В горячем источнике Йеллоустонского национального парка микроб делает то, что жизнь не может: он одновременно дышит кислородом и серой. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Большой призматический источник в Йеллоустонском национальном парке имеет хаотичный химический состав — с участками, богатыми кислородом, и бескислородными, — что может способствовать двойному дыханию.
Введение
Сделайте глубокий вдох. Поток воздуха ворвался в ваши лёгкие, откуда кислород поступает в кровоток, подпитывая метаболические процессы в клетках по всему телу. Вы, будучи аэробным организмом, используете кислород как клеточную искру, высвобождающую молекулярную энергию из потребляемой вами пищи. Но не все организмы на планете живут и дышат таким образом. Вместо того чтобы использовать кислород для получения энергии, многие одноклеточные формы жизни, обитающие в средах, удалённых от кислорода, таких как глубоководные гидротермальные источники или стигийские расщелины в почве, используют другие элементы для дыхания и высвобождения энергии.
Это физическое разделение миров, богатых кислородом, и миров, лишенных кислорода, — не просто вопрос использования доступных ресурсов; это биохимическая необходимость. Кислород плохо сочетается с метаболическими путями, позволяющими дышать другими элементами, такими как сера или марганец. Он даёт жизнь аэробам, таким как мы, но для многих анаэробов, то есть существ, дышащих без кислорода, кислород — токсин, который вступает в реакцию с их специализированными молекулярными механизмами и повреждает их.
«Кислород — мы его, конечно, любим, — сказала Кортни Стэйрс, биолог-эволюционист из Лундского университета в Швеции. — Но на самом деле это довольно вредная молекула для большинства живых существ на нашей планете, и даже для нас самих. У нас есть способы смягчить негативное воздействие кислорода. Поэтому мы не представляем жизни без него, но жить с ним довольно сложно».
В течение первых пары миллиардов лет жизни на Земле организмы полностью избегали этой сложной ситуации. В то время воздух и океаны были практически лишены кислорода, поэтому жизнь была почти полностью анаэробной, то есть не дышащей кислородом. Затем, около 2,7 миллиарда лет назад, моря заполонили трудолюбивые фотосинтезирующие цианобактерии. Они изобрели способ преобразовывать солнечный свет в сахар и кислород и процветали. За сотни миллионов лет их накопленное дыхание наполнило атмосферу и океаны кислородом. Это так называемое Великое окислительное событие стало важнейшим преобразованием биосферы и физико-химических процессов в атмосфере и океанах Земли. В этих новых условиях аэробное дыхание стало доминировать в мире.
Для исследователей по-прежнему остаётся загадкой, как жизнь осуществила переход от анаэробного к аэробному дыханию; столь огромное микробное разнообразие было вынуждено адаптироваться к миру, наполненному тем, что когда-то было биохимическим бедствием. Теперь у исследователей есть новое представление о том, как мог выглядеть этот переход миллиарды лет назад, полученное на примере современного организма. Бактерия, собранная исследователями в котле горячего источника в Йеллоустонском национальном парке, делает то, на что жизнь, по сути, не способна: она одновременно осуществляет аэробный и анаэробный метаболизм. Она одновременно дышит кислородом и серой.
Результаты «в очередной раз напоминают нам о том, как много нам ещё предстоит узнать о микробном разнообразии и метаболизме», — сказала Наталия Мрнявац, аспирантка кафедры эволюционной микробиологии Дюссельдорфского университета имени Генриха Гейне в Германии, которая не принимала участия в исследовании. «И для человека, который любит микробов, это захватывающе».
Результаты исследования, опубликованные ранее в этом году в журнале Nature Communications, бросают вызов предположениям о пределах клеточного дыхания и могут дать исследователям модель для понимания того, как жизнь балансирует на грани рая и яда.
Метаболические трюки
Давно известно, что формы жизни развили способы чередования аэробного и анаэробного дыхания, например, в качестве крайней меры при дефиците кислорода. Но поскольку кислород нарушает анаэробное дыхание, многие исследователи предполагали, что клетки не могут расти, используя оба процесса одновременно.
Поэтому, когда Эрик Бойд, микробиолог из Университета штата Монтана в Бозмене, и его коллеги обнаружили сообщения конца 1990-х — начала 2000-х годов, предполагающие, что некоторые бактерии могут делать именно это, их любопытство возбудилось. В частности, было замечено, что бактерии производят сульфид, продукт анаэробного дыхания, даже при наличии кислорода в окружающей среде. «Странно читать подобное, потому что это бросает вызов учебникам — тому, что, как вы знаете, верно в отношении микробного метаболизма», — вспоминает он.
Эрик Бойд собирает микроорганизмы из агрессивных сред, таких как горячие источники, чтобы изучить, как им удается там выживать.
Бойд интересуется тем, как жизнь развивается и сохраняется в одних из самых химически и термически агрессивных мест на Земле. Он и его команда изучают разнообразие выносливых микробов, обитающих в стыках между поверхностью и подземным миром, включая вулканические жерла и термальные источники Йеллоустонского национального парка, расположенного недалеко от его университета в Монтане. Этот странный микроб, который, по-видимому, использовал анаэробное дыхание даже при наличии кислорода, был как раз по его части. Чтобы узнать о нём больше, Бойду и его команде предстояло исследовать бурные источники, которые предпочитал бы такой микроб, где вулканические пузырьки смешиваются с богатой кислородом атмосферой и бескислородными подземными водами.
В придорожном термальном источнике возле озера Нимф в северо-западной части парка они собрали и изолировали штамм, получивший название Hydrogenobacter RSW1. RSW1 показался им естественным кандидатом для исследования необычного дыхания. Эта бактерия распространена в вулканических термальных источниках по всему миру, от Исландии до Новой Зеландии, и может расти при очень ограниченном количестве кислорода. Кроме того, она относится к тому же отряду Aquificales, что и любопытные микробы из предыдущих исследований. Исследователи вернули её в лабораторию, чтобы вырастить и изучить её метаболизм.
Члены команды постепенно определяли, на каких элементах и молекулах может расти бактериальный штамм. Они уже знали, что он может использовать кислород, поэтому протестировали другие комбинации в лаборатории. В отсутствие кислорода RSW1 мог перерабатывать водород и элементарную серу — химические вещества, которые он находил в выбросах из вулканического жерла, — и производить сероводород в качестве продукта. Однако, хотя клетки в этом состоянии были технически живыми, они не росли и не размножались. Они производили небольшое количество энергии — ровно столько, чтобы поддерживать жизнь, и ничего больше. «Клетка просто крутилась, не получая никакого реального прироста метаболизма или биомассы», — сказал Бойд.
Затем команда снова добавила кислород в смесь. Как и ожидалось, бактерии росли быстрее. Но, к удивлению исследователей, RSW1 также продолжал выделять сероводород, словно дышал анаэробно. Фактически, бактерии, по-видимому, дышали одновременно аэробно и анаэробно, получая энергию от обоих процессов. Это двойное дыхание зашло дальше, чем предполагалось ранее: клетка не просто производила сульфид в присутствии кислорода, но и одновременно выполняла оба конфликтующих процесса. Бактерии просто не должны были этого делать.
«Это поставило нас перед выбором: «Ладно, что, черт возьми, здесь происходит на самом деле?» — сказал Бойд.
Дыхание двумя способами
RSW1, по-видимому, имеет гибридный метаболизм, работающий в анаэробном режиме с использованием серы, и в то же время в аэробном режиме с использованием кислорода.
«Способность организма совмещать оба этих метаболизма — поистине уникальное явление», — сказала Ранджани Мурали, микробиолог-эколог из Университета Невады в Лас-Вегасе, не принимавшая участия в исследовании. Обычно, когда анаэробные организмы подвергаются воздействию кислорода, повреждающие молекулы, известные как активные соединения кислорода, создают стресс, добавила она. «То, что этого не происходит, — это действительно интересно».
В термальном источнике Roadside West (слева) в Йеллоустонском национальном парке исследователи выделили необычный микроб из серой биопленки (справа).
Команда Бойда наблюдала, что бактерии лучше всего росли при одновременном использовании обоих видов метаболизма. Это может быть преимуществом в их уникальной среде обитания: кислород в горячих источниках, подобных тем, где обитает RSW1, распределен неравномерно. В постоянно меняющихся условиях, когда кислород может буквально мгновенно исчезнуть, умение подстраховаться в своих метаболических ставках может быть высокоадаптивным свойством.
Было замечено, что другие микробы дышат двумя способами одновременно: анаэробно, используя нитраты, и аэробно, используя кислород. Но эти процессы используют совершенно разные химические пути, и в сочетании они, как правило, требуют от микробов энергетических затрат. В отличие от этого, гибридный серо-кислородный метаболизм RSW1 стимулирует клетки, а не подавляет их.
Подобное двойное дыхание, возможно, до сих пор не было обнаружено, поскольку считалось невозможным. «У вас действительно нет причин искать» что-то подобное, сказал Бойд. Кроме того, кислород и сульфид быстро реагируют друг с другом; если вы не следите за сульфидом как побочным продуктом, вы можете его полностью пропустить, добавил он.
Мурали отметила, что микробы с двойным метаболизмом, возможно, широко распространены. Она указала на множество мест обитания и организмов, которые существуют в условиях незначительных градиентов между богатыми кислородом и бескислородными зонами. Одним из примеров являются подводные отложения, в которых могут обитать кабельные бактерии. Эти вытянутые микробы ориентируются таким образом, что один конец их тела может использовать аэробное дыхание в насыщенной кислородом воде, в то время как другой конец находится глубоко в бескислородном осадке и использует анаэробное дыхание. Кабельные бактерии процветают в своей шаткой перегородке, физически разделяя свои аэробные и анаэробные процессы. Но RSW1, по-видимому, выполняет несколько задач, кувыркаясь в бурлящем источнике.
Пока неизвестно, как бактериям RSW1 удаётся защищать свой анаэробный аппарат от кислорода. Мурали предположила, что клетки могут создавать внутри себя химические суперкомплексы, которые могут окружать, изолировать и «поглощать» кислород, быстро расходуя его при контакте с ним, чтобы газ не мог помешать дыханию с использованием серы.
RSW1 и любые другие микробы с двойным метаболизмом представляют собой интригующие модели эволюции микробной жизни во время Великой оксигенации, сказал Бойд. «Это, должно быть, было довольно хаотичным временем для микробов на планете», — сказал он. Поскольку кислород медленно проникал в атмосферу и море, любая форма жизни, способная выдержать периодическое соприкосновение с новым ядовитым газом — или даже использовать его для своей энергетической выгоды, — могла оказаться в выгодном положении. В тот переходный период два метаболизма могли быть эффективнее одного.
Источник: www.quantamagazine.org
