Mikroby żyjące w doskonale kolorowych gorących źródłach Parku Narodowego Yellowstone wykorzystują głównie wodór jako paliwo, odkrycie naukowcy z University of Colorado w Boulder twierdzą, że dobrze wróży życiu w ekstremalnych warunkach na innych planetach i może przyczynić się do zrozumienia bakterii w ludzkim ciele.
Zespół biologów CU-Boulder kierowany przez profesora Normana Pace'a, jednego z wiodących światowych ekspertów w dziedzinie ewolucji molekularnej i mikrobiologii, opublikował w tym tygodniu raport „Wodór i bioenergetyka w systemie geotermalnym Yellowstone” w internetowym wydaniu Proceedings of the National Akademia Nauk.
Ustalenia zespołu, oparte na kilku latach badań w parku, obalają popularną ideę, że siarka jest głównym źródłem energii dla drobnych organizmów żyjących w ciele termicznym.
„Zaskakujące było stwierdzenie, że wodór jest głównym źródłem energii dla drobnoustrojów w gorących źródłach” - powiedział Pace. „Ten projekt jest również interesujący w kontekście mikrobiologii, ponieważ jest to jeden z niewielu przypadków, w których byliśmy w stanie badać mikroby, aby uzyskać informacje o całym ekosystemie. To nigdy wcześniej nie było możliwe. ”
Badanie zostało specjalnie zaprojektowane w celu określenia głównego źródła energii metabolicznej, która napędza społeczności drobnoustrojów w cechach parku o temperaturach powyżej 158 stopni Fahrenheita. Nie wiadomo, że fotosynteza zachodzi powyżej tej temperatury.
Połączenie trzech różnych wskazówek doprowadziło naukowców do wniosku, że wodór był głównym źródłem energii. Analiza genetyczna odmian drobnoustrojów żyjących w społecznościach gorących źródeł wykazała, że wszyscy wolą wodór jako źródło energii. Zaobserwowali także wszechobecny H2 we wszystkich gorących źródłach w stężeniach wystarczających do bioenergetyki mikrobiologicznej. Modele termodynamiczne oparte na danych terenowych potwierdziły, że metabolizm wodoru był najbardziej prawdopodobnym źródłem paliwa w tych środowiskach.
„Ta praca przedstawia kilka interesujących powiązanych pytań”, powiedział John Spear, główny autor raportu. „Wodór jest najliczniejszym pierwiastkiem we wszechświecie. Jeśli gdzie indziej istnieje życie, wodór może być jego paliwem - powiedział Spear. „Widzieliśmy ślady wody na Marsie i wiemy, że na Ziemi wodór może być wytwarzany biogenetycznie poprzez fotosyntezę i fermentację lub nie biogenetycznie przez wodę reagującą ze skałą zawierającą żelazo. Możliwe, że procesy niebiogenne wytwarzają wodór na Marsie i że niektóre mikroorganizmy mogą z niego korzystać ”- powiedział.
Według Speara istnieje wiele przykładów bakterii żyjących w ekstremalnych warunkach - w tym w ludzkim ciele - wykorzystujących wodór jako paliwo. „Ostatnie badania wykazały, że bakterie Helicobacter pylori, które powodują wrzody, żyją na wodorze w żołądku”, powiedział Spear. „Salmonella metabolizuje wodór w jelitach. Zastanawiam się, ile różnych rodzajów drobnoustrojów metabolizuje wodór w ekstremalnych warunkach. ”
Zamiast polegać na tradycyjnych technikach mikrobiologii wykorzystujących kultury hodowane w laboratorium, zespół CU-Boulder zastosował metodologię opracowaną przez Pace do genetycznej analizy składu społeczności drobnoustrojów, jaka pojawiła się na polu. „Nie patrzyliśmy na to, co rośnie w naczyniu hodowlanym, ale patrzyliśmy na RNA próbek bezpośrednio z pola” - powiedział Spear.
„Nigdy wcześniej nie wiedzieliśmy, jakie mikroby żyją w gorących źródłach w Yellowstone, a teraz wiemy” - powiedział Pace.
Do gromadzenia danych wykorzystano nowatorski zestaw instrumentów, z których niektóre nigdy wcześniej nie były gromadzone. „Nikt wcześniej nie mierzył stężenia wodoru w gorących źródłach, ponieważ technologia istniała dopiero około siedem lat temu. Teraz możemy wykryć bardzo niskie stężenia wodoru w wodzie - wyjaśnił Spear.
„W gorących źródłach znaleźliśmy dużo wodoru - niekończące się źródło bakterii” - powiedział. Pomiary ilości H2 w wodzie rejestrowano w gorących źródłach, strumieniach i otworach geotermalnych Yellowstone w różnych częściach parku i podczas różnych pór roku. Wszystkie środowiska miały stężenia odpowiednie dla metabolizmu energetycznego.
Zespół wykorzystał wygenerowane komputerowo modele termodynamiczne, aby dowiedzieć się, czy wodór jest rzeczywiście głównym źródłem energii. „W Yellowstone można wyczuć zapach siarczku w powietrzu, a przyjętym pomysłem było, że siarka jest źródłem energii do życia w gorących źródłach” - powiedział Spear. Nie tak, zgodnie z komputerowymi modelami zespołu opartymi na pomiarach wodoru, siarczku, stężenia rozpuszczonego tlenu i innych czynników.
Spear powiedział, że trudno jest odkryć ekosystem drobnoustrojów. „Mamy wystarczająco dużo czasu na wyjaśnienie, na przykład, co dzieje się w lesie, przy wszystkich systemach przeplotu. Nie widzimy nawet systemu mikrobiologicznego ”.
Pobieranie próbek było niebezpieczną i delikatną operacją. Aby dokładnie przeanalizować całą społeczność mikrobiologiczną gorącej wiosny, Spear musiał zebrać tylko tyle materiału, co gumkę do ołówka. Próbki osadów zebrano do specjalnych fiolek z próbkami i natychmiast zamrożono w pojemnikach z ciekłym azotem w celu zachowania społeczności drobnoustrojów.
We źródłach, w których nie było osadów, Spear zebrał próbki organizmów planktonowych, zawieszając szklany szkiełko w wodzie i umożliwiając kumulację drobnoustrojów. „Bakterie są takie same jak my. Lubią być razem, lubią być przywiązani do powierzchni i lubią mieć przywiezione jedzenie - w tym przypadku rozpuszczony wodór. ”
Spear wyjaśnił, że kolory gorących źródeł są wynikiem interakcji między minerałami a drobnoustrojami żyjącymi w basenach. Cieplejsza woda zwykle wykazuje kolory minerałów, a chłodniejsza woda jest gospodarzem pigmentów fotosyntetycznych.
„Na podstawie tego, co widziałem w tej analizie, uważam, że wodór prawdopodobnie napędza życie w wielu środowiskach” - powiedział Spear. „To część spekulacji, ale biorąc pod uwagę liczbę i rodzaje bakterii metabolizujących wodór, jest to prawdopodobnie bardzo stara forma metabolizmu.
To ważne, ponieważ opowiada nam o historii życia na Ziemi - powiedział. „A jeśli działa w ten sposób na Ziemi, może się zdarzyć gdzie indziej. Kiedy patrzysz na gwiazdy, we wszechświecie jest dużo wodoru. ”
Oryginalne źródło: UCB News Release
