNA looks like, from a gene that these species happen to share. Everything lines up nearly perfectly. The chances of getting so many of those vertical columns where every species has a C or every species has a T, by random chance, are infinitesimal. So we know that all those species had to have had a common ancestor. They're all relatives of each other.
الآن سأخبركم من هم. أعلى اثنين هما نحن والشمبانزي، وتعرفون بالفعل أنهم أقرباء، لأنه، أعني، شيءٌ واضح.
So now I'll tell you who they are. The top two are us and chimpanzees, which y'all already knew were related, because, I mean, obviously.
(ضحك)
(Laughter)
لكننا أيضًا لنا علاقة بأشياء لا نشبهها، مثل أشجار الصنوبر والجيارديا، وهو أحد أمراض المعدة والأمعاء الذي يمكن التقاطه إذا لم تصفي المياه أثناء نزهتك الطويلة. نحن أيضًا أقرباء لبكتيريا مثل (إي كولاي) و(كلوستريديوم ديفيسيل)، وهو مرض رهيب وانتهازي يقتل الكثير من الناس. لكن هناك ميكروبات مفيدة أيضًا، مثل (دلكوكويد اثينوجينز)، الذي ينظف نفاياتنا الصناعية. لذلك إذا أخذت سلاسل الحمض النووي هذه، ثم استخدمت أوجه التشابه والاختلافات بينها لصنع شجرة عائلية لنا جميعًا لنتمكن من معرفة من هم قريبي الصلة، فستبدو هكذا. إذن يمكنكم أن تروا بوضوح، في لمحة، أن أشياء مثلنا ومثل جيارديا والأرانب وأشجار الصنوبر، جميعنا كأشقاء، والبكتيريا هي مثل أبناء عمومتنا القدامى. لكننا أقرباء لكل شيء حي على الأرض. كل يوم في وظيفتي، أستطيع توفير أدلة علمية ضد الوحدة الوجودية.
But we're also related to things that we don't look like, like pine trees and Giardia, which is that gastrointestinal disease you can get if you don't filter your water while you're hiking. We're also related to bacteria like E. coli and Clostridium difficile, which is a horrible, opportunistic pathogen that kills lots of people. But there's of course good microbes too, like Dehalococcoides ethenogenes, which cleans up our industrial waste for us. So if I take these DNA sequences, and then I use them, the similarities and differences between them, to make a family tree for all of us so you can see who is closely related, then this is what it looks like. So you can see clearly, at a glance, that things like us and Giardia and bunnies and pine trees are all, like, siblings, and then the bacteria are like our ancient cousins. But we're kin to every living thing on Earth. So in my job, on a daily basis, I get to produce scientific evidence against existential loneliness.
لذلك عندما حصلنا على أول سلاسل للحمض النووي، من السطح العميق، في الرحلة الأولى، أردنا أن نعرف أين كانت. لذلك أول شيء اكتشفناه أنها ليست أجنبية، لأننا يمكن أن نطابق حمضها النووي مع كل شيء آخر على الأرض. لكن هل تلاحظون مكانها على شجرة حياتنا؟ أول شيء ستلاحظونه أنه يوجد الكثير منها. لم يكن مجرد نوع واحد صغير تمكن من العيش في هذا المكان الرهيب. إنها مكونة من عدة أشياء. والشيء الثاني الذي أتمنى أن تلاحظوه، أنها لا تشبه أي شيء رأيناه من قبل. إنها مختلفة عن بعضها البعض كما هي مختلفة عن أي شيء عرفناه من قبل كما نحن مختلفون عن أشجار الصنوبر. إذن كان (جون باركز) محقًا تمامًا. لقد اكتشفنا، نحن وهو، نظامًا بيئيًا ميكروبيًا على الأرض، جديدًا تمامًا ومتنوعًا للغاية، لم يعلم بوجوده أحد قبل الثمانينيات.
So when we got these first DNA sequences, from the first cruise, of pristine samples from the deep subsurface, we wanted to know where they were. So the first thing that we discovered is that they were not aliens, because we could get their DNA to line up with everything else on Earth. But now check out where they go on our tree of life. The first thing you'll notice is that there's a lot of them. It wasn't just one little species that managed to live in this horrible place. It's kind of a lot of things. And the second thing that you'll notice, hopefully, is that they're not like anything we've ever seen before. They are as different from each other as they are from anything that we've known before as we are from pine trees. So John Parkes was completely correct. He, and we, had discovered a completely new and highly diverse microbial ecosystem on Earth that no one even knew existed before the 1980s.
إذن نحن في طريقنا إلى النجاح، كانت الخطوة التالية هي زرع هذه الأنواع الغريبة في طبق بتري حتى نجري تجارب حقيقية عليها كما يفترض أن يفعل علماء الأحياء المجهرية. بغض النظر عن ما أطعمناها، رفضت أن تنمو. حتى الآن، 15 سنة وعدة بعثات بعدها، لم يقدر أي إنسان قط على جعل هذه الميكروبات الغريبة تنمو في طبق بتري. والسبب ليس عدم المحاولة. قد يبدو هذا مخيبًا للآمال، لكنني في الواقع أجدها مدهشة، لأنه يعني أن هناك عدة أشياء مجهولة ومحيرة للعمل عليها. أنا وزملائي توصلنا إلى ما كنا نظن أنه فكرة رائعة حقًا. كنا سنقرأ جيناتها مثل كتاب طبخ، لنكتشف ما تريد تناوله ووضعه في أطباق بتري، لتنمو وتكون سعيدة. لكن عندما نظرنا إلى جيناتها، اتضح أن ما أرادت أن تأكله كان الطعام الذي كنا نطعمها إياه بالفعل. كان ذلك مفاجئًا كليًا. كان هناك شيء آخر تريده في أطباق بتري لم نكن نقدمه لها.
So now we were on a roll. The next step was to grow these exotic species in a petri dish so that we could do real experiments on them like microbiologists are supposed to do. But no matter what we fed them, they refused to grow. Even now, 15 years and many expeditions later, no human has ever gotten a single one of these exotic deep subsurface microbes to grow in a petri dish. And it's not for lack of trying. That may sound disappointing, but I actually find it exhilarating, because it means there are so many tantalizing unknowns to work on. Like, my colleagues and I got what we thought was a really great idea. We were going to read their genes like a recipe book, find out what it was they wanted to eat and put it in their petri dishes, and then they would grow and be happy. But when we looked at their genes, it turns out that what they wanted to eat was the food we were already feeding them. So that was a total wash. There was something else that they wanted in their petri dishes that we were just not giving them.
لذلك من خلال جمع معطيات من أماكن عديدة مختلفة حول العالم، حيث أن زملائي في جامعة جنوب كاليفورنيا، (دوج لارو) و(جان أمند) استطاعا حساب أن كل خلية ميكروبية تحتاج فقط إلى زيبتوواط واحد من القوة، وقبل أن تخرجوا هواتفكم، "زبتو" هو 10 أس سالب 21، لأنني أعرف أنني كنت لأبحث عن معناه. البشر، من جهة أخرى، يحتاجون حوالي 100 واط من الطاقة. 100 واط هو في الأساس إذا أخذت حبة أناناس وأسقطتها من ارتفاع الخصر تقريبًا إلى الأرض 881.632 مرة في اليوم. إذا فعلت ذلك ثم ربطتها بمولد، من شأنه أن يخلق طاقة كافية لجعلي موجودة ليوم واحد. وإذا وضعنا الزبتوواط في سياق مماثل، فهو إذا أخذت حبة ملح ثم تتخيل كرة متناهية الصغر بحجم واحد من الألف من كتلة ذرة ملح واحدة ثم تسقطها بمقدار نانومتر واحد، وهو أصغر بمائة مرة من طول موجة الضوء المرئي، مرة في اليوم. هذا كل ما يتطلبه الأمر لجعل هذه الميكروبات تعيش. وتعد هذه طاقة أقل مما كنا نظن أنه سيكون كافيًا للحياة، لكن بطريقة ما، مدهشة وجميلة، هي كافية.
So by combining measurements from many different places around the world, my colleagues at the University of Southern California, Doug LaRowe and Jan Amend, were able to calculate that each one of these deep-sea microbial cells requires only one zeptowatt of power, and before you get your phones out, a zepto is 10 to the minus 21, because I know I would want to look that up. Humans, on the other hand, require about 100 watts of power. So 100 watts is basically if you take a pineapple and drop it from about waist height to the ground 881,632 times a day. If you did that and then linked it up to a turbine, that would create enough power to make me happen for a day. A zeptowatt, if you put it in similar terms, is if you take just one grain of salt and then you imagine a tiny, tiny, little ball that is one thousandth of the mass of that one grain of salt and then you drop it one nanometer, which is a hundred times smaller than the wavelength of visible light, once per day. That's all it takes to make these microbes live. That's less energy than we ever thought would be capable of supporting life, but somehow, amazingly, beautifully, it's enough.
فإذا كانت الميكروبات تحت السطح العميق لديها علاقة مختلفة جدًا عما نظن مع الطاقة، فهذا يعني أنه يجب أن تكون لديها علاقة مختلفة مع الوقت كذلك، لأنه عندما تعيش على كميات طاقة صغيرة كهذه، فالنمو السريع أمر مستحيل. إذا أرادت هذه الأشياء استعمار حناجرنا وجعلنا مرضى، فستخرجها المكورات العقدية سريعة النمو عنوة قبل حتى أن تبدأ في الانقسام الخلوي الأولي. ولهذا السبب لا نجدها في حناجرنا قط. ربما حقيقة أن الأعماق مملة جدًا هو في الواقع لصالح هذه الميكروبات. فهي لا تجرفها العواصف. ولا تطمسها الأعشاب. كل ما عليها فعله هو التواجد. ربما ما نفتقده في أطباق بتري ليس الطعام على الإطلاق. ربما لم يكن مادة كيميائية. ربما الشيء الذي تريده حقًا، الغذاء الذي تريده، هو الوقت. لكن الوقت هو الشيء الوحيد الذي لن أستطيع منحهم إياه. لذلك حتى لو زرعت خلايا ومررتها إلى طلابي في الدكتوراه، ومرروها إلى طلابهم في الدكتوراه، وهكذا، سيكون علينا القيام بذلك لآلاف السنين لمحاكاة الظروف الدقيقة للسطح العميق، كل ذلك دون زراعة أي ملوثات. هذا غير ممكن. لكن ربما بطريقة ما بالفعل نمت في أطباق بتري لدينا. ربما نظرت إلى كل الطعام الذي قدمناه لها وقالت: "شكرًا، الآن سأسرع كثيرًا لبناء خليه جديدة القرن المقبل." أوه.
So if these deep-subsurface microbes have a very different relationship with energy than we previously thought, then it follows that they'll have to have a different relationship with time as well, because when you live on such tiny energy gradients, rapid growth is impossible. If these things wanted to colonize our throats and make us sick, they would get muscled out by fast-growing streptococcus before they could even initiate cell division. So that's why we never find them in our throats. Perhaps the fact that the deep subsurface is so boring is actually an asset to these microbes. They never get washed out by a storm. They never get overgrown by weeds. All they have to do is exist. Maybe that thing that we were missing in our petri dishes was not food at all. Maybe it wasn't a chemical. Maybe the thing that they really want, the nutrient that they want, is time. But time is the one thing that I'll never be able to give them. So even if I have a cell culture that I pass to my PhD students, who pass it to their PhD students, and so on, we'd have to do that for thousands of years in order to mimic the exact conditions of the deep subsurface, all without growing any contaminants. It's just not possible. But maybe in a way we already have grown them in our petri dishes. Maybe they looked at all that food we offered them and said, "Thanks, I'm going to speed up so much that I'm going to make a new cell next century. Ugh.
(ضحك)
(Laughter)
إذن لماذا تتحرك البقية من الأحياء بسرعة؟ لماذا تموت الخلية بعد يوم ويموت الإنسان بعد مائة عام فقط؟ تبدو هذه وكأنها حقًا حدود اعتباطية قصيرة عندما تفكرون في الوقت الإجمالي في الكون. لكن هذه ليست حدودًا اعتباطية. يمليها شيءٌ واحدٌ بسيط، وهذا الشيء هو الشمس. عندما اكتشفت الحياة كيف تسخر طاقة الشمس من خلال التمثيل الضوئي، كان علينا الإسراع للدخول في دورات الليل والنهار. وهكذا، أعطتنا الشمس سببًا للإسراع والوقود للقيام بذلك. يمكنكم اعتبار معظم الحياة على الأرض كنظام الدورة الدموية، والشمس هي قلبنا النابض.
So why is it that the rest of biology moves so fast? Why does a cell die after a day and a human dies after only a hundred years? These seem like really arbitrarily short limits when you think about the total amount of time in the universe. But these are not arbitrary limits. They're dictated by one simple thing, and that thing is the Sun. Once life figured out how to harness the energy of the Sun through photosynthesis, we all had to speed up and get on day and night cycles. In that way, the Sun gave us both a reason to be fast and the fuel to do it. You can view most of life on Earth like a circulatory system, and the Sun is our beating heart.
لكن السطح العميق يشبه نظام دورة دموية منفصل تمامًا عن الشمس. بدلًا من ذلك، فهي مدفوعة بإيقاعات جيولوجية بطيئة وطويلة. لا يوجد حاليًا أي حدود نظرية لعمر خلية واحدة. طالما هناك على الأقل كمية طاقة صغيرة لاستغلالها، نظريًا، يمكن أن تعيش خلية واحدة مئات آلاف السنين أو أكثر، ببساطة عن طريق استبدال القطع المكسورة مع الوقت. لجعل ميكروب يعيش هكذا وينمو في أطباق بترية هو جعلها تتكيف مع حياتنا السريعة المعتمدة على الشمس، وربما لديها أشياء أخرى أهم للقيام بها.
But the deep subsurface is like a circulatory system that's completely disconnected from the Sun. It's instead being driven by long, slow geological rhythms. There's currently no theoretical limit on the lifespan of one single cell. As long as there is at least a tiny energy gradient to exploit, theoretically, a single cell could live for hundreds of thousands of years or more, simply by replacing broken parts over time. To ask a microbe that lives like that to grow in our petri dishes is to ask them to adapt to our frenetic, Sun-centric, fast way of living, and maybe they've got better things to do than that.
(ضحك)
(Laughter)
تخيلوا لو استطعنا معرفة كيف تمكنت من القيام بذلك. ماذا لو كانت تنطوي على عناصر رائعة ومستقرة للغاية، حيث يمكننا استخدامها لزيادة العمر الافتراضي في الأغراض الطبية الحيوية أو الصناعية؟ أو ربما إذا اكتشفنا الآلية التي تستخدمها لتنمو بهذا البطء الشديد، سيمكننا تقليدها في الخلايا السرطانية وإبطاء الانقسام الخلوي. لا أعلم. أعني، بصراحة، هذه كلها تكهنات، لكن الشيء الوحيد الذي أعرفه بالتأكيد هو أن هناك مائة مليار مليار مليار خلية ميكروبية حية تحت كل محيطات العالم. هذا أكثر 200 مرة من مجموع الكتلة الحيوية للإنسان على هذا الكوكب. وهذه الميكروبات لها علاقة مختلفة اختلافًا جذريًا عن علاقتنا مع الوقت والطاقة. ما يبدو لها وكأنه يوم يمكن أن يكون ألف سنة بالنسبة لنا. فهي لا تهتم بالشمس، ولا تهتم بالنمو السريع، وربما لا تكترث البتة لأطباق بتري خاصتي...
Imagine if we could figure out how they managed to do this. What if it involves some cool, ultra-stable compounds that we could use to increase the shelf life in biomedical or industrial applications? Or maybe if we figure out the mechanism that they use to grow so extraordinarily slowly, we could mimic it in cancer cells and slow runaway cell division. I don't know. I mean, honestly, that is all speculation, but the only thing I know for certain is that there are a hundred billion billion billlion living microbial cells underlying all the world's oceans. That's 200 times more than the total biomass of humans on this planet. And those microbes have a fundamentally different relationship with time and energy than we do. What seems like a day to them might be a thousand years to us. They don't care about the Sun, and they don't care about growing fast, and they probably don't give a damn about my petri dishes ...
(ضحك)
(Laughter)
لكن إذا استطعنا مواصلة العثور على طرق مبتكرة لدراستها، ربما سنعرف في النهاية ماهية الحياة، كل الحياة، على الأرض.
but if we can continue to find creative ways to study them, then maybe we'll finally figure out what life, all of life, is like on Earth.
شكرًا لكم.
Thank you.
(تصفيق)
(Applause)