Мутанты или изгои? Кто выживает на Земле, если отравить атмосферу
Если в результате глобального катаклизма в атмосфере Земли не останется кислорода, то одним из немногих выживших организмов будет кишечная палочка (Escherichia coli). Ее главный козырь - умение дышать чем угодно и где угодно: на поверхности, в почве, желудке человека и необязательно кислородом. Вместе с кишечной палочкой на планете останутся еще несколько сотен видов древних существ, способных дышать серой, железом, ураном и даже мышьяком.
Отравленный воздух
В 2010 году Фелиса Вольф-Саймон, научный сотрудник астробиологического отделения NASA, изучая соленое калифорнийское озеро Моно-Лейк, обнаружила необычные бактерии. Они обитали в воде, где концентрация щелочей превышала в 80 раз соответствующий показатель в океане. Микробы использовали для дыхания мышьяк - яд для большинства живых организмов.
В лаборатории находку, названную "штамм GFAJ-1", поместили в питательный раствор с нормальным содержанием сахаров и витаминов, но полностью лишенный фосфатов - соединений, в виде которых фосфор поступает из окружающей среды. Вместо них микроорганизмам подложили арсенаты (соединения мышьяка).
"Анаэробные микроорганизмы (такие, которым для жизни кислород не нужен или смертельно опасен. - Прим. ред.) способны восстанавливать мышьяк, используя его в дыхании как акцептор электронов. Также анаэробы в состоянии дышать сульфатами, железом, марганцем, ураном, селеном, нитратами. Речь идет только о микробах, у которых нет оформленного ядра, - прокариотах, в том числе бактериях и археях. Встречаются грибы, растущие анаэробно, но такое бывает редко, и среди эукариотов (организмов с оформленным ядром) это скорее исключение, чем правило", - рассказывает РИА Новости Ольга Карначук, заведующая кафедрой физиологии растений и биотехнологии Биологического института Томского государственного университета.
Древние и живучие
Более трех миллиардов лет назад первые живые организмы на Земле питались молекулами водорода и серы.
"Самое древнее из анаэробных дыханий - серное. Сера, как и молекулярный водород, происходила из вулканов. Этот тип метаболизма использовался, когда вся жизнь состояла только из бактерий и архей", - уточняет Ольга Карначук.
С появлением цианобактерий, продуктом жизнедеятельности которых был кислород, состав земной атмосферы стал постепенно меняться. Примерно 850-600 миллионов лет назад в воздухе было уже много О2. Для древних микроорганизмов это означало катастрофу - кислород для них столь же ядовит, как газообразный хлор для человека. Поэтому одни вымерли, другие (так называемые облигатные анаэробы) сбежали в бескислородные места - например, под землю. Были и такие, которые сумели приспособиться и научились обезвреживать токсичный газ.
Со временем некоторые микроорганизмы "поняли": кислород - сильный акцептор электронов и, окисляя им органические молекулы, можно получить очень много необходимой для жизни энергии. Значит, увеличиваются размеры клетки, следовательно, в ней помещается больше ДНК, а строение усложняется - так возникает шанс стать многоклеточным.
Животные, умеющие не дышать
"Растения, животные, люди - все дышат кислородом. Это самый эффективный способ получения энергии, поэтому, когда появилось аэробное дыхание, перед живыми организмами открылась перспектива образовывать высшие формы, включая человека. Анаэробные микробы тоже способны эволюционировать, но в другом направлении. Многие из них пошли по пути совмещения двух типов дыхания. Например, кишечная палочка (Escherichia coli) дышит кислородом, а попав в организм человека (в анаэробную среду) - нитратами. Если же совсем плохие условия, бактерия способна вообще не дышать, она бродит - это совершенно иной тип метаболизма. Среди высших форм таких приспособленцев практически нет", - отмечает эксперт.
Впрочем, одно исключение все-таки есть - голый землекоп. Это млекопитающее, живущее в подземных норах, часами обходится очень низким уровнем кислорода, а совсем без воздуха протянет целых 18 минут (для сравнения: смерть мозга у человека наступает в среднем после пяти минут в бескислородной среде).
Когда в воздухе мало О2, голый землекоп переключается на анаэробное расщепление фруктозы - благодаря тому, что каналы GLUT5, отвечающие за выброс фруктозы в кровь, синтезируются у него в разных тканях. У остальных млекопитающих они вырабатываются только в кишечнике.
В помощь человеку
"Организмов, умеющих обходиться без кислорода, на Земле очень много, потому что анаэробные условия легко создаются - например, в цветочном горшке, компостной куче или прибрежных осадках, даже в нашем собственном организме", - продолжает исследовательница.
Хотя некоторые анаэробы становятся причиной серьезной инфекции при огнестрельном или ножевом ранении, большинство приносит человеку пользу. Например, ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего научили бактерии Salmonella enterica уничтожать раковые опухоли: одни сальмонеллы синтезировали токсин, проделывающий дыры в мембранах раковых клеток, вторые - специальный белок, активирующий иммунную систему, третьи производили молекулу, запускающую в раковых клетках программу самоуничтожения.
Метаногенные археи используются при производстве биогаза из обычного бытового мусора, а сульфатвосстанавливающие группы умеют очищать сточные воды от загрязнений.
"Сегодня многие шахты закрывают из-за высокой концентрации сульфата. При добыче угля образуется большое количество сточных вод, после очистки поступающих в реки. Если от сульфатов не избавляться, возможны заморы рыбы и другой водной биоты в зимнее время. Мы очищаем шахтные сточные воды от этих вредных соединений с помощью выращенных в нашей лаборатории микроорганизмов. Создаем в шахтах такие условия, чтобы там было возможно сульфатное дыхание и весь сульфат удалялся с помощью бактерий. Эта технология уже используется на практике в Великобритании, США, Германии. Мы сейчас как раз создаем биотехнологию, которая сможет работать в климатических условиях России с низкими среднегодовыми температурами", - заключает эксперт.
