Новые возможности для жизни на дне земного океана и, возможно, в океанах на других планетах

 



В странном, темном мире океанского дна в подводных трещинах, называемых гидротермальными жерлами, обитают сложные сообщества жизни. Эти вентиляционные отверстия извергают обжигающе горячие жидкости в чрезвычайно холодную морскую воду, создавая химические силы, необходимые для жизни мелких организмов, обитающих в этой экстремальной среде.


В недавно опубликованном исследовании биологи Джеффри Дик и Эверетт Шок определили, что специфические гидротермальные среды морского дна обеспечивают уникальную среду обитания, в которой могут процветать определенные организмы. Поступая таким образом, они открыли новые возможности для жизни в темноте на дне океанов на Земле, а также во всей Солнечной системе. Их результаты были опубликованы в журнале геофизических исследований: Биогеонауки.


На суше, когда организмы получают энергию из пищи, которую они едят, они делают это с помощью процесса, называемого клеточным дыханием, при котором происходит поступление кислорода и выделение углекислого газа. С биологической точки зрения молекулы в нашей пище нестабильны в присутствии кислорода, и именно эта нестабильность используется нашими клетками для роста и размножения, процесса, называемого биосинтезом.


Но для организмов, живущих на морском дне, условия для жизни кардинально отличаются.


"На суше, в богатой кислородом атмосфере Земли, многим людям известно, что для создания молекул жизни требуется энергия",-сказал соавтор Шок из Школы исследований Земли и космоса Университета штата Аризона и Школы молекулярных наук. "В отличие от этого, вокруг гидротермальных источников на морском дне горячие жидкости смешиваются с чрезвычайно холодной морской водой, создавая условия, при которых создание молекул жизни высвобождает энергию".


В глубоководных микробных экосистемах организмы процветают вблизи источников, где гидротермальная жидкость смешивается с окружающей морской водой. Предыдущие исследования, проведенные Шоком, показали, что биосинтез основных клеточных строительных блоков, таких как аминокислоты и сахара, особенно благоприятен в районах, где вентиляционные отверстия состоят из ультраосновных пород (магматических и мета-магматических пород с очень низким содержанием кремнезема), поскольку эти породы производят больше всего водорода.


Помимо основных строительных блоков, таких как аминокислоты и сахара, клетки должны образовывать более крупные молекулы или полимеры, также известные как биомакромолекулы. Белки являются наиболее распространенными из этих молекул в клетках, и реакция полимеризации (когда небольшие молекулы объединяются, образуя более крупную биомолекулу) сама по себе требует энергии почти во всех мыслимых средах.


"Другими словами, там, где есть жизнь, есть вода, но воду нужно вытеснить из системы, чтобы полимеризация стала благоприятной",-сказал ведущий автор Дик, который был аспирантом в АГУ, когда начались эти исследования, и который в настоящее время является исследователем геохимии в Школе наук о земле и информационной физики в Центральном Южном университете в Чанше, Китай. "Таким образом, существуют два противоположных потока энергии: высвобождение энергии путем биосинтеза основных строительных блоков и энергия, необходимая для полимеризации".


Что Дик и Шок хотели знать, так это то, что происходит, когда вы их складываете: получаете ли вы белки, общий синтез которых на самом деле благоприятен в зоне смешивания?


Они подошли к этой проблеме, используя уникальную комбинацию теории и данных.


С теоретической стороны они использовали термодинамическую модель для белков, называемую "групповой аддитивностью", которая учитывает специфические аминокислоты в последовательностях белков, а также энергии полимеризации. Для получения данных они использовали все последовательности белков во всем геноме хорошо изученного вирусного организма под названием Methanocaldococcus jannaschii.


Проведя расчеты, они смогли показать, что общий синтез почти всех белков в геноме высвобождает энергию в зоне смешения ультраосновного вентиляционного отверстия при температуре, при которой этот организм растет быстрее всего, около 185 градусов по Фаренгейту (85 градусов Цельсия). Напротив, в другой вентиляционной системе, которая производит меньше водорода (система, содержащая базальт), синтез белков неблагоприятен.


"Это открытие открывает новый взгляд не только на биохимию, но и на экологию, потому что оно предполагает, что определенные группы организмов по своей природе более благоприятны в конкретных гидротермальных средах", - сказал Дик. "Исследования микробной экологии показали, что метаногены, одним из представителей которых является Methanocaldococcus jannaschii, более распространены в системах вентиляции, размещенных на ультрамафилах, чем в системах, размещенных на базальте. Благоприятная энергетика синтеза белка в системах, размещенных на ультрамафилах, согласуется с таким распределением".


Для следующих шагов Дик и Шок изучают способы использования этих энергетических расчетов на древе жизни, которые, как они надеются, обеспечат более прочную связь между геохимией и эволюцией генома.


"По мере того, как мы исследуем, нам снова и снова напоминают, что мы никогда не должны приравнивать то, где мы живем, к тому, что пригодно для жизни", - сказал Шок.

Обсудить:

0 comments:

Всегда рады услышать ваше мнение!