Jos maapallon ilmakehässä ei ole happea jäljellä globaalin kataklysmin seurauksena, yksi harvoista elossa olevista organismeista on Escherichia coli. Sen tärkein valttikortti on kyky hengittää mitä tahansa ja missä tahansa: pinnalla, maaperässä, ihmisen vatsassa, ei välttämättä happea. Yhdessä E. colin kanssa planeetalle jää useita satoja muinaisten olentojen lajeja, jotka kykenevät hengittämään rikkiä, rautaa, uraania ja jopa arseenia.
Myrkyllinen ilma
Vuonna 2010 NASA: n Astrobiologian osaston tutkija Felisa Wolf-Simon löysi tutkiessaan suolaista Kalifornian Monojärveä epätavallisia bakteereja. He asuivat vedessä, jossa alkalien pitoisuus ylitti 80-kertaisesti vastaavan indikaattorin kanssa valtameressä. Mikrobit käyttivät hengitykseen arseenia, myrkkyä useimmille eläville organismeille.
Laboratoriossa löytö, jota kutsuttiin nimellä "GFAJ-1-kanta", sijoitettiin ravintoliuokseen, jonka sokeri- ja vitamiinipitoisuus oli normaali, mutta josta puuttui fosfaatteja - yhdisteitä, joissa fosforia tulee ympäristöstä. Sen sijaan mikro-organismit istutettiin arsenaateilla (arseeniyhdisteillä).
Kävi ilmi, että fosforittomassa ympäristössä bakteerit eivät vain hengitä arseenia, vaan myös osaavat sisällyttää sen DNA- ja RNA-molekyyleihin fosforin sijasta. Kemiallisista ominaisuuksista nämä elementit ovat samanlaisia - solun entsyymit eivät välttämättä erota fosfaattia arsenaatista, ja tämä tapahtuu melko usein. Totta, tällainen substituutio loppuu yleensä bakteerien kuolemaan ja petrifikaatioon, mutta ei GFAJ-1-kannan tapauksessa.
Anaerobiset mikro-organismit (ne, jotka eivät tarvitse happea elämää varten tai ovat tappavia. - Toim.) Kykenevät vähentämään arseenia käyttämällä hengityksessä elektronin vastaanottajana. Anaerobit kykenevät myös hengittämään sulfaatteja, rautaa, mangaania, uraania, seleeniä, nitraatteja. Puhumme vain mikrobeista, joilla ei ole muodollista ydintä - prokaryooteja, mukaan lukien bakteerit ja archaea. On sieniä, jotka kasvavat anaerobisesti, mutta tämä on harvinaista, ja eukaryooteissa (organismeissa, joissa on muodostunut ydin) tämä on pikemminkin poikkeus kuin sääntö”, sanoo Tomskin osavaltion yliopiston biologisen instituutin kasvien fysiologian ja biotekniikan laitoksen johtaja Olga Karnachuk RIA Novostille.
Vasemmalla - Felisa Wolf-Simon löysi mikro-organismit, jotka käyttävät fosforia solujen rakennusmateriaalina. Oikealla - bakteerikanta GFAJ-1 ravinneliuoksessa, joka sisältää vitamiineja, sokereita ja arsenaatteja.
Mainosvideo:
Muinainen ja sitkeä
Yli kolme miljardia vuotta sitten ensimmäiset elävät organismit maapallolla ruokkivat vety- ja rikkimolekyylejä.
”Muinaisin anaerobisista hengityksistä on rikkihapot. Rikki, kuten molekyylin vety, tuli tulivuoreista. Tämän tyyppistä aineenvaihduntaa käytettiin, kun koko elämä koostui vain bakteereista ja arhaasta”, Olga Karnachuk kertoo.
Sinileväbakteerien ilmaantuessa, joiden aineenvaihduntatuote oli happi, maapallon ilmakehän koostumus alkoi muuttua vähitellen. Noin 850–600 miljoonaa vuotta sitten, ilmassa oli jo paljon happea. Muinaisille mikro-organismeille tämä tarkoitti katastrofia - happi on niille myrkyllinen kuin kloorikaasu ihmisille. Siksi jotkut kuolivat, toiset (ns. Pakolliset anaerobit) pakenivat hapettumattomiin paikkoihin - esimerkiksi maan alle. Oli myös niitä, jotka onnistuivat sopeutumaan ja oppivat neutraloimaan myrkyllisen kaasun.
Ajan myötä jotkut mikro-organismit "ymmärsivät": happi on vahva elektronien vastaanottaja ja hapettamalla orgaanisia molekyylejä sen kanssa, saat paljon elämän kannalta tarpeellista energiaa. Tämä tarkoittaa, että solun koko kasvaa, siksi siihen lisätään enemmän DNA: ta ja rakenne muuttuu monimutkaisemmaksi - näin on mahdollisuus tulla monisoluiseksi.
Eläimet, jotka eivät voi hengittää
”Kasvit, eläimet, ihmiset - kaikki hengittävät happea. Tämä on tehokkain tapa saada energiaa, joten aerobisen hengityksen ilmestyessä eläville organismeille avautui mahdollisuus muodostaa korkeampia muotoja, mukaan lukien ihmiset. Anaerobiset mikrobit kykenevät myös kehittymään, mutta toiseen suuntaan. Monet heistä valitsivat polun yhdistämällä nämä kaksi hengitystä. Esimerkiksi E. coli (Escherichia coli) hengittää happea, ja kun se saapuu ihmiskehoon (anaerobisessa ympäristössä) - nitraatteja. Jos olosuhteet ovat täysin huonot, bakteeri ei kykene hengittämään ollenkaan, se vaeltelee - tämä on täysin erilainen metabolia. Korkeampien muotojen joukossa ei käytännössä ole sellaisia opportunisteja”, asiantuntija toteaa.
On kuitenkin yksi poikkeus - paljain mole-rotta. Tämä maanalaisissa kaivoissa asuva nisäkäs maksaa tuntikausia erittäin alhaisen happipitoisuuden ja ilman ilmaa kestää jopa 18 minuuttia (vertailun vuoksi: ihmisen aivokuolema tapahtuu keskimäärin viiden minuutin kuluttua hapottomassa ympäristössä).
Kun ilmassa on vähän O2: ta, paljaat molekyylirotot siirtyvät fruktoosin anaerobiseen hajoamiseen - johtuen siitä, että GLUT5-kanavat, jotka vastaavat fruktoosin vapautumisesta vereen, syntetisoidaan eri kudoksiin. Muissa nisäkkäissä niitä tuotetaan vain suolistossa.
Alasti mol-rotta - ainoa nisäkäs, joka pystyy hajottamaan fruktoosin anaerobisesti.
Auttaa henkilöä
"Maapallolla on paljon organismeja, jotka voivat tehdä ilman happea, koska anaerobiset olosuhteet luodaan helposti - esimerkiksi kukkaruukkuun, kompostikasan tai rannikko-sedimentteihin, jopa omassa kehossamme", tutkija jatkaa.
Vaikka jotkut anaerobit aiheuttavat vakavaa infektiota ammuttaessaan tai puukotettaessa, useimmat hyötyvät siitä ihmisille. Esimerkiksi San Diegon Kalifornian yliopiston tutkijat opettivat Salmonella enterica -bakteeria tuhoamaan syöpäkasvaimia: jotkut salmonella syntetisoivat toksiinin, joka tekee reikiä syöpäsolujen kalvoihin, toinen erityinen proteiini, joka aktivoi immuunijärjestelmää, ja vielä toiset tuottivat molekyylin, joka käynnistää itsesyntymisohjelman syöpäsoluissa.
Metanogeenisiä archaea käytetään biokaasun tuotannossa tavallisesta kotitalousjätteestä, ja sulfaattia pelkistävät ryhmät pystyvät puhdistamaan jäteveden saastumiselta.
”Nykyään monet kaivokset suljetaan korkean sulfaattipitoisuuden vuoksi. Hiilen louhinnan yhteydessä syntyy suuri määrä jätevettä, joka puhdistuksen jälkeen virtaa jokiin. Jos sulfaatteja ei hävitetä, kaloja ja muita vesieliöitä voidaan tappaa talvella. Puhdistamme kaivojen jätevedet näistä haitallisista yhdisteistä laboratoriossa kasvatettujen mikro-organismien avulla. Luomme kaivoksissa olosuhteet, jotta siellä tapahtuva hengitys on mahdollista ja kaikki sulfaatit poistetaan bakteerien avulla. Tätä tekniikkaa käytetään jo käytännössä Isossa-Britanniassa, Yhdysvalloissa ja Saksassa. Olemme juuri luomassa bioteknologiaa, joka voi toimia Venäjän ilmasto-olosuhteissa alhaisilla keskimääräisillä vuosilämpötiloilla”, asiantuntija toteaa.
Alfiya Enikeeva