Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере говорят, что микробы, живущие в ярко окрашенных горячих источниках Национального парка Йеллоустоун, в основном используют водород в качестве топлива, что предвещает жизнь в экстремальных условиях на других планетах и может способствовать пониманию бактерий внутри человеческого тела.
Команда биологов CU-Boulder во главе с профессором Норманом Пейсом, одним из ведущих мировых экспертов в области молекулярной эволюции и микробиологии, опубликовала на этой неделе свой доклад «Водород и биоэнергетика в геотермальной системе Йеллоустоун» в онлайн-издании «Трудов Национального Академия Наук.
Выводы команды, основанные на нескольких годах исследований в парке, опровергают популярную идею о том, что сера является основным источником энергии для крошечных организмов, живущих в тепловых условиях.
«Было неожиданно обнаружить, что водород является основным источником энергии для микробов в горячих источниках», - сказал Пейс. «Этот проект также интересен в контексте микробиологии, потому что это один из немногих случаев, когда нам удавалось изучать микробы для получения информации обо всей экосистеме. Это никогда не было возможно ».
Исследование было специально разработано для определения основного источника метаболической энергии, которая движет микробными сообществами в парковых зонах с температурой выше 158 градусов по Фаренгейту. Фотосинтез, как известно, не происходит выше этой температуры.
Сочетание трех разных подсказок привело исследователей к выводу, что водород является основным источником энергии. Генетический анализ разновидностей микробов, обитающих в сообществах горячих источников, показал, что все они предпочитают водород в качестве источника энергии. Они также наблюдали вездесущий H2 во всех горячих источниках в концентрациях, достаточных для микробной биоэнергетики. Термодинамические модели, основанные на полевых данных, подтвердили, что водородный обмен был наиболее вероятным источником топлива в этих средах.
«Эта работа представляет некоторые интересные связанные вопросы», - сказал Джон Спир, ведущий автор отчета. «Водород - самый распространенный элемент во вселенной. Если в другом месте есть жизнь, возможно, водород является его топливом », - сказал Спир. «Мы видели свидетельства воды на Марсе, и мы знаем, что на Земле водород может быть получен биогенетически путем фотосинтеза и ферментации или небиогенетически водой, реагирующей с железосодержащими породами. Возможно, что небиогенные процессы производят водород на Марсе и что некоторые микробные формы жизни могут использовать это », - сказал он.
По словам Спир, есть много примеров того, как бактерии, живущие в экстремальных условиях, включая человеческое тело, используют водород в качестве топлива. «Недавние исследования показали, что бактерии Helicobacter pylori, которые вызывают язвы, живут на водороде в желудке», - сказал Спир. «Сальмонелла усваивает водород в кишечнике. Это заставляет меня задуматься, сколько разных видов микробов метаболизируют водород в экстремальных условиях ».
Вместо того чтобы полагаться на традиционные методы микробиологии, в которых используются культуры, выращенные в лаборатории, команда CU-Boulder использовала методологию, разработанную Pace, для генетического анализа состава микробного сообщества в том виде, в каком оно появилось в полевых условиях. «Мы не смотрели на то, что растет в культуральной чашке, мы смотрели на РНК образцов прямо с поля», - сказал Спир.
«Мы никогда раньше не знали, какие микробы жили в горячих источниках Йеллоустона, и теперь мы знаем», - сказал Пейс.
Для сбора данных использовался новый набор инструментов, некоторые из которых никогда ранее не собирались. «Никто раньше не измерял концентрацию водорода в горячих источниках, потому что технология существовала лишь около семи лет назад. Теперь мы можем обнаружить очень низкие концентрации водорода в воде », - пояснил Спир.
«Мы нашли много водорода в горячих источниках - бесконечный запас бактерий», - сказал он. Измерения количества H2 в воде были зарегистрированы в Йеллоустонских горячих источниках, ручьях и геотермальных жерлах в разных частях парка и в разные сезоны. Все среды имели концентрации, соответствующие энергетическому метаболизму.
Команда использовала компьютерные термодинамические модели, чтобы выяснить, действительно ли водород является основным источником энергии. «В Йеллоустоне можно почувствовать запах сульфида в воздухе, и общепринятой идеей было то, что сера является источником энергии для жизни в горячих источниках», - сказал Спир. Не так, согласно компьютерным моделям команды, построенным на полевых измерениях концентрации водорода, сульфида, растворенного кислорода и других факторов.
Спир сказал, что трудно исследовать микробную экосистему. «Нам достаточно сложно объяснить, что происходит в лесу, например, со всеми системами чередования. Мы даже не видим микробную систему ».
Извлечение образца было опасной и деликатной операцией. Чтобы точно проанализировать все микробное сообщество горячего источника, Спир нужно было собрать только примерно столько же материала, сколько и карандашный ластик. Образцы отложений выкапывали в специальные пробирки для образцов и немедленно замораживали в канистрах с жидким азотом для сохранения микробного сообщества.
В источниках, где не было отложений, Спир собирал образцы планктонных организмов, вешая предметное стекло в воду и позволяя микробам накапливаться. «Бактерии такие же, как мы. Им нравится быть вместе, им нравится быть прикрепленными к поверхности, и им нравится, когда им приносят пищу - в данном случае растворенный водород ».
Спир объяснил, что цвета горячих источников являются результатом взаимодействия между минералами и микробами, живущими в бассейнах. Горячая вода обычно показывает цвета от минералов, а холодная вода содержит фотосинтетические пигменты.
«Исходя из того, что я видел в этом анализе, я думаю, что водород, вероятно, ведет к большой жизни во многих средах», - сказал Спир. «Это частичное предположение, но, учитывая количество и виды бактерий, которые метаболизируют водород, это, вероятно, очень старая форма метаболизма.
Это важно, потому что оно рассказывает нам об истории жизни на Земле », - сказал он. «И если это работает таким образом на Земле, это может произойти в другом месте. Когда вы смотрите на звезды, во вселенной много водорода ».
Источник: пресс-релиз UCB
