قطرات مه میتوانند زیستگاه‌های فعال برای باکتری‌ها باشند!

به گزارش مجله خبری نگار/آنا، مه (براساس آنچه در دانشنامه بریتانیکا آمده) در اصل «ابری نزدیکِ سطح زمین» است؛ مجموعه‌ای از قطره‌های بسیار ریز آب (و گاهی بلور‌های یخ یا ذرات دود) که آن‌قدر متراکم می‌شوند تا دید افقی را کاهش دهند. در تعریف علمی، وقتی این کاهش دید به کمتر از حدود ۱۰۰۰ متر برسد، این پدیده را «مه» (Fog) می‌نامند. اگر دید افقی بیشتر از این مقدار باشد، بسته به منشأ کاهش دید، معمولا از اصطلاحاتی مانند «تُنُک‌مِه» (Mist) یا «ریزگرد یا غبار» (Haze) استفاده می‌شود.

مه زمانی شکل می‌گیرد که بخار آب موجود در هوا به قطره‌های بسیار ریز آب تبدیل شود. این فرایند معمولا زمانی رخ می‌دهد که هوا آن‌قدر سرد یا مرطوب شود که دیگر نتواند بخار آبِ بیشتری را به شکل گاز در خود نگه دارد. در این شرایط، بخار آب اضافی به قطره‌های ریز آب تبدیل می‌شود.

این وضعیت می‌تواند به چند شکل ایجاد شود. گاهی هوا در طول شب سرد می‌شود و بخار آبِ موجود در آن به قطره‌های ریز تبدیل می‌شود. در موارد دیگر، دو توده هوای مرطوب با دما‌های متفاوت با هم مخلوط می‌شوند و شرایط برای تشکیل مه فراهم می‌شود. مه همچنین ممکن است زمانی ایجاد شود که هوای سرد از روی آب یا سطحی گرم و مرطوب عبور کند؛ در این حالت، بخار آب وارد هوای سرد می‌شود و خیلی سریع به قطره‌های ریز تبدیل می‌شود، به‌طوری که مه حالتی شبیه بخارِ بلندشده از سطح آب پیدا می‌کند. این نوع مه را «مه بخار» (Steam Fog) می‌نامند.

اما به تازگی همانطور که در گزارش «سای‌تک‌دیلی» (SciTechDaily) آمده است: دانشمندان دریافتند که قطرات مِه می‌تواند میزبان باکتری‌های زنده‌ای باشد که رشد می‌کنند و به حذف آلاینده‌های مضر از جو کمک می‌کنند؛ یافته‌ای که نشان می‌دهد مِه یک محیط میکروبی به‌طور غیرمنتظره فعال است.

هر نفسی که می‌کشید ممکن است حاوی همسفران میکروسکوپی باشد که در جو شناورند. دانشمندان سال‌هاست می‌دانند باکتری‌ها همراه ابر‌ها و جریان‌های هوا جابه‌جا می‌شوند؛ اما پژوهشی تازه نشان می‌دهد برخی از این میکروب‌ها در مِه فقط زنده نمی‌مانند، بلکه در آن رشد می‌کنند و تکثیر می‌شوند.

پژوهشگران دانشگاه ایالتی آریزونا (ASU) کشف کرده‌اند که قطرات مِه می‌تواند مانند زیستگاه‌های شناور کوچکی عمل کند که باکتری‌ها در آنها رشد و تکثیر یافته و حتی آلاینده‌های مضر را از هوا حذف می‌کند. این یافته‌ها که در نشریه «mBio» منتشر شده است، دیدگاه دیرینه مبنی بر اینکه مِه صرفا رطوبتی غیرفعال از نظر شیمیایی و معلق در نزدیکی زمین است را به چالش می‌کشد.

در عوض، مِه ممکن است بیشتر شبیه به یک اکوسیستم موقت عمل کند که فرآیند‌های زیستی فعالی درون میلیارد‌ها قطره آب میکروسکوپی آن در جریان است.

برای «تی توونگ توونگ کائو»، پژوهشگر حوزه ابرها، این کشف با یک پرسش ساده، اما نامتعارف آغاز شد: آیا مِه واقعا می‌تواند از حیات پشتیبانی کند؟

کائو هنگام گذراندن دوره دکتری خود در دانشگاه ایالتی آریزونا، با میکروب‌شناسان، شیمی‌دانان و دانشمندان علوم جو تیمی تشکیل داد تا آنچه را در مقیاس میکروسکوپی درون قطرات مِه رخ می‌دهد بررسی کند. این پژوهش، او را پیش از طلوع آفتاب به کشتزار‌های مه‌گرفته در پنسیلوانیا برد؛ جایی که نمونه‌ها را جمع‌آوری کرد و سپس در آزمایشگاه مورد بررسی قرار داد.

آنچه او یافت، تیم پژوهشی را شگفت‌زده کرد. برخی باکتری‌های خاص درون قطرات مِه، مسافران خفته‌ای نبودند که باد آنها را جابه‌جا کرده باشد؛ آنها به طور فعال در حال رشد بودند.

مِه به مثابه یک دنیای آبی موقت

مِه زمانی تشکیل می‌شود که بخار آب متراکم شده و به قطرات مایع بسیار ریزی تبدیل شود که در هوای خنک معلق می‌مانند. هر قطره در مقایس میکروسکوپی است؛ اما در کنار هم، محیطی منحصر‌به‌فرد ایجاد می‌کنند که می‌تواند برای مدتی کوتاه به یک اکوسیستم آبی کوچک شباهت یابد.

دانشمندان مدت‌هاست که باکتری‌ها را در جو، از جمله در ابر‌های باران‌زا و توده‌های گرد و غباری که سراسر قاره‌ها سفر می‌کنند، شناسایی کرده‌اند. برخی میکروب‌ها حتی می‌توانند در برابر تابش فرابنفش، دما‌های انجماد و کم‌آبی شدید در حالت معلق در هوا دوام بیاورند. با این حال، آنچه نامشخص باقی مانده بود این بود که آیا آنها می‌توانند درون خودِ مِه از نظر زیستی فعال بمانند یا خیر.

کائو، نویسنده اصلی پژوهش، می‌گوید: «درباره اینکه چه انواعی از باکتری‌ها در مِه وجود دارند، اطلاعات بسیار اندکی داریم؛ در حالی که مِه‌ها در اصل همان ابر‌هایی هستند که در تراز نزدیک به سطح زمین تشکیل می‌شوند».

پژوهشگران بر دو پرسش اساسی تمرکز کردند: کدام باکتری‌ها درون مِه وجود دارند و آیا این میکروب‌ها واقعا در آنجا رشد می‌کنند؟

«فران گارسیا-پیشل»، نویسنده همکار پژوهش و مدیر «مرکز بیودیزاینِ دانشگاه ایالتی آریزونا برای میکروبیومیک بنیادی و کاربردی»، می‌گوید: «اگر این میکروب‌ها در حال رشد باشند، پس این قطرات برای آنها یک زیستگاه است؛ و این یعنی باید نگاه‌مان را نسبت به مِه تغییر دهیم».

این تیم دریافت که باکتری‌ها در کمتر از ۱ درصد قطرات مِه حضور دارند؛ با این حال، چون مِه از تعداد بسیار زیادی قطره تشکیل شده است، کل جمعیت میکروبی در مجموع به اندازه‌ای می‌رسد که شگفت‌آور است.

«گارسیا-پیشل»، استاد ممتاز در دانشکده علوم زیستی دانشگاه ایالتی آریزونا، می‌گوید: «اگر همه قطره‌ها را با هم در نظر بگیرید، غلظت باکتری‌ها هم‌ترازِ غلظت آنها در اقیانوس است».

به گفته پژوهشگران، حجمی به اندازه یک انگشتانه از آبِ مِه می‌تواند حدود ۱۰ میلیون سلول باکتریایی در خود داشته باشد.

باکتری‌های آلاینده‌خوار پنهان در مِه

یک گروه از میکروب‌ها توجه ویژه‌ای را به خود جلب کردند: متیلوباکتری‌ها (Methylobacteria).

دانشمندان دریافتند که فراوانی این باکتری‌ها در طول رویداد‌های مِه در مقایسه با شرایط هوای خشک افزایش می‌یابد. این موضوع از آن جهت اهمیت دارد که متیلوباکتری‌ها ترکیبات کربنی ساده، از جمله «فرمالدهید» را مصرف می‌کنند؛ یعنی یک آلاینده سمی که با تشکیل مِه-دود (Smog) و خطرات سلامت تنفسی مرتبط است.

فرمالدهید از طریق گاز‌های خروجی وسایل نقلیه، فرآیند‌های صنعتی، دود آتش‌سوزی‌های جنگلی و برخی محصولات خانگی وارد جو می‌شود. در محیط‌های شهری، این ماده در فعل و انفعالات شیمیایی پیچیده‌ای که به تولید آلاینده «ازون تروپوسفری» منجر می‌شود، مشارکت دارد.

«این پژوهش نشان می‌دهد قطرات مِه ممکن است به‌طور موقت به «محفظه‌های کوچک واکنش» تبدیل شوند؛ محفظه‌هایی که در آنها باکتری‌ها به زدودن بخشی از این آلاینده‌ها از هوا کمک می‌کنند.

کائو می‌گوید: «ما آنها را زیر میکروسکوپ مشاهده کردیم تا ببینیم که بله، باکتری‌ها در حال بزرگ‌تر شدن و تقسیم شدن هستند، بنابراین رشد وجود دارد. ما همچنین دریافتیم که آنها از فرمالدهید به عنوان غذا برای حمایت از رشد خود استفاده می‌کنند».

باکتری‌ها، فرمالدهید را چنان با بازدهی بالا پردازش می‌کردند که پژوهشگران در ابتدا گمان کردند واکنش‌های شیمیایی اضافی در کار است. اما در عوض، مشخص شد که میکروب‌ها این آلاینده را هم به عنوان منبع غذایی و هم به عنوان یک مکانیسم دفاعی تجزیه می‌کنند؛ چرا که در غلظت‌های بالا، فرمالدهید حتی برای خود باکتری‌ها نیز سمی است.

میکروب‌ها با تبدیل این ماده شیمیایی به دی‌اکسید کربن، به‌طور مؤثری از تجمع مضر آن درون قطرات می‌کاهند.

چرا دانشمندان نوع خاصی از مِه را مطالعه کردند؟

ردیابی باکتری‌های موجود در هوا دشوار است؛ زیرا باد مدام جو را جابه‌جا می‌کند. برای مطالعه چگونگی تغییر جمعیت‌های میکروبی در طول زمان، پژوهشگران به مِه‌ای نیاز داشتند که در شرایط جوی پایدار تشکیل شود.

آنها بر «مِه تابشی» (Radiation fog) تمرکز کردند؛ پدیده‌ای که وقتی زمین در شب خنک شده و هوای مستقیما بالای خود را سرد می‌کند، ایجاد می‌شود. سپس بخار آب در نزدیکی سطح زمین، به‌ویژه در دره‌های مرطوب با هوای آرام، متراکم شده و مِه را می‌سازد.

برخلاف سامانه‌های طوفانی پرسرعت، مِه تابشی می‌تواند برای ساعت‌ها نسبتا پایدار بماند و مشاهده تغییرات میکروبی را قبل، حین و بعد از تشکیل آسان‌تر کند.

این پژوهش نشان می‌دهد که دانشمندان هنوز چقدر درباره جنبه‌های زیستی جو کم می‌دانند. اکثر مدل‌های اتمسفری به شدت بر شیمی و فیزیک تمرکز دارند، در حالی که میکروارگانیسم‌های زنده اغلب به عنوان ذرات غیرفعال در نظر گرفته می‌شوند.

اما میکروب‌ها ممکن است بسیار فراتر از آنچه دانشمندان تصور می‌کردند، فعالیت داشته باشند.

میکروب‌های ریز می‌توانند بر کیفیت هوا و اقلیم تأثیر بگذارند

یافته‌های این پژوهش می‌تواند حوزه‌های متعددی از جمله مطالعات آلودگی، علوم اقلیمی و حتی جمع‌آوری آب آشامیدنی را تحت تأثیر قرار دهد.

در برخی مناطق خشک جهان، سیستم‌های توری تخصصی برای برداشت آب مِه به عنوان منبع آب شیرین استفاده می‌شود. مِه اغلب به عنوان منبعی ذاتا پاک دیده می‌شود؛ اما این پژوهش نشان می‌دهد که قطرات مِه می‌توانند حامل جوامع میکروبی فعال باشند و احتمالا باید قبل از مصرف تصفیه شوند.

این پژوهش همچنین پرسش‌های گسترده‌تری را درباره خودِ جو برمی‌انگیزد. اگر باکتری‌ها درون مِه و ابر‌ها فعال بمانند، ممکن است بر واکنش‌های شیمیایی که کیفیت هوا و احتمالا الگو‌های آب و هوایی را شکل می‌دهند، تأثیر بگذارند.

کائو می‌گوید: «شاید لازم باشد در نظر بگیریم که باکتری‌ها، علاوه بر نقش داشتن در پیشبرد واکنش‌های شیمیایی، درون این قطرات هم رشد می‌کنند. همین موضوع روایت رایج را تغییر می‌دهد: آنها صرفا مانند یک کاتالیزورِ منفعل عمل نمی‌کنند، بلکه فعالیت‌های زیستی دیگری هم دارند. اگر این را بپذیریم، ممکن است ناچار شویم مدل‌هایی را که تا امروز برای توصیف و شبیه‌سازی فرآیند‌های جوّی به کار می‌بریم، بازنگری کنیم».

دانشمندان تازه در ابتدای مسیر بررسی این اکوسیستم‌های جوی هستند.

«پیر هرکز»، نویسنده همکار این پژوهش و استاد دانشکده علوم مولکولی، می‌گوید: «اینکه مردم شروع به بررسی فعالیت‌های بیولوژیکی در ابر‌ها کرده‌اند نسبتا جدید است؛ بنابراین هنوز موارد زیادی وجود دارد که ما درک نمی‌کنیم. به عنوان مثال، در شب، شیمی اتمسفری چندانی در جریان نیست؛ زیرا شیمی عمدتا توسط خورشید و نور هدایت می‌شود. اما اگر باکتری‌ها حتی در طول شب هم کار خود را انجام دهند، می‌توانند اهمیت به‌سزایی داشته باشند».

بسیاری از پرسش‌ها همچنان بی‌پاسخ مانده‌اند. پژوهشگران هنوز نمی‌دانند جوامع میکروبیِ موجود در مِه ساحلی، مِه کوهستانی، مه‌دودِ شهری و سامانه‌های ابریِ واقع در لایه‌های بالاترِ جو چه تفاوت‌هایی با یکدیگر دارند. دانشمندان همچنین می‌خواهند بدانند آیا این میکروب‌های معلق در هوا بر بارندگی، چرخه‌های آلودگی یا سلامت انسان به شیوه‌هایی که تاکنون نادیده گرفته شده است، تأثیر می‌گذارند یا خیر.

«گارسیا-پیشل» با اشاره به افق‌های باز این پژوهش می‌گوید: «محدودیتی برای آنچه می‌توانیم کشف کنیم وجود ندارد».