Om det inte finns något syre i jordens atmosfär till följd av en global katastrof, är en av de få överlevande organismerna Escherichia coli. Dess huvudsakliga trumfkort är förmågan att andas allt och var som helst: på ytan, i jorden, i mänsklig mage och inte nödvändigtvis med syre. Tillsammans med E. coli kommer flera hundra arter av forntida varelser att finnas kvar på planeten, som kan andas svavel, järn, uran och till och med arsenik.
Förgiftad luft
2010 upptäckte Felisa Wolf-Simon, en forskare vid NASA: s astrobiologiska avdelning, medan han studerade den salta Kalifornien Mono Lake, ovanliga bakterier. De bodde i vatten, där koncentrationen av alkalier överskred 80 gånger motsvarande indikator i havet. Mikrober använde arsenik för andning, ett gift för de flesta levande organismer.
I laboratoriet placerades fyndet, kallad "stam GFAJ-1", i en näringslösning med ett normalt innehåll av socker och vitaminer, men helt utan fosfater - föreningar där fosfor kommer från miljön. Istället planterades mikroorganismer med arsenater (arsenikföreningar).
Det visade sig att bakterier inte bara andas in arsenik i en fosforfri miljö, utan också vet hur de kan införlivas i DNA och RNA-molekyler istället för fosfor. När det gäller kemiska egenskaper är dessa element lika - enzymer i cellen kanske inte skiljer fosfat från arsenat, och detta händer ganska ofta. Det är sant att en sådan substitution slutar vanligtvis med död och förstenning av bakterier, men inte i fallet med GFAJ-1-stammen.
Anaeroba mikroorganismer (de som inte behöver syre för livet eller är dödliga. - Red.) Kan minska arsenik genom att använda den i andning som en elektronacceptor. Anaerober kan också andas sulfater, järn, mangan, uran, selen, nitrater. Vi pratar bara om mikrober som inte har en formaliserad kärna - prokaryoter, inklusive bakterier och archaea. Det finns svampar som växer anaerobt, men det är sällsynt, och bland eukaryoter (organismer med en bildad kärna) är detta undantaget snarare än regeln, säger Olga Karnachuk, chef för avdelningen för växtfysiologi och bioteknik vid Biologiska institutet i Tomsk State University, till RIA Novosti.
Till vänster - Felisa Wolf-Simon, som upptäckte mikroorganismer som använder fosfor som byggnadsmaterial för celler. Till höger - bakterier stammar GFAJ-1 i en näringslösning som innehåller vitaminer, sockerarter och arsenater.
Kampanjvideo:
Forntida och ihärdig
För mer än tre miljarder år sedan matades de första levande organismerna på jorden med väte- och svavelmolekyler.
”Det mest antika av anaeroba andetag är svavelhaltigt andetag. Svavel, som molekylärt väte, kom från vulkaner. Denna typ av ämnesomsättning användes när allt liv endast bestod av bakterier och archaea, säger Olga Karnachuk.
Med utseendet på cyanobakterier, vars metaboliska produkt var syre, började jordens atmosfär gradvis förändras. För cirka 850-600 miljoner år sedan fanns det redan mycket O2 i luften. För antika mikroorganismer innebar detta en katastrof - syre är lika giftigt för dem som klorgas är för människor. Därför drog vissa ut, andra (de så kallade obligate anaeroberna) flydde till anoxiska platser - till exempel under jorden. Det fanns också de som lyckades anpassa sig och lärde sig att neutralisera giftig gas.
Med tiden "förstod" vissa mikroorganismer: syre är en stark elektronacceptor och genom att oxidera organiska molekyler med det kan du få mycket energi som behövs för livet. Detta innebär att cellens storlek ökar, därför läggs mer DNA i den, och strukturen blir mer komplex - det är så det finns en chans att bli flercelliga.
Djur som inte kan andas
”Växter, djur, människor - alla andas syre. Detta är det mest effektiva sättet att få energi, därför när aerob andning dök upp öppnade möjligheterna för levande organismer att bilda högre former, inklusive människor. Anaeroba mikrober kan också utvecklas, men i en annan riktning. Många av dem tog vägen att kombinera de två typerna av andning. Till exempel andas E. coli (Escherichia coli) syre, och när den kommer in i människokroppen (i en anaerob miljö) - nitrater. Om förhållandena är helt dåliga, kan bakterien inte andas alls, den vandrar - det är en helt annan typ av ämnesomsättning. Det finns praktiskt taget inga sådana opportunister bland de högre formerna,”konstaterar experten.
Det finns emellertid ett undantag - den nakna mullvadrotten. Detta däggdjur, som bor i underjordiska hålor, kostar i timmar en mycket låg syrenivå och helt utan luft kommer att pågå så länge som 18 minuter (för jämförelse: människors hjärndöd inträffar i genomsnitt efter fem minuter i en syrefri miljö).
När det finns lite O2 i luften, byter den nakna mullråttan till anaerob nedbrytning av fruktos - på grund av att GLUT5-kanaler, som ansvarar för frisättning av fruktos i blodet, syntetiseras i olika vävnader. Hos andra däggdjur produceras de endast i tarmen.
Naken mullvadrat - det enda däggdjuret som kan anaerob nedbrytning av fruktos.
Att hjälpa en person
"Det finns många organismer på jorden som kan klara sig utan syre, eftersom anaeroba förhållanden lätt skapas - till exempel i en blomkruka, komposthögen eller kustsediment, även i vår egen kropp," fortsätter forskaren.
Medan vissa anaerober orsakar allvarliga infektioner när de skjutas eller stickas, gynnar de flesta människor. Till exempel lärde forskare från University of California i San Diego bakterierna Salmonella enterica att förstöra cancertumörer: vissa salmonella syntetiserade ett toxin som gör hål i membranen i cancerceller, den andra ett speciellt protein som aktiverar immunsystemet, och ännu andra producerade en molekyl som utlöser ett självförstörelsesprogram i cancerceller.
Metanogen archaea används för produktion av biogas från vanligt hushållsavfall, och sulfatreducerande grupper kan rena avloppsvatten från föroreningar.
”Idag stängs många gruvor på grund av den höga koncentrationen av sulfat. När gruv bryts genereras en stor mängd avloppsvatten, som efter rening rinner in i floderna. Om sulfat inte bortskaffas kan fisk och annan vattenlevande biota dödas på vintern. Vi renar gruvavloppsvatten från dessa skadliga föreningar med hjälp av mikroorganismer som odlas i vårt laboratorium. Vi skapar förhållanden i gruvor så att sulfatandning är möjlig där och allt sulfat avlägsnas med hjälp av bakterier. Denna teknik används redan i praktiken i Storbritannien, USA, Tyskland. Vi skapar nu bara bioteknik som kan fungera under klimatförhållandena i Ryssland med låga genomsnittliga årliga temperaturer, avslutar experten.
Alfiya Enikeeva