Микробы также изменяют климат. Может ли это нам помочь?

Сборник коротких заметок из области климатической микробиологии рассказывает о вкладе одноклеточных организмов в нашу климатическую систему и о том, как мы можем использовать их для решения проблемы изменения климата. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Марк Белан/Quanta Magazine

Марк Белан/Quanta Magazine

Биохимия. Микробиологические хозяева климата Земли. Сборник коротких заметок из области климатической микробиологии рассказывает о вкладе одноклеточных организмов в нашу климатическую систему и о том, как мы можем использовать их для решения проблемы изменения климата. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Жизнь влияла на атмосферу Земли на протяжении миллиардов лет. Но до двух столетий назад, когда люди начали сжигать ископаемое топливо в промышленных масштабах, наиболее значимыми живыми регуляторами климата были организмы, невидимые нам: одноклеточные микробы. Маленькие, но могучие, микроорганизмы — это природные химики. На самом базовом уровне всех биологических процессов микробы расщепляют, преобразуют и обеспечивают питательными веществами, необходимыми для жизни, и вводят элементы в биохимические циклы по всей планете — в атмосферу, океан, землю и биосферу.

«Микробное биоразнообразие, которое мы не видим невооруженным глазом, поддерживает то биоразнообразие, которое мы видим», — сказал Том Баттин, ученый-эколог, изучающий микробную экологию в Федеральном политехническом институте Лозанны. «Микробы подобны дирижерам биогеохимического оркестра Земли. Они создают музыку».

Микроорганизмы, например, превращают инертные азот и фосфор в формы, которые могут быть использованы живыми организмами для построения молекул ДНК. Они отвечают как минимум за 50% глобального фотосинтеза, который удаляет углекислый газ из атмосферы. Они также возвращают углекислый газ в атмосферу, расщепляя мертвые организмы на составляющие их молекулы. Когда микробы дрейфуют в глубины океана, они приносят с собой углерод, накапливая его в виде осадка, а затем, глубже в земле, в виде породы. Клетки даже обнаруживаются в облаках, где они выступают в качестве зародышей, вокруг которых образуются кристаллы льда.

«Мне бы хотелось, чтобы люди знали об этом невидимом мире, который работает как сумасшедший за кулисами», — сказала Лиза Й. Стейн, микробиолог, изучающая изменение климата в Университете Альберты. «Растения, микробы, вода, воздух — все это единая система, работающая в синергии».

Влияние микробов на планету восходит к истокам жизни, когда древние клетки впервые начали выделять метан, парниковый газ, который, вероятно, нагрел раннюю атмосферу Земли. Затем, около 2,7 миллиарда лет назад, в ходе крупного перехода для планеты, у цианобактерий развился фотосинтез на основе хлорофилла, которые приобрели способность использовать солнечный свет для производства сахара из углекислого газа и воды — и выделять кислород в качестве побочного продукта. В течение сотен миллионов лет выбросы кислорода микробами заполнили атмосферу, вызвав вымирание большинства анаэробных форм жизни и создав условия для появления наземных растений. Эти растения превратили в основном мертвый ландшафт в рай для крупных, сложных форм жизни, таких как мы.

На протяжении всей истории жизни на Земле микробы играли ведущую роль в регулировании климатической системы нашей планеты. Но теперь мы превзошли их климатологическое воздействие. На этой планете, где происходит потепление и выбросы парниковых газов растут опасными темпами, микробиологи утверждают, что пришло время больше ценить наших невидимых коллег. И как коллеги по регулированию климата Земли, мы должны понимать, как наши действия влияют на микробы, и научиться взаимодействовать с ними.

Эти короткие рассказы об ученых, работающих на переднем крае климатической микробиологии, раскрывают жизненно важную роль микробов в нашей биосфере и климатической системе и освещают новые возможности для сотрудничества с этими невероятными природными химиками.

────────

Пожиратели метана

Очень давно, на заре жизни на Земле, самые ранние микробы положили начало взаимосвязи жизни и окружающей её атмосферы. Древние клетки архей использовали реакцию между водородом и углеродом для получения энергии, выделяя метан в качестве побочного продукта. Поскольку метан является мощным парниковым газом, многие ученые предполагают, что эти первые метаногены, или производители метана, согрели планету около 3,5 миллиардов лет назад, сделав её пригодной для жизни последующих форм жизни.

Сегодня метан стал проблемой для жизни на Земле. Ученые подсчитали, что этот основной молекулярный компонент природного газа, который люди сжигают в качестве топлива, ответственен почти за треть глобального потепления, произошедшего с начала промышленной революции. И выбросы метана ускоряются: с 2020 по 2022 год они росли самыми быстрыми темпами с начала наблюдений. Интересно, что этот недавний рост был вызван не прямыми выбросами человека, а метаногенными микробами, реагирующими на изменения, вызванные деятельностью человека.

«Метаногены пробуждаются», — сказал Штейн. Теплые условия создают больше пищи для этих микробов, которые процветают в гниющей растительности, как это бывает в тропических болотах и оттаивающей арктической вечной мерзлоте. А по мере ускорения круговорота углерода у метаногенов появляется больше углерода, которым они могут питаться и выделять еще больше метана.

Однако, как видят ученые-атмосферологи и микробиологи, микроорганизмы также способны снизить уровень метана и понизить температуру на планете. Метан — мощный парниковый газ, обладающий как минимум в 80 раз большей способностью к глобальному потеплению, чем углекислый газ, но он задерживается в атмосфере меньше времени. Эксперты говорят, что если мы сможем сократить выбросы метана сегодня, мы потенциально сможем предотвратить повышение глобального потепления на полградуса Цельсия к 2100 году.

К сожалению для нас, микробы, питающиеся метаном, называемые метанотрофами, растут медленнее, чем метаногены. Штейн подсчитала, что потребуется тысячелетие, чтобы скорость потребления метана метанотрофами сравнялась с темпами производства метана метаногенами. «Они не растут за одну ночь. Потребление метана — непростая задача», — сказала она.

Для этого метанотрофы в процессе эволюции выработали ферменты, способные справляться с чрезвычайно прочными и стабильными связями между атомами метана. «Эти ферменты феноменальны», — говорит Джессика Свансон, биофизик из Университета Юты. Она изучает один из таких ферментов, мембранный белок под названием pMMO — один из двух известных ферментов, способных перерабатывать метан при комнатной температуре. Многие метанотрофы буквально напичканы pMMO, который выполняет первый этап метаболизма газа.

Суонсон специализируется на моделировании этих мембранных белков, и эта работа поможет другим исследователям, стремящимся использовать pMMO для расщепления метана вне клетки. До тех пор нам нужны микробы, которые будут потреблять метан, сказала она. Она сотрудничает с микробиологами для разработки биореакторов, которые эффективно выращивают метанотрофы, чтобы они могли улавливать метан из воздуха или таких источников, как свалки.

Одна из проблем заключается в том, что метан присутствует в атмосфере в очень низких концентрациях: на каждый миллион молекул приходится всего две молекулы метана. «Мы хотим максимизировать количество метана, достигающего микроорганизмов, и сделать реакторы максимально эффективными, чтобы бороться с выбросами в низких концентрациях», — сказал Суонсон.

Тем временем Штейн сосредоточена на привлечении к этой задаче диких метанотрофов. Она работает над проектированием и размещением искусственных островов с растительностью, которые можно размещать в озерах, морских системах или реках для привлечения метанотрофов. Вместо того чтобы заниматься генной инженерией микроорганизмов для ускорения потребления метана, Штейн ценит работу с природными микробами и экосистемами. «Существует множество природных решений, позволяющих продлить время до нашей гибели», — сказала она.

────────

Заклинатели дождя

А

В обсерватории на вершине Пюи-де-Дом, неактивного вулкана высотой 1450 метров в центральной Франции, микробиолог Пьер Амато берет пробы облаков. По его словам, небо далеко не стерильно. Каждый кубический метр воздуха содержит от 10 до 10 миллионов микробов, в зависимости от высоты, местоположения, времени года и времени суток.

Атмосфера – враждебная среда для микробов. Любая клетка, дрейфующая в небе, подвергается воздействию ультрафиолетовых лучей и высыхает. «Выживание в облаке – это нечто особенное», – сказал Амато. Некоторые компоненты аэромикробиома образуют защитные споры или имеют пигменты, поглощающие ультрафиолетовое излучение; другие полностью открыты. Некоторые не могут справиться с условиями и быстро погибают; другие медленно растут в воздухе, потребляя и производя молекулы на основе углерода, которые Амато измеряет в лаборатории. «Им приходится приспосабливаться к условиям и использовать то, что у них есть», – сказал он.

Многие из этих микробов не просто выживают. Они также, по-видимому, играют важную роль в облаках: они вызывают дождь. На суше модельный облачный микроб Pseudomonas syringae заражает и повреждает растения, вырабатывая так называемые «белки нуклеации льда» (БНП), которые вызывают замерзание воды при относительно высоких температурах (чуть ниже 0 градусов Цельсия). Когда бактерия попадает в атмосферу, эти БНП генерируют частицы льда — процесс, называемый нуклеацией льда, который является первым этапом образования дождя в холодных облаках.

«Облака — это, по сути, плавающие озера, которые не падают, потому что капли слишком малы», — говорит Синди Моррис, фитопатолог из Национального научно-исследовательского института сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды Франции. «Необходимо запустить процесс агрегации капель, чтобы они стали достаточно большими для падения».

Похоже, что белки-ядра льда способствуют этому процессу. Лабораторные исследования этих белков показывают, что их петлеобразная, спиральная конфигурация взаимодействует с окружающими молекулами воды, выстраивая их в структуры, которые способствуют образованию замерзших капель, называемых ядрами льда. При благоприятных условиях другие холодные капли прилипают к замерзшей. А когда капля становится достаточно большой, она выпадает в виде осадков.

Моррис изучает вопрос о том, может ли этот процесс быть результатом совместных усилий микроорганизмов и растений. Бактерии рода Pseudomonas и другие микроорганизмы выбрасываются в атмосферу растениями вместе с водяным паром. Согласно этой теории, осадки, вызываемые этими микроорганизмами, приносят пользу растениям на земле, подпитывая так называемый цикл биоосадков. Микроорганизмы также получают выгоду. ИНП имеют сложную структуру, и микроорганизмы, которые тратят энергию на их производство, с большей вероятностью выпадают в виде осадков. Таким образом, ИНП дают Pseudomonas преимущество в выживании, сказал Моррис. Возможно, они способствовали распространению штаммов бактерий, продуцирующих ИНП, по всему миру. Действительно, у Pseudomonas, похоже, нет биогеографии; они являются «гражданами мира», встречающимися повсюду. Только в Исландии, изолированной от струйного течения, обитают уникальные популяции этих бактерий, сказал Моррис.

Только бактерии рода Pseudomonas являются наиболее изученными микроорганизмами, способными образовывать зародыши льда; другие также производят зародыши льда и, по-видимому, способствуют выпадению осадков. «Подобная обратная связь полезна как для растительности, так и для микроорганизмов», — сказал Амато. Микроорганизмы распространяются, а растения получают дождь.

Хотя локальные последствия кажутся очевидными, исследователи говорят, что биоосаждения изучены недостаточно хорошо, чтобы понять их значение для климата планеты. «Нам нужна модель», — сказал Амато. Он сотрудничает с физиками, чтобы смоделировать перемещение микробов в атмосфере и связать это перемещение с климатом. В идеале, по его словам, он мог бы использовать данные о погоде, чтобы рассчитать происхождение микроба, обнаруженного в облаке над Пюи-де-Дом. Используя эти данные, он мог бы выявить новые связи между метаболической активностью микробов и изменениями в химическом составе атмосферы.

────────

Азотные войны

Растения всегда жили в окружении микробов. Еще до того, как у древних растений появились корни около 400 миллионов лет назад, микробы помогали им усваивать питательные вещества, и сегодня они по-прежнему оказывают им поддержку. Азот — яркий тому пример. Газообразный азот окружает нас повсюду, составляя 78% атмосферы. Всем живым организмам необходим этот элемент для создания биомолекул, таких как ДНК, но большинство видов не могут использовать молекулу N2, газообразную форму азота. Микробы высвобождают инертный газообразный азот и превращают его в реактивные формы азота, такие как нитрат и аммиак, которые могут использовать растения и другие организмы.

Но существуют и более антагонистические отношения. Нитрифицирующие микроорганизмы, которые окисляют аммиак до того, как растения смогут его усвоить, давно конкурируют с растениями за азот. Фактически, только около 50% азота, внесенного в качестве удобрения, усваивается культурами; остальное попадает в водоемы в виде нитратного загрязнения или поглощается микроорганизмами, некоторые из которых превращают его в закись азота, мощный парниковый газ. Закись азота ответственна за более чем 10% глобального потепления на сегодняшний день, а в период с 1980 по 2020 год выбросы этого газа выросли на 40%.

Чтобы обеспечить свои посевы достаточным количеством питательных веществ, фермеры вносят все больше и больше удобрений. Но растения могут усваивать азот лишь с определенной скоростью. Нитрифицирующие бактерии восполняют этот недостаток, быстрее перерабатывая излишки удобрений и высвобождая азотные загрязняющие вещества.

«Увеличение количества удобрений не решает проблему дефицита азота у растений», — заявила Кристина Хазард, микробиолог-эколог из Французского национального центра научных исследований. «Нам нужны стратегии, которые помогут растениям более эффективно усваивать азот».

Один из разрабатываемых подходов заключается в внесении в почву молекул, вырабатываемых растениями естественным образом, которые препятствуют размножению нитрифицирующих микробов. Однако эти природные молекулы быстро рассеиваются, а более долгодействующие синтетические версии этих соединений могут оказывать вредное воздействие. «Само соединение может влиять на биоразнообразие микроорганизмов в почве», многие из которых поддерживают здоровье растений, — сказал Хазард.

Ее подход, напротив, основан на изучении микробиома. Ее команда выявила типы вирусов, которые инфицируют нитрифицирующие микробы и замедляют их активность. Важно отметить, что эти вирусы специфичны для своих хозяев, и те, которые нацелены на нитрифицирующие микробы, не должны наносить вред другим микроорганизмам в почве. Команда Хазард в настоящее время тестирует эти вирусы в лаборатории и вскоре перейдет к полевым испытаниям. Другие биотерапевтические препараты на основе вирусов уже представлены на рынке, в том числе препарат для лечения болезни цитрусовых.

Такая обработка замедлит активность микробов, даст растениям больше времени для усвоения азота и снизит микробное производство закиси азота. «Удобрения ускоряют азотный цикл», — сказал Хазард. Сосредоточившись вместо этого на управлении почвенным микробиомом, можно было бы повысить урожайность сельскохозяйственных культур, одновременно сократив выбросы парниковых газов.

────────

Живой лед

Т

Неземная красота ледников и драматизм откола ледяных щитов стали культовыми образами изменения климата. Но лед — это не только замерзшая вода.

«Лед живой», — сказал Баттин. Микроорганизмы, такие как бактерии, водоросли и вирусы, живут на ледниках, внутри них и под ними. Когда ледник тает, это не просто потеря части замерзшей воды — геофизическое следствие изменения климата, — но и потеря целой экосистемы.

Лед поддерживает биологические сообщества, которых нет больше нигде на Земле. Александр Анесио, арктический микробиолог из Орхусского университета в Дании, утверждает, что лед — это биом, подобный лесу или пустыне. «На льду растут микроскопические растения [водоросли] и существует целая пищевая цепь — просто они не так заметны», — говорит Анесио, изучающий Гренландский ледяной щит, второй по величине в мире.

Летом поверхность льда тает, заполняя мельчайшие поры водой. Под палящим летним солнцем происходит бурный рост водорослей. На водорослях размножаются бактерии, вирусы заражают бактерии, а грибы разлагают отмершие организмы. Эти микробные экосистемы могут поддерживать существование более крупных организмов, таких как тихоходки и личинки насекомых.

Ледяные микробы специально приспособлены к суровым условиям. Их ферменты должны работать при гораздо более низких температурах, чем ферменты других организмов. Они также подвергаются воздействию интенсивного солнечного света: в Гренландии в разгар лета солнце светит почти 24 часа в сутки. Чтобы защитить свой хлорофилл от неустанного солнечного излучения, ледяные водоросли вырабатывают оранжевые и красные пигменты, которые придают некоторым ледяным покровам пурпурно-коричневый оттенок. «Некоторые из этих организмов встречаются и в других местах; некоторые мы находим только в ледниках», — сказал Анесио.

Когда ледник тает, теряется разнообразие криофильных микроорганизмов. Даже если глобальное потепление будет ограничено 1,5 градусами Цельсия, что кажется все более недостижимой целью, модели предсказывают, что к 2100 году растает половина ледников Земли. Многие из них уже исчезли, включая все ледники в Венесуэле и Словении, вместе со своими микробными обитателями.

Криомикробиологи изучают эти любящие лед микробы в дикой природе, пока есть такая возможность, и создадут биобанк для хранения резервных копий на случай вымирания видов. Баттин планирует собирать клетки, образцы вечномерзлой почвы, ДНК и другие образцы для долгосрочного хранения. «Мы открываем это биоразнообразие, и в то же время оно уже исчезает», — сказал он.

────────

Микробиом микробиома

Дрейфующие в океане микроорганизмы, называемые фитопланктоном, включая одноклеточные водоросли, цианобактерии и динофлагелляты, производят себе пищу практически из ничего. Эти мастера фотосинтеза используют солнечную энергию для осуществления реакций между углекислым газом и водой в специализированных органеллах, в результате чего образуются кислород и органический углерод. Но фитопланктон не может жить только на углекислом газе. Чтобы получить все необходимые питательные вещества, они должны обмениваться ими с другими микроорганизмами, которые плавают вместе с ними.

«На Земле нет организмов, живущих в изоляции», — говорит Шейди Амин, океанограф-микробиолог из Нью-Йоркского университета в Абу-Даби. Но как клетке, плавающей в бескрайнем открытом океане, удается удерживать свое сообщество рядом?

Фитопланктон использует преимущества гидродинамики, которая на уровне отдельных клеток работает иначе, — сказал Амин. Рыбы и другие крупные существа плавают свободно, движутся против течения и оставляют за собой след из молекул. Но микроскопические океанические микробы плывут по течению. Все, что они выделяют, перемещается вместе с ними в крошечном химическом облаке, медленно рассеиваясь.

Это означает, что фитопланктон может создавать микросреду в окружающей их воде. Он выделяет пищу и химические вещества, чтобы привлечь другие микроорганизмы. Некоторые производят сахаристые полимеры, называемые полисахаридами, к которым другие бактерии физически прикрепляются, как будто держатся за веревку. А некоторые фитопланктоны выделяют соединения, подавляющие рост недружественных бактерий. Это микробное сообщество, окружающее клетку фитопланктона, называется фикосферой.

Типичный пример взаимовыгодного обмена — это взаимодействие фотосинтезирующих диатомовых водорослей и бактерий рода Roseobacter. По словам Амина, бактерии снабжают диатомовые водоросли питательными веществами, которые те не могут производить самостоятельно, например, витамином B12; диатомовые водоросли, в свою очередь, подкармливают бактерии растворенным органическим углеродом. Эти взаимоотношения могут быть очень тесными: бактерии могут обитать внутри силикатной оболочки диатомовой водоросли или даже проникать внутрь клеточной мембраны, теряя при этом части своего генома.

В более широком масштабе такие микробные партнерства обеспечивают способность океана накапливать углерод. По меньшей мере половина глобального поглощения углерода посредством фотосинтеза происходит в океанах, и 90% этого приходится на фитопланктон; в 2023 году океан поглотил около 10,6 миллиардов метрических тонн углекислого газа. Когда остатки планктона оседают на морском дне, они фактически изолируются в глубоких отложениях. Таким образом, продуктивность планктона и его микробных партнеров определяет, сколько углекислого газа океан может удалить из атмосферы.

Потепление океанов, похоже, проверяет на прочность подобные взаимоотношения. Например, когда морская вода становится слишком горячей, кораллы вытесняют водоросли, живущие в их тканях. Ученые, в том числе Амин, проверяют, может ли то же самое быть справедливо для взаимодействий между микробами. Сейчас он изучает бактериальные микробиомы кораллов в Персидском заливе, одном из самых горячих морей в мире. Если ему удастся понять, как эти взаимоотношения адаптировались к условиям, которые вскоре станут более распространенными, то мы будем лучше подготовлены к сохранению микробных взаимодействий в условиях глобального потепления.

Источник: www.quantamagazine.org