Ja globālās kataklizmas rezultātā Zemes atmosfērā nepaliks skābeklis, tad viens no nedaudzajiem izdzīvojušajiem organismiem būs Escherichia coli. Tās galvenais trumpis ir spēja elpot jebko un jebkur: virspusē, augsnē, cilvēka kuņģī un ne vienmēr ar skābekli. Kopā ar E. coli uz planētas paliks vairāki simti seno radību sugu, kas spēj elpot sēru, dzelzi, urānu un pat arsēnu.
Saindēts gaiss
2010. gadā NASA Astrobioloģijas nodaļas pētniece Felisa Volfa-Simona, pētot sāļo Kalifornijas Mono ezeru, atklāja neparastas baktērijas. Viņi dzīvoja ūdenī, kur sārmu koncentrācija 80 reizes pārsniedza atbilstošo rādītāju okeānā. Mikrobi elpošanai izmantoja arsēnu, kas ir inde lielākajai daļai dzīvo organismu.
Laboratorijā atradums, saukts par “celmu GFAJ-1”, tika ievietots uzturvielu šķīdumā ar normālu cukuru un vitamīnu saturu, bet pilnīgi bez fosfātiem - savienojumiem, kuros fosfors nāk no apkārtējās vides. Tā vietā mikroorganismi tika stādīti ar arsenātiem (arsēna savienojumiem).
Izrādījās, ka bez fosfora vidē baktērijas ne tikai elpo arsēnu, bet arī zina, kā to fosfora vietā iekļaut DNS un RNS molekulās. Ķīmisko īpašību ziņā šie elementi ir līdzīgi - šūnā esošie fermenti var neatšķirt fosfātu no arsenāta, un tas notiek diezgan bieži. Tiesa, šāda aizstāšana parasti beidzas ar baktēriju nāvi un pārakmeņošanos, bet ne GFAJ-1 celma gadījumā.
“Anaerobie mikroorganismi (tie, kuriem dzīvībai nav vajadzīgs skābeklis vai ir nāvējoši. - Red.) Spēj samazināt arsēnu, izmantojot to elpošanā kā elektronu akceptoru. Arī anaerobi spēj elpot sulfātus, dzelzi, mangānu, urānu, selēnu, nitrātus. Mēs runājam tikai par mikrobiem, kuriem nav formalizēta kodola - prokarioti, ieskaitot baktērijas un archaea. Ir sēnītes, kas aug anaerobi, taču tas notiek reti, un eikariotu (organismu ar izveidotu kodolu) vidū tas ir drīzāk izņēmums, nevis noteikums,”saka Olga Karnačuka, Tomskas Valsts universitātes Bioloģiskā institūta Augu fizioloģijas un biotehnoloģijas katedras vadītāja RIA Novosti.
Kreisajā pusē - Felisa Volfa-Simona, kas atklāja mikroorganismus, kas izmanto fosforu kā šūnu materiālu. Labajā pusē - baktēriju celms GFAJ-1 uzturvielu šķīdumā, kas satur vitamīnus, cukurus un arsenātus.
Reklāmas video:
Sena un izturīga
Vairāk nekā pirms trim miljardiem gadu pirmie dzīvie organismi uz Zemes tika baroti ar ūdeņraža un sēra molekulām.
“Senākā no anaerobajām elpām ir sēra izelpa. Sērs, tāpat kā molekulārais ūdeņradis, nāca no vulkāniem. Šis metabolisma veids tika izmantots, kad visu dzīvi veidoja tikai baktērijas un arhaea,”stāsta Olga Karnačuka.
Parādoties zilaļģēm, kuru metaboliskais produkts bija skābeklis, Zemes atmosfēras sastāvs sāka pakāpeniski mainīties. Apmēram pirms 850–600 miljoniem gadu gaisā jau bija daudz O2. Senajiem mikroorganismiem tas nozīmēja katastrofu - skābeklis tiem ir tikpat toksisks, cik hlora gāze cilvēkiem. Tāpēc daži izmira, citi (tā sauktie obligātie anaerobi) aizbēga uz anoksiskām vietām - piemēram, pazemē. Bija arī tādi, kuriem izdevās pielāgoties un iemācījās neitralizēt toksisko gāzi.
Laika gaitā daži mikroorganismi bija "saprotami": skābeklis ir spēcīgs elektronu akceptors, un, oksidējot tajā organiskās molekulas, jūs varat iegūt daudz dzīvībai nepieciešamās enerģijas. Tas nozīmē, ka šūnas lielums palielinās, tāpēc tajā tiek ievietots vairāk DNS, un struktūra kļūst sarežģītāka - tas ir veids, kā pastāv iespēja kļūt par daudzšūnu.
Dzīvnieki, kas nespēj elpot
Augi, dzīvnieki, cilvēki - visi elpo skābekli. Tas ir visefektīvākais enerģijas iegūšanas veids, tāpēc, parādoties aerobo elpošanai, dzīvajiem organismiem pavērās iespēja veidot augstākas formas, ieskaitot cilvēkus. Anaerobie mikrobi arī spēj attīstīties, bet citā virzienā. Daudzi no viņiem izvēlējās divu elpošanas veidu apvienošanu. Piemēram, E. coli (Escherichia coli) elpo skābekli, bet, nonākot cilvēka ķermenī (anaerobā vidē) - nitrātus. Ja apstākļi ir pilnīgi slikti, baktērija vispār nespēj elpot, tā klīst - tas ir pilnīgi atšķirīgs metabolisma veids. Starp augstākajām formām šādu oportūnistu praktiski nav,”norāda eksperts.
Tomēr ir viens izņēmums - kaila molu žurka. Šis zīdītājs, kurš dzīvo pazemes urvās, maksā stundas ar ļoti zemu skābekļa līmeni, un pilnīgi bez gaisa ilgs 18 minūtes (salīdzinājumam: cilvēka smadzenes mirst vidēji pēc piecām minūtēm vidē, kurā nav skābekļa).
Kad gaisā ir maz O2, kaila molu žurka pāriet uz fruktozes anaerobo sadalīšanos - sakarā ar to, ka GLUT5 kanāli, kas ir atbildīgi par fruktozes izdalīšanos asinīs, tiek sintezēti dažādos audos. Citos zīdītājos tos ražo tikai zarnās.
Kaila molu žurka - vienīgais zīdītājs, kurš spēj fruktozi anaerobi sadalīt.
Lai palīdzētu cilvēkam
“Uz Zemes ir daudz organismu, kas var iztikt bez skābekļa, jo anaerobos apstākļus viegli rada - piemēram, puķu podā, komposta kaudzē vai piekrastes nogulumos pat mūsu pašu ķermenī,” turpina pētnieks.
Kaut arī daži anaerobi, nošaujot vai sadurtot, izraisa nopietnu infekciju, vairums no tiem gūst labumu cilvēkiem. Piemēram, zinātnieki no Kalifornijas Universitātes San Diego mācīja baktērijām Salmonella enterica iznīcināt vēža audzējus: daži salmonellas sintezēja toksīnu, kas veido caurumus vēža šūnu membrānās, otrais - īpašu olbaltumvielu, kas aktivizē imūnsistēmu, un vēl citi ražoja molekulu, kas vēža šūnās iedarbina pašiznīcināšanās programmu.
Metanogēnas arhajas tiek izmantotas biogāzes ražošanā no parastajiem sadzīves atkritumiem, un sulfātus reducējošās grupas spēj attīrīt notekūdeņus no piesārņojuma.
“Mūsdienās daudzas mīnas tiek slēgtas augstās sulfāta koncentrācijas dēļ. Kad iegūst ogles, rodas liels daudzums notekūdeņu, kas pēc attīrīšanas nonāk upēs. Ja neiznīcina sulfātus, ziemā var nogalināt zivis un citu ūdens biotu. Raktu notekūdeņus mēs attīra no šiem kaitīgajiem savienojumiem, izmantojot mikroorganismus, kas audzēti mūsu laboratorijā. Mīnās mēs radām apstākļus, lai tur būtu iespējama elpošana ar sulfātiem un ar baktēriju palīdzību tiktu noņemts viss sulfāts. Šī tehnoloģija jau tiek izmantota praksē Lielbritānijā, ASV, Vācijā. Mēs tikai veidojam biotehnoloģiju, kas var darboties Krievijas klimatiskajos apstākļos ar zemu vidējo gada temperatūru,”secina eksperts.
Alfiya Enikeeva