آمیب زمین‌گرمایی با تولیدمثل در دمای ۶۳ درجه سانتی‌گراد، رکورد تحمل گرمای حیات پیچیده را در هم شکست

آمیب تازه‌کشف‌شده‌ای به نام Incendiamoeba cascadensis با تولیدمثل فعال در دمای ۶۳ درجه سانتی‌گراد (۱۴۵ درجه فارنهایت)، سقف حرارتی حیات پیچیده را در هم شکسته است. این ارگانیسم که در جریان‌های جوشان زمین‌گرمایی پارک ملی آتشفشانی لاسن (Lassen Volcanic National Park) در کالیفرنیا یافت شده، ثابت می‌کند که سلول‌های یوکاریوتی می‌توانند در برابر دماهایی مقاومت کنند که پیش‌تر تصور می‌شد ماشین‌آلات داخلی آن‌ها را نابود می‌کند. یوکاریوت‌ها - قلمرویی از حیات که همه‌چیز از قارچ‌ها و گیاهان گرفته تا انسان‌ها را در بر می‌گیرد - با ساختارهای داخلی پیچیده‌شان، از جمله هسته و اندامک‌های غشادار، تعریف می‌شوند. از آنجا که این ماشین‌آلات بیولوژیکیِ درهم‌تنیده به شدت نسبت به گرما حساس هستند، زیست‌شناسان مدت‌ها بر این باور بودند که دمای ۶۰ درجه سانتی‌گراد (۱۴۰ درجه فارنهایت) حد مطلق بقای یوکاریوت‌هاست؛ رکوردی که پیش از این در اختیار تعداد انگشت‌شماری از قارچ‌ها و جلبک‌های قرمزِ تکامل‌یافته بود.[1][6]

بین سال‌های ۲۰۲۳ تا ۲۰۲۵، میکروبیولوژیست‌ها بریل راپاپورت (Beryl Rappaport) و آنجلا الیوریو (Angela Oliverio) از دانشگاه سیراکیوز (Syracuse University) تصمیم گرفتند تا حیات میکروبی پنهان در محیط‌های خشن را فهرست‌بندی کنند. آن‌ها نمونه‌هایی از آب و رسوبات نهر هات اسپرینگز (Hot Springs Creek) در پارک ملی آتشفشانی لاسن جمع‌آوری کردند؛ جایی که دمای آب بین ۴۹ تا ۶۴ درجه سانتی‌گراد متغیر بود. این انشعاب آتشفشانی محیطی است که به طور سنتی تحت سلطه باکتری‌ها و آرکی‌های ساده‌تر و گرما دوست، معروف به پروکاریوت‌ها، قرار دارد که فاقد اندامک‌های داخلی شکننده حیات پیچیده هستند. هنگامی که محققان نمونه‌ها را در آزمایشگاه خود کشت دادند تا جوامع یوکاریوتی موجود را مطالعه کنند، میکروب مرموزی را شناسایی کردند که در دمای ۵۷ درجه سانتی‌گراد به خوبی رشد می‌کرد؛ دمایی که با رکورد قبلی گرما برای هر گونه آمیب شناخته‌شده‌ای برابری می‌کرد.[3][6]

تیم تحقیقاتی که در مورد محدودیت‌های واقعی این ارگانیسم کنجکاو شده بود، شروع به بالا بردن دمای انکوباتورهای آزمایشگاهی خود کرد. این میکروب مرموز به جای از بین رفتن، به شکار، رشد و انجام میتوز - فرآیند تقسیم سلولی غیرجنسی - تا دمای ۶۳ درجه سانتی‌گراد ادامه داد. دانشمندان با استفاده از میکروسکوپ کانفوکال، در زمان واقعی مشاهده کردند که چگونه این سلول‌ها در دماهایی که سایر ارگانیسم‌های پیچیده را فوراً می‌کشد، DNA خود را تکثیر کرده و پروتئین‌های اسکلت سلولی‌شان را در طول همانندسازی گسترش می‌دهند. الیوریو در رابطه با این کشف خاطرنشان کرد: «این یافته مرزهای آنچه را که فکر می‌کردیم ممکن است جابه‌جا می‌کند، که فوق‌العاده هیجان‌انگیز است. ممکن است یوکاریوت‌های بیشتری وجود داشته باشند که بتوانند در دماهایی حتی بالاتر از آنچه ما می‌شناسیم زنده بمانند.»[3][6]

برای درک اینکه چگونه I. cascadensis از گرمایی جان سالم به در می‌برد که پروتئین‌های تقریباً هر سلول پیچیده دیگری را واسرشت (دناتوره) می‌کند، تیم تحقیقاتی کل ژنوم آن را توالی‌یابی کرده و با گونه‌های نزدیک به آن مقایسه کرد. آن‌ها دریافتند که این آمیب دارای سازگاری‌های ژنتیکی ویژه‌ای است که DNA آن را تثبیت کرده و از تجمع پروتئین‌هایش تحت استرس حرارتی شدید جلوگیری می‌کند. به طور خاص، پروتئین‌های آن دارای سطوحی با بار مثبت هستند که یکپارچگی ساختاری خود را حتی در آب‌های نزدیک به نقطه جوش حفظ می‌کنند. این تغییرات مولکولی از فروپاشی سلولی که معمولاً هنگام قرار گرفتن غشاهای لیپیدی ظریف و اندامک‌های پیچیده حیات یوکاریوتی در معرض چنین شرایط محیطی شدیدی رخ می‌دهد، جلوگیری می‌کند.[3][5]

فراتر از دفاع مولکولی، این آمیب از یک مکانیسم دفاع فیزیکی نیز بهره می‌برد و برای حرکت در محیط ناپایدار چشمه‌های آب گرم، بین دو شکل بدنی متمایز تغییر حالت می‌دهد. محققان با استفاده از میکروسکوپ نوری و الکترونی روبشی مشاهده کردند که این ارگانیسم برای جستجوی طعمه مورد علاقه خود - باکتری‌های رشته‌ای مانند Meiothermus ruber - از یک شکل کشیده و کرم‌مانند (vermiform) استفاده می‌کند. هنگامی که دما در نوسان است یا ارگانیسم نیاز به حرکت سریع دارد، به شکل فشرده‌تر و آمیبی با پاهای کاذب (pseudopodia) بیرون‌زده درمی‌آید تا به سرعت فرار کند. این انعطاف‌پذیری مورفولوژیکی به آمیب اجازه می‌دهد تا به طور مداوم خود را با شیب‌های حرارتی متغیر زیستگاه آتشفشانی‌اش سازگار کند.[3]

اگر دمای آب از حد تکثیر ۶۳ درجه سانتی‌گراد فراتر رود، آمیب یک سیستم ایمنی بیولوژیکی نهایی را برای تضمین بقای خود مستقر می‌کند. در دمای ۶۴ درجه سانتی‌گراد و تا ۷۰ درجه سانتی‌گراد (۱۵۸ درجه فارنهایت)، خود را در یک کیست محافظ محصور کرده و وارد حالت خفته‌ای می‌شود که ساختارهای داخلی‌اش را از گرمای محیط اطراف مصون می‌دارد. هنگامی که محیط دوباره تا محدوده قابل‌تحمل خنک شد، آمیب از کیست خارج شده و عملکردهای سلولی عادی خود را به طور یکپارچه از سر می‌گیرد. آزمایش‌های آزمایشگاهی تأیید کردند که این ارگانیسم در این حالت خفته به طرز شگفت‌انگیزی مقاوم است و تنها زمانی از بین می‌رود که دما به ۸۰ درجه سانتی‌گراد (۱۷۶ درجه فارنهایت) برسد.[2][3]

این ارگانیسم صرفاً گرما را تحمل نمی‌کند؛ بلکه برای عملکرد خود کاملاً به آن نیاز دارد. مطالعات گسترده روی منحنی رشد نشان داد که اگر دما به زیر ۴۲ درجه سانتی‌گراد (۱۰۸ درجه فارنهایت) برسد، رشد I. cascadensis به طور کامل متوقف می‌شود و اوج فعالیت و تکثیر آن دقیقاً در دمای ۵۷ درجه سانتی‌گراد رخ می‌دهد. این امر آمیب را به یک گرمادوست اجباری (obligate thermophile) تبدیل می‌کند که به طور کامل برای دریچه‌های زمین‌گرمایی شدید رشته‌کوه کسکید (Cascade) تکامل یافته است. در حالی که جدول زمانی دقیق تکاملی سازگاری حرارتی آن هنوز اثبات نشده است، تبار ژنتیکی آن نشان می‌دهد که از یک جد مشترک منشعب شده تا یک طاقچه اکولوژیکی بسیار خاص و با دمای بالا را پر کند که سایر یوکاریوت‌ها به سادگی نمی‌توانستند در آن زنده بمانند.[3]

این کشف که جزئیات رسمی آن در مجله Cell منتشر شده است، مرزهای جدیدی را هم برای بیوتکنولوژی و هم برای اخترزیست‌شناسی می‌گشاید. پروتئین‌های مقاوم به گرمایی که به این «آمیب آتشین» اجازه رشد می‌دهند، می‌توانند در نهایت برای کاربردهای صنعتی و پزشکی برداشت شوند و ابزارهای جدیدی را برای فرآیندهایی که نیازمند عملکرد آنزیم‌ها در دماهای بالا هستند، ارائه دهند. علاوه بر این، گسترش محدوده‌های حرارتی حیات پیچیده، دانشمندان را مجبور خواهد کرد تا پارامترهای جستجوی خود را برای یافتن محیط‌های قابل‌سکونت در خارج از زمین گسترش دهند. اگر یک ارگانیسم پیچیده و هسته‌دار بتواند در آب‌های نزدیک به نقطه جوش یک چشمه آب گرم آتشفشانی رشد کند، پتانسیل وجود حیات پیشرفته در سایر جهان‌های فعال از نظر زمین‌گرمایی ممکن است بسیار بیشتر از آن چیزی باشد که پیش‌تر تصور می‌شد.[1][4][5][7][8]