В
горячем источнике в Йеллоустонском национальном парке микроорганизм делает то, что не должно быть возможно для живых существ: он одновременно дышит кислородом и серой.
При глубоком вдохе поток воздуха устремляется в лёгкие, где кислород попадает в кровоток, питая метаболические процессы в клетках всего тела. Человек, как аэробный организм, использует кислород в качестве клеточной искры, которая высвобождает молекулярную энергию из потребляемой пищи.
Но не все организмы на планете живут или дышат таким образом. Вместо того, чтобы использовать кислород для получения энергии, многие одноклеточные формы жизни, обитающие в средах, удалённых от досягаемости кислорода, таких как глубоководные гидротермальные источники, используют другие элементы для дыхания и высвобождения энергии.
Это физическое разделение миров, богатых кислородом и лишённых его, - не просто вопрос использования доступных ресурсов; это биохимическая необходимость. Кислород не сочетается с метаболическими путями, которые позволяют дышать с использованием других элементов, таких как сера или марганец.
Он даёт жизнь аэробам, таким как человек, но для многих анаэробов, или существ, которые дышат без кислорода, кислород является токсином, который вступает в реакцию с их специализированными молекулярными механизмами и повреждает их.
«Кислород - мы, конечно, его любим», - говорит Кортни Стейрс, эволюционный биолог из Лундского университета в Швеции. «Но на самом деле это довольно вредная молекула для большинства форм жизни на нашей планете, и даже для нас самих. У нас есть способы смягчить негативное воздействие кислорода. Поэтому мы не можем представить себе жизнь без него, но на самом деле жизнь с ним довольно тяжела».
В течение первых нескольких миллиардов лет жизни
на Земле организмы полностью избегали этой проблемы. В то время воздух и океаны были практически лишены кислорода, поэтому жизнь была почти полностью анаэробной.
Затем, около 2,7 миллиарда лет назад, моря заполнились трудолюбивыми фотосинтезирующими цианобактериями. Они изобрели способ превращать солнечный свет в углеводы и кислород и процветали. За сотни миллионов лет их накопленное дыхание наполнило атмосферу и океаны кислородом.
Эта так называемая Кислородная катастрофа (Великое окисление) была ключевой трансформацией в биосфере и физической химии атмосферы и океанов Земли. В этой новой среде аэробное дыхание эволюционировало и стало доминирующим в мире.
Для исследователей остаётся загадкой, как жизнь перешла от анаэробного к аэробному дыханию; столь многообразные микроорганизмы должны были адаптироваться к миру, наполненному тем, что когда-то было биохимическим проклятием.
Теперь у исследователей появилось новое представление о том, как мог выглядеть этот переход миллиарды лет назад, полученное на основе изучения организма, живущего сегодня.
Бактерия, которую исследователи собрали из котла горячего источника в Йеллоустонском национальном парке, делает то, что жизнь действительно не должна быть способна делать: одновременно осуществляет аэробный и анаэробный метаболизм - дышит и кислородом и серой.
Эти открытия «ещё раз напоминают нам о том, как много нам предстоит узнать о микробном разнообразии и метаболизме», - говорит Наталья Мрнявац, аспирантка по эволюционной микробиологии в Университете Генриха Гейне в Дюссельдорфе, Германия, которая не участвовала в исследовании. «И для тех, кто любит микробы, это очень волнительно».
Результаты исследования, опубликованные в начале 2025 года в «Nature Communications», ставят под сомнение предположения о пределах клеточного дыхания и могут дать исследователям модель для понимания того, как жизнь балансирует на грани рая и ада.
Метаболические хитрости
Давно известно, что живые организмы развивали способы чередования аэробного и анаэробного дыхания, например, в качестве последнего средства, когда уровень кислорода низкий. Но поскольку кислород нарушает анаэробное дыхание, многие исследователи предполагали, что клетки не могут расти, используя оба процесса одновременно.
Поэтому, когда Эрик Бойд, микробиолог из Монтанского государственного университета в Бозмене, и его коллеги обнаружили отчёты конца 1990-х и начала 2000-х годов, в которых предполагалось, что некоторые бактерии могут делать именно это, они были заинтригованы.
Фото: quantamagazine.org
В частности, было замечено, что бактерии производят сульфид, продукт анаэробного дыхания, даже при наличии кислорода в окружающей среде. «Странно читать такое, потому что это противоречит учебникам - тому, что вы знаете о метаболизме микроорганизмов», - вспоминает Бойд.
Бойд интересуется тем, как жизнь развивается и сохраняется в некоторых из самых химически и термически враждебных мест на Земле. Он и его команда изучают смесь выносливых микробов, обитающих в стыках между поверхностью и подземным миром, включая вулканические жерла и термальные бассейны Йеллоустонского национального парка, недалеко от его университета в Монтане.
Странный микроб, который, по-видимому, использовал анаэробное дыхание даже при наличии кислорода, был как раз в его вкусе. Чтобы узнать о нём больше, Бойд и его команда должны были исследовать виды бурных источников, которые предпочитает такой микроорганизм, где вулканические пузырьки смешиваются с богатой кислородом атмосферой и бескислородной подземной водой.
Из придорожного термального источника возле озера Нимф в северо-западной части парка они собрали и изолировали штамм, названный Hydrogenobacter RSW1. RSW1 казался естественным кандидатом для исследования необычного дыхания. Эта бактерия широко распространена в горячих источниках вулканического происхождения по всему миру, от
Исландии до Новой Зеландии, и может расти при очень ограниченном количестве кислорода.
Кроме того, она принадлежит к тому же отряду Aquificales, что и любопытные микробы из более ранних отчётов. Исследователи привезли её в лабораторию, чтобы вырастить и изучить её метаболизм.
Члены команды прошли процесс постепенного определения элементов и молекул, на которых мог расти бактериальный штамм. Они уже знали, что он может использовать кислород, поэтому протестировали другие комбинации в лаборатории.
В отсутствие кислорода RSW1 мог перерабатывать водород и элементарную серу - химические вещества, которые он мог найти в извергающемся вулканическом жерле - и создавать в качестве продукта сероводород.
Однако, хотя клетки в этом состоянии были технически живы, они не росли и не размножались, а производили небольшое количество энергии - ровно столько, чтобы оставаться живыми, не более того. «Клетка просто сидела на месте, вращая колёса, не получая от этого никакой реальной выгоды в виде метаболизма или биомассы», - говорит Бойд.
Фото: quantamagazine.org
Затем команда снова добавила кислород в смесь. Как и ожидалось, бактерии росли быстрее. Но, к удивлению исследователей, RSW1 по-прежнему производил сероводород, как будто он дышал анаэробно. Фактически, бактерии, казалось, дышали одновременно аэробно и анаэробно, извлекая выгоду из энергии обоих процессов.
Это двойное дыхание отличалось от описанного в предыдущих отчётах: клетка не только производила сульфид в присутствии кислорода, но и одновременно выполняла оба противоречивых процесса. Бактерии просто не должны были быть способны на это. «Это заставило нас задаться вопросом: «Что же здесь на самом деле происходит?»», - говорит Бойд.
Два способа дыхания
RSW1, по-видимому, имеет гибридный метаболизм, одновременно осуществляя анаэробный режим на основе серы и аэробный режим с использованием кислорода.
«Способность организма соединять оба этих метаболизма является уникальной», - говорит Ранджани Мурали, микробиолог-эколог из Университета Невады в Лас-Вегасе, которая не участвовала в исследовании. «Обычно, когда анаэробные организмы подвергаются воздействию кислорода, повреждающие молекулы, известные как реактивные соединения кислорода, создают стресс. То, что этого не происходит, действительно интересно».
Команда Бойда наблюдала, что бактерии росли лучше всего, когда одновременно использовали оба типа метаболизма. Это может быть преимуществом в их уникальной среде: кислород не распределяется равномерно в горячих источниках, таких как те, где обитает RSW1.
Было замечено, что другие микробы дышат двумя способами одновременно: анаэробно с помощью нитратов и аэробно с помощью кислорода. Но эти процессы используют совершенно разные химические пути, и когда они сочетаются, то, как правило, требуют от микробов затрат энергии. В отличие от этого, гибридный метаболизм RSW1, основанный на сере и кислороде, укрепляет клетки, а не ослабляет их.
Такой двойной тип дыхания, возможно, до сих пор оставался незамеченным, поскольку считался невозможным. «Кислород и сульфид быстро вступают в реакцию друг с другом; если вы не наблюдали за сульфидом как побочным продуктом, вы могли полностью его пропустить», - говорит Бойд.
По словам Мурали, вполне возможно, что микробы с двойным метаболизмом широко распространены. Она указала на множество сред обитания и организмов, которые существуют в условиях слабого перехода между зонами, богатыми кислородом, и зонами, лишёнными кислорода.
Одним из примеров являются погружённые в воду отложения, в которых могут обитать кабельные бактерии. Эти удлинённые микробы ориентируются таким образом, что один конец их тела может использовать аэробное дыхание в насыщенной кислородом воде, а другой конец погружён глубоко в бескислородные отложения и использует анаэробное дыхание.
Фото: quantamagazine.org
Кабельные бактерии процветают в своём неустойчивом состоянии, физически разделяя свои аэробные и анаэробные процессы. Но RSW1, похоже, выполняет несколько задач одновременно, кувыркаясь в бурлящем источнике.
До сих пор неизвестно, как бактерии RSW1 умудряются защищать свои анаэробные механизмы от кислорода. Мурали предположила, что клетки могут создавать внутри себя химические суперкомплексы, которые могут окружать, изолировать и «поглощать» кислород, быстро расходуя его, как только он попадается, чтобы газ не мешал дыханию на основе серы.
RSW1 и любые другие микробы, обладающие двойным метаболизмом, являются интересными моделями того, как могла развиваться микробная жизнь во время Великого окисления.
«Это должно было быть довольно хаотичное время для микробов на планете», - говорит Бойд.
По мере того как кислород медленно проникал в атмосферу и море, любая форма жизни, которая могла справиться со случайным соприкосновением с новым ядовитым газом - или даже использовать его в своих энергетических интересах - могла оказаться в выгодном положении. В тот переходный период два метаболизма, возможно, были лучше, чем один.