Первые колониальные микроорганизмы в первичном океане: Архейская эра (3.6 - 2.8 млрд. лет назад)
Первые микроорганизмы получали свою энергию от геохимических реакций. Этот относительно простой, первичный метаболический путь ацетил-КоА сохранился во многих микроорганизмах до наших дней.
Чтобы глубже понять метаболизм, вероятно, одних из первых живых организмов на Земле, команда исследователей ЛМУ под руководством профессора Уильяма Орси из Отдела наук о Земле и окружающей среде создала лабораторные симуляции условий на молодой Земле, существовавших около 4-3.6 миллиардов лет назад.
Эти условия имели некоторые сходства с теми, что наблюдаются сегодня в гидротермальных источниках на дне океана, известных как «черные курильщики», с ключевым отличием: древние океаны были насыщены растворенным железом.
Частицы сульфида железа обладают магнитными свойствами.
Сильный рост без добавления питательных веществ.
В ходе лабораторного эксперимента исследователи создали миниатюрные версии таких «черных курильщиков». Как это происходит естественным образом на дне моря, в условиях высоких температур происходили геохимические реакции между железом и серой, в результате которых образовывались минералы железистого сульфида, такие как макинваит (FeS) и грейгит (Fe3S4), что приводило к образованию водорода (H2).
В этих «химических садах» одноклеточный архей "Methanocaldococcus jannaschii" не только смог выжить, но и превзошел ожидания исследователей: «Помимо значительного увеличения экспрессии некоторых генов метаболизма ацетил-КоА, археи на самом деле росли экспоненциально», — объясняет Ванесса Хельмбехт, главный автор исследования, опубликованного в журнале Nature Ecology & Evolution.
«Сначала мы ожидали лишь незначительного роста, так как не добавляли никаких дополнительных питательных веществ, витаминов или микроэлементов в эксперимент». Таким образом, одноклеточный организм продемонстрировал высокую способность использовать водород, образующийся в результате абиотического осаждения железистых сульфидов, в качестве источника энергии.
Изолированный из осадков гидротермальных источников на дне океана, гипертермофильный микроорганизм "Methanocaldococcus jannaschi"i служит модельным организмом для метаногенеза через метаболический путь ацетил-КоА. Этот микроорганизм, адаптированный к экстремальным условиям!
«Для культивирования мы получили доступ к современным лабораториям Центра архей в Университете Регенсбурга, где профессор Дина Грохман и доктор Роберт Рейхельт оказали нам ценную поддержку. Это было очень важно для подготовки экспериментов в химических садах», — говорит Орси.
Самый древний метаболический процесс в эволюционной истории.
В химических садах клетки всегда оставались в непосредственной близости к частицам макинваита. Это соответствует ископаемым свидетельствам, где некоторые геологические отложения таких минералов из ранней истории Земли содержат следы первых микробных форм жизни.
Исследователи делают вывод из результатов работы, что химические реакции, происходившие во время осаждения минералов железистого сульфида около 4 миллиардов лет назад, генерировали достаточное количество энергии для выживания самых первых клеток и тем самым заложили основы для водородозависимого метаболизма первых микробов на молодой Земле. Соответственно, эта форма метаногенеза, основанная на водороде, производимом неорганически через химические реакции, является самым древним известным способом генерации энергии в эволюционной истории.
Космос — следующая граница.
Геобиологи ЛМУ теперь задаются вопросом, могут ли наблюдаемые ими метаболические процессы также происходить за пределами нашей планеты и существуют ли, таким образом, экзотеррестриальные среды обитания для архей — например, на Энцеладе. NASA уже рассматривает этот спутник Сатурна как кандидата на существование возможной жизни, поскольку ученые подозревают наличие гидротермальной активности между его каменным ядром и жидким «содовым океаном» под ледяной коркой.
«В нашем следующем исследовании мы смоделируем условия Энцелада в лаборатории и проверим, способны ли археи выживать и развиваться там», — говорит Хельмбехт.
