Сверхгорячая вода Йеллоустоуна может хранить тайны первого дыхания Земли

Фото из открытых источников

Согласно недавнему анализу, проведенному исследователями из Университета штата Монтана, микробная жизнь в Нижнем бассейне гейзеров Йеллоустона может содержать ключи к разгадке эволюции использования кислорода жизнью. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Обитатели источников Octopus и Conch Springs в бассейне живут в похожих на водоросли, студенистых «стримерных» структурах, которые яростно извиваются в сверхгорячих потоках, температура которых колеблется около 88 градусов по Цельсию. Генетически схожие с древними бактериями и археями, их существование — это окно в первобытный бульон, из которого возникла жизнь.

Хотя эти микробные сообщества имеют много общих черт, среда в источниках отличается по нескольким фундаментальным параметрам.

В источнике Octopus Spring уровень растворенного кислорода гораздо выше (около 20 микромоль), чем в соседнем источнике Conch Spring, где уровень растворенного кислорода составляет менее 1 микромоль, а кислорода практически нет.

Между тем, в источнике Конч содержится гораздо больше высокотоксичного растворенного сульфида (более 120 микромоль), чем в источнике Октопус (менее 2-3 микромоль).

Эти различия в химии означают, что сравнение сообществ в каждом источнике может помочь нам понять, как жизнь выживала до и во время Великого окислительного события (ВОК), которое затопило почти бескислородную атмосферу Земли нашим любимым газом около 2,5 миллиардов лет назад.

Первые микробы Земли, несомненно, разработали способы вплетения следов кислорода в свою предшествующую биохимию, однако появление высокореактивного молекулярного кислорода потребовало бы разработки совершенно новых тактик защиты.

Более того, в высоких концентрациях сульфиды могут блокировать дыхательный аппарат современных аэробных организмов, что еще больше ставит вопросы о том, как древняя жизнь в горячих источниках могла эволюционировать, чтобы бороться с повышением уровня кислорода и использовать его.

Учитывая кардинально разные уровни кислорода и сульфидов, источники можно считать индикаторами жизни по обе стороны границы между океанами и океанами, что дает исследователям прекрасную возможность искать подсказки об этом важном переходе.

Исследованием руководил геомикробиолог Билл Инскип, который изучает теплолюбивые микробы Йеллоустона с 1999 года.

«Было бы очень сложно воспроизвести такой эксперимент в лаборатории; представьте себе попытку создать потоки горячей воды с нужным количеством кислорода и сульфида», — говорит Инскип. «И это то, что так здорово в изучении этих сред. Мы можем проводить эти наблюдения в тех самых геохимических условиях, которые необходимы этим организмам для процветания».

Проанализировав гены образцов микробов и их продукты, команда смогла сравнить микробное разнообразие и дыхательную активность в двух источниках.

«Сообщества стримеров представляют собой достаточно крупные структуры, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом», — написал Инскип в журнале Nature 's Research Communities. «Эта физическая реальность говорит нам, что газообмен необходим для оптимального роста, на который также влияют быстрые колебания крупных нитевидных структур, которые создают турбулентность и, вероятно, увеличивают скорость газообмена с атмосферой».

В среде Octopus Spring с высоким содержанием кислорода наблюдалось большее разнообразие микробов, которым для выживания приходилось питаться другими организмами (а не производить собственную пищу посредством химических реакций, как иногда делают другие микробы).

На самом деле, жизнь в Octopus Spring была более разнообразной в целом. И почти все микроорганизмы там имели активные гены для кислородного дыхания.

Но даже в сульфидном, удушающем источнике Конч-Спринг, где микробное разнообразие в его «очень сопливых» ручьях было гораздо ниже, потенциал использования кислорода, по-видимому, скрыт.

Разнообразие ферментов, которые разряжают кислород путем добавления водорода, было обнаружено среди наиболее распространенных популяций и было произведено в обоих источниках. Примечательно, что ферменты с самым высоким сродством к кислороду были выражены только в среде обитания с высокой концентрацией сульфида.

«Эти высокоаффинные оксигеназы активны при наномолярных уровнях кислорода и объясняют высокую транскрипцию, наблюдаемую в сульфидных условиях Конч-Спринг», — пишет Инскип.

Их результаты показали, что эти генетически древние, теплолюбивые микробы дышат при уровнях кислорода, которые обычно считаются слишком низкими для выполнения такой задачи в условиях, которые мы сегодня считаем слишком токсичными. И если они могут это делать, почему не могут формы жизни, которые возникли до Великого окислительного события?

Возможно, на заре существования Земли не было ничего, с чем можно было бы работать, но некоторые ранние аэробные метаболизмы могли существовать на достаточном количестве кислорода, чтобы передать гены, которые однажды будут процветать в богатой кислородом атмосфере.