Ha globális kataklizma eredményeként a Föld légkörében nem marad oxigén, akkor a kevés túlélő organizmus egyike az Escherichia coli. Fő ütközője bármi és bármilyen légzés képessége: a felszínen, a talajban, az emberi gyomorban, és nem feltétlenül oxigénnel. Az E. colival együtt több száz ősi lényfaj marad a bolygón, képes ként, vasat, uránt és még arzént is belélegezni.
Mérgezett levegő
2010-ben Felisa Wolf-Simon, a NASA Astrobiológiai Osztályának kutatója a sós kaliforniai Mono-tó tanulmányozása során szokatlan baktériumokat fedezett fel. Vízben éltek, ahol a lúgok koncentrációja meghaladta az óceán megfelelő mutatójának 80-szorosát. A mikrobák arzént használtak a légzéshez, ami a legtöbb élő szervezet számára mérgező volt.
A laboratóriumban a "GFAJ-1 törzsnek" nevezett leletet egy normál cukortartalmú és vitamintartalmú tápanyagoldatba helyezték, de foszfátok nélkül - olyan vegyületek, amelyekben a foszfor a környezetből származik. Ehelyett a mikroorganizmusokat arzenátokkal (arzénvegyületek) ültették.
Kiderült, hogy egy foszformentes környezetben a baktériumok nem csak arzénet lélegeznek be, hanem tudják, hogyan lehet a foszfor helyett beépíteni a DNS- és RNS-molekulákba. A kémiai tulajdonságok szempontjából ezek az elemek hasonlóak - a sejtben lévő enzimek nem különböztetik meg a foszfátot az arzenátától, és ez elég gyakran fordul elő. Igaz, hogy egy ilyen helyettesítés általában baktériumok halálával és petrifikációjával ér véget, de a GFAJ-1 törzs esetében nem.
„Az anaerob mikroorganizmusok (azok, amelyeknek nincs életük oxigénre szükségük vagy halálosak. - Szerkesztés) képesek redukálni az arzén mennyiségét, miközben légzésben elektronakceptorként használják. Az anaerobok képesek továbbá szulfátok, vas, mangán, urán, szelén, nitrátok belélegzésére. Csak azokról a mikrobákról beszélünk, amelyekben nincs formalizált mag - prokarióták, ideértve a baktériumokat és az archaea-t is. Vannak gombák, amelyek anaerob módon növekszenek, de ez ritka, és az eukarióták (kialakult maggal rendelkező szervezetek) esetében ez inkább kivétel, mint szabály”- mondja Olga Karnachuk, a Tomski Állami Egyetem Biológiai Intézetének Növényi Élettani és Biotechnológiai Tanszékének vezetője a RIA Novosti-nak.
Bal oldalon - Felisa Wolf-Simon, aki felfedezte azokat a mikroorganizmusokat, amelyek foszfort használnak sejtek építőanyagaként. Jobb oldalon - A GFAJ-1 baktérium törzs vitaminokat, cukrokat és arzenátokat tartalmazó tápanyag-oldatban.
Promóciós videó:
Ősi és kitartó
Több mint három milliárd évvel ezelőtt a Földön az első élő szervezetek hidrogén- és kénmolekulákkal táplálkoztak.
„Az anaerob levegő legidősebb része a kénes levegő. A kén, akárcsak a molekuláris hidrogén, vulkánokból származott. Az ilyen típusú anyagcserét akkor használták, amikor az élet csak baktériumokból és archaából állt”- mondja Olga Karnachuk.
A cianobaktériumok megjelenésével, amelyek metabolikus terméke oxigén volt, a Föld légkörének összetétele fokozatosan megváltozott. Körülbelül 850-600 millió évvel ezelőtt már nagyon sok O2 volt a levegőben. Az ősi mikroorganizmusok számára ez katasztrófát jelentett - az oxigén ugyanolyan mérgező számukra, mint a klórgáz az emberekre. Ezért egyesek elhaltak, mások (az úgynevezett kötelező anaerobok) anoxikus helyekre menekültek - például a föld alatti. Voltak olyanok is, akiknek sikerült alkalmazkodniuk és megtanulni semlegesíteni a mérgező gázt.
Idővel néhány mikroorganizmus "megértette": az oxigén erős elektron-elfogadó anyag, és azáltal, hogy oxidálva szerves molekulákat vele, sok energiát nyerhet az élethez. Ez azt jelenti, hogy a sejt mérete növekszik, ezért több DNS-t helyeznek el benne, és a szerkezet bonyolultabbá válik - ez az esély, hogy többsejtűvé váljon.
Állatok, amelyek nem tudnak lélegezni
„Növények, állatok, emberek - mindenki lélegzik az oxigénnel. Ez az energiaszerzés leghatékonyabb módja, ezért amikor az aerob légzés megjelent, az élő szervezeteknek lehetősége nyílt magasabb formák kialakulására, beleértve az embereket is. Az anaerob mikrobák is képesek fejlődni, de más irányba. Közülük sokan a kétféle légzés kombinációját választották. Például az E. coli (Escherichia coli) lélegzik az oxigént, és amikor belép az emberi testbe (egy anaerob környezetben), a nitrátokat. Ha a körülmények teljesen rosszak, a baktérium egyáltalán nem képes lélegezni, vándorol - ez egy teljesen más típusú anyagcsere. A magasabb formák között gyakorlatilag nincs ilyen opportunista”- jegyzi meg a szakértő.
Van azonban egy kivétel - a meztelen vakondpatkány. Ez a föld alatti urkokban élő emlős órákig tartó alacsony oxigénszintet vesz igénybe, és teljesen levegő nélkül 18 percig tart (összehasonlításként: az emberi agy halála átlagosan öt perc elteltével jelentkezik oxigénmentes környezetben).
Amikor kevés O2 van a levegőben, a meztelen molekula patkány a fruktóz anaerob lebontására vált át - annak a ténynek köszönhető, hogy a GLUT5 csatornákat, amelyek felelősek a fruktóz vérbe juttatásáért, különböző szövetekben szintetizálják. Más emlősökben csak a belekben termelődnek.
Meztelen vakond patkány - az egyetlen emlős, amely képes a fruktóz anaerob lebontására.
Segíteni egy embert
„Nagyon sok szervezet él a földön oxigén nélkül, mert az anaerob körülmények könnyen létrejöhetnek - például virágcserépben, komposzt-halomban vagy part menti üledékben, még a testünkben is” - folytatja a kutató.
Míg egyes anaerobok lövés vagy szúrás esetén súlyos fertőzést okoznak, a legtöbb ember számára hasznos. Például a kaliforniai San Diego-i egyetemi tudósok a Salmonella enterica baktériumokat megtanították a rákos daganatok elpusztítására: néhány szalmonella toxint szintetizált, amely lyukakat okoz a rákos sejtek membránjaiban, a másik egy speciális fehérjét, amely aktiválja az immunrendszert, és mások olyan molekulát állítottak elő, amely önromboló programot indít a rákos sejtekben.
A metanogén archaea a biogáz előállításához szokásos háztartási hulladékokból készül, és a szulfát redukáló csoportok képesek tisztítani a szennyvíz a szennyeződéstől.
„Manapság sok akna bezáródik a szulfát magas koncentrációja miatt. A szénbányászat során nagy mennyiségű szennyvíz keletkezik, amely a tisztítás után a folyókba áramlik. Ha a szulfátokat nem ártalmatlanítják, télen elpusztíthatók a halak és más vízi élővilág. Ezeket a káros vegyületeket az akna szennyvízével tisztítjuk a laboratóriumunkban termesztett mikroorganizmusok segítségével. Olyan körülményeket teremtünk a bányákban, hogy ott lehessen szulfátos légzést végezni, és az összes szulfátot baktériumokkal eltávolítsuk. Ezt a technológiát az Egyesült Királyságban, az Egyesült Államokban és Németországban már alkalmazzák a gyakorlatban. Most éppen olyan biotechnológiát állítunk elő, amely Oroszország éghajlati viszonyaiban, alacsony éves átlaghőmérsékleten képes működni”- fejezi be a szakértő.
Alfiya Enikeeva