Jeśli w wyniku globalnego kataklizmu nie ma już tlenu w ziemskiej atmosferze, to jednym z nielicznych organizmów, które przeżyły, będzie Escherichia coli. Jego głównym atutem jest możliwość oddychania czymkolwiek i wszędzie: na powierzchni, w glebie, w ludzkim żołądku i niekoniecznie tlenem. Wraz z E. coli na planecie pozostanie kilkaset gatunków starożytnych stworzeń zdolnych do oddychania siarką, żelazem, uranem, a nawet arszenikiem.
Zatrute powietrze
W 2010 roku Felisa Wolf-Simon, badaczka z Wydziału Astrobiologii NASA, podczas badania słonego California Mono Lake, odkryła niezwykłe bakterie. Żyli w wodzie, w której stężenie alkaliów przekraczało 80-krotność odpowiedniego wskaźnika w oceanie. Drobnoustroje używały arsenu do oddychania, trucizny dla większości żywych organizmów.
W laboratorium znalezisko, zwane „szczepem GFAJ-1”, umieszczono w pożywce o normalnej zawartości cukrów i witamin, ale całkowicie pozbawionej fosforanów - związków, w których fosfor pochodzi ze środowiska. Zamiast tego posadzono mikroorganizmy arsenianami (związkami arsenu).
Okazało się, że w środowisku wolnym od fosforu bakterie nie tylko oddychają arszenikiem, ale także wiedzą, jak włączyć go do cząsteczek DNA i RNA zamiast fosforu. Pod względem właściwości chemicznych pierwiastki te są podobne - enzymy w komórce mogą nie odróżniać fosforanu od arsenianu, a zdarza się to dość często. To prawda, że taka zamiana zwykle kończy się śmiercią i skamienieniem bakterii, ale nie w przypadku szczepu GFAJ-1.
„Mikroorganizmy beztlenowe (te, które nie potrzebują tlenu do życia lub są śmiertelne. - wyd.) Są w stanie zredukować arsen, wykorzystując go w oddychaniu jako akceptor elektronów. Ponadto beztlenowce są w stanie oddychać siarczanami, żelazem, manganem, uranem, selenem, azotanami. Mówimy tylko o drobnoustrojach, które nie mają sformalizowanego jądra - prokariota, w tym bakterie i archeony. Istnieją grzyby rosnące beztlenowo, ale jest to rzadkie, a wśród eukariontów (organizmów z uformowanym jądrem) jest to raczej wyjątek niż reguła”- mówi Olga Karnachuk, kierownik Zakładu Fizjologii Roślin i Biotechnologii w Instytucie Biologicznym Tomsk State University w rozmowie z RIA Novosti.
Po lewej stronie - Felisa Wolf-Simon, która odkryła mikroorganizmy wykorzystujące fosfor jako budulec komórek. Po prawej stronie - szczep bakterii GFAJ-1 w pożywce zawierającej witaminy, cukry i arseniany.
Film promocyjny:
Starożytny i wytrwały
Ponad trzy miliardy lat temu pierwsze żywe organizmy na Ziemi żywiły się cząsteczkami wodoru i siarki.
„Najstarszym z oddechów beztlenowych jest oddech siarkowy. Siarka, podobnie jak wodór cząsteczkowy, pochodziła z wulkanów. Ten rodzaj metabolizmu był używany, gdy całe życie składało się tylko z bakterii i archeonów”- mówi Olga Karnachuk.
Wraz z pojawieniem się cyjanobakterii, których produktem metabolicznym był tlen, skład atmosfery ziemskiej zaczął się stopniowo zmieniać. Około 850-600 milionów lat temu w powietrzu było już dużo O2. Dla starożytnych mikroorganizmów oznaczało to katastrofę - tlen jest dla nich równie toksyczny, jak gaz chlorowy dla ludzi. Dlatego część wymarła, inne (tzw. Beztlenowce bezwzględne) uciekły w miejsca beztlenowe - np. Pod ziemię. Byli też tacy, którym udało się przystosować i nauczyli neutralizować toksyczny gaz.
Z biegiem czasu niektóre mikroorganizmy „zrozumiały”: tlen jest silnym akceptorem elektronów i utleniając nim cząsteczki organiczne można uzyskać dużo energii potrzebnej do życia. Oznacza to, że rozmiar komórki rośnie, dlatego umieszcza się w niej więcej DNA, a struktura staje się bardziej złożona - tak jest szansa, aby stać się wielokomórkowym.
Zwierzęta, które nie mogą oddychać
„Rośliny, zwierzęta, ludzie - wszyscy oddychają tlenem. Jest to najskuteczniejszy sposób pozyskiwania energii, dlatego wraz z pojawieniem się oddychania tlenowego otworzyła się perspektywa formowania się organizmów żywych, w tym ludzi. Mikroby beztlenowe również mogą ewoluować, ale w innym kierunku. Wielu z nich poszło drogą połączenia tych dwóch rodzajów oddychania. Na przykład E. coli (Escherichia coli) oddycha tlenem, a kiedy dostanie się do organizmu człowieka (w środowisku beztlenowym) - azotanami. Jeśli warunki są zupełnie złe, bakteria w ogóle nie oddycha, błąka się - to zupełnie inny rodzaj metabolizmu. Takich oportunistów wśród form wyższych praktycznie nie ma”- zauważa ekspert.
Jest jednak jeden wyjątek - nagi kret. Ssak ten, żyjący w podziemnych norach, kosztuje godzinami bardzo niski poziom tlenu, a całkowicie bez powietrza wytrzyma nawet 18 minut (dla porównania: śmierć mózgu człowieka następuje średnio po pięciu minutach w środowisku beztlenowym).
Gdy w powietrzu jest mało O2, nagi kretoszczur przechodzi na beztlenowy rozkład fruktozy - ze względu na to, że kanały GLUT5, które są odpowiedzialne za uwalnianie fruktozy do krwi, są syntetyzowane w różnych tkankach. U innych ssaków powstają tylko w jelitach.
Nagi kret - jedyny ssak zdolny do beztlenowego rozkładu fruktozy.
Aby pomóc osobie
„Na Ziemi jest wiele organizmów, które potrafią się obejść bez tlenu, ponieważ łatwo powstają warunki beztlenowe - na przykład w doniczce, pryzmie kompostu czy osadach przybrzeżnych, nawet w naszym własnym ciele” - kontynuuje badacz.
Podczas gdy niektóre beztlenowce powodują poważne infekcje po zastrzeleniu lub dźgnięciu, większość z nich przynosi korzyści ludziom. Na przykład naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego nauczyli bakterie Salmonella enterica niszczenia guzów nowotworowych: niektóre salmonella syntetyzowały toksynę, która robi dziury w błonach komórek rakowych, drugie specjalne białko, które aktywuje układ odpornościowy, a jeszcze inne wyprodukowały cząsteczkę, która uruchamia program samozniszczenia komórek rakowych.
Archeony metanogenne są wykorzystywane do produkcji biogazu ze zwykłych odpadów domowych, a grupy redukujące siarczany są w stanie oczyścić ścieki z zanieczyszczeń.
„Obecnie wiele kopalni jest zamykanych z powodu wysokiego stężenia siarczanu. Podczas wydobywania węgla powstaje duża ilość ścieków, które po oczyszczeniu spływają do rzek. Jeśli siarczany nie zostaną usunięte, zimą może dojść do zabicia ryb i innych organizmów wodnych. Oczyszczamy ścieki kopalniane z tych szkodliwych związków przy użyciu mikroorganizmów wyhodowanych w naszym laboratorium. W kopalniach stwarzamy warunki do oddychania siarczanów i usuwania wszelkich siarczanów przy pomocy bakterii. Ta technologia jest już stosowana w praktyce w Wielkiej Brytanii, USA, Niemczech. Obecnie tworzymy biotechnologię, która może działać w warunkach klimatycznych Rosji przy niskich średnich rocznych temperaturach”- podsumowuje ekspert.
Alfiya Enikeeva