Доброе Мировое Зло (Миф)
В Южной Африке на глубине 2,8 км под землей обнаружена уникальная экосистема, всё население которой представлено одним-единственным видом бактерий. Микроб, получивший название Desulforudis audaxviator, живет в полном одиночестве в горячей подземной воде, насыщенной сульфатами, и сам производит все необходимые ему для жизни вещества из неорганических соединений.
Бактерия Desulforudis audaxviator под сканирующим электронным микроскопом. Видна одна длинная палочковидная бактерия на фоне мелких минеральных частиц. Фото из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science
А ведь если задуматься - это очень интересный вид, который показывает, что живое может выживать всего одним видом бактерий.
читать дальше«Элементы» уже рассказывали об удивительных микробных сообществах, обнаруженных под землей на глубине свыше 2 км в Южной Африке (см. Обитатели земных недр не нуждаются в солнечном свете, «Элементы», 23.10.2006). Все найденные до сих пор подземные (и не только подземные) микробные сообщества включают не один, а много видов микроорганизмов, которые обычно образуют симбиотические комплексы, то есть помогают друг другу, деля между собой биохимические функции.
Самое однообразное сообщество, в котором более 88% микробов относились к одному виду, было обнаружено на глубине 2,8 км в золотом прииске Мпоненг, о чем и рассказывалось в вышеупомянутой заметке. Этот доминирующий вид микробов является сульфатредуктором, то есть добывает необходимую для жизни энергию, осуществляя химическую реакцию восстановления сульфата (SO42–).
Продолжая изучение подземной биосферы, исследователи из США, Тайваня и Канады выделили ДНК из 2600 литров воды, добытой в том же прииске и на той же глубине, но из другой скважины. К немалому удивлению ученых, в пробе обнаружился генетический материал лишь одного-единственного вида микробов. Анализы были проведены весьма аккуратно, и результат был подтвержден несколькими независимыми методами. Пришлось констатировать неожиданный и удивительный факт: обнаружена подземная экосистема, всё население которой представлено лишь одним видом микробов. Если там и есть другие микроорганизмы, то их доля, согласно полученным результатам, не превышает 0,1%. Это значит, что доминирующий вид микробов должен обеспечивать себя всем необходимым без всякой помощи со стороны других организмов. Такая независимость и самодостаточность среди живых существ встречается очень редко, а микробные сообщества, состоящие только из одного вида, ранее вообще не были известны.
Что же это за микроб, живущий сам по себе в 60-градусной воде на глубине 2,8 км? Он оказался «старым знакомым», тем самым сульфатредуктором, который доминирует в пробах из прииска Мпоненг, изученных ранее. До сих пор, однако, об этом микробе было известно немногое (ему даже не было присвоено имя), и только теперь появилась возможность изучить его более основательно. Дело в том, что выращивать таких микробов в лаборатории практически невозможно, и судить об их биохимии, строении и образе жизни можно только на основе анализа ДНК. Однако если в пробе присутствуют геномы многих микроорганизмов, то понять, кому из них принадлежит тот или иной обрывок ДНК, технически очень сложно.
Поэтому исследователи в большинстве случаев ограничиваются анализом нескольких наиболее «показательных» генов, прежде всего — генов 16S-рРНК. По этим генам можно довольно точно определить, сколько и каких микробов присутствует в пробе. Если попадается микроб, науке не известный, то по его гену 16S-рРНК можно определить, какой из известных микробов является его ближайшим родственником, а уже из этого делаются выводы о его биохимии и образе жизни. Именно таким способом ранее было установлено, что бактерия, о которой идет речь, является сульфатредуктором, а ее ближайший родич из известных науке микроорганизмов — сульфатредуцирующая бактерия Desulfotomaculum.
Другое дело, если в пробе присутствует только один микроб — в этом случае современные технологии позволяют сравнительно быстро и недорого собрать из кусочков весь его геном. Именно это и проделали исследователи с уникальной бактерией. Имея в руках полную нуклеотидную последовательность генома, о микробе можно сказать очень многое.
Для начала подземная бактерия получила имя — ее назвали Desulforudis audaxviator. В дополнительных материалах к статье авторы поясняют смысл видового названия. «Audax viator» — слова из таинственной латинской фразы, указавшей герою повести Жюля Верна путь к центру Земли. В переводе они означают «отважный странник». Что ж, название вполне подходящее. По мнению исследователей, микроб совершил свое отважное путешествие в недра Земли и приспособился к жизни в полном одиночестве не менее 20 млн лет назад.
Размер генома D. audaxviator — 2,35 млн пар нуклеотидов. Это нормальный размер генома для свободноживущих бактерий. Геном содержит 2157 белок-кодирующих генов. Генетический полиморфизм в популяции подземных микробов оказался очень низким (из 2,35 млн нуклеотидов только 32 варьируют). Это говорит о том, что популяция недавно проходила через «бутылочное горлышко» (период очень низкой численности) или подвергалась сильному давлению отбора.
Поскольку «отважный странник» в одиночку выполняет все функции, которые должны выполнять живые существа в экосистеме, авторы ожидали, что его геном должен содержать полный набор средств жизнеобеспечения в экстремальных условиях, включая биохимические механизмы для получения энергии, фиксации азота и углерода и синтеза всех необходимых веществ. Так и оказалось. В геноме D. audaxviator обнаружились следующие «рабочие инструменты»:
полный набор генов для сульфатредукции, причем некоторые из этих генов бактерия явно позаимствовала когда-то у архей — микробов, по праву считающихся лучшими экспертами по выживанию в экстремальных условиях;
набор гидрогеназ — ферментов, позволяющих утилизировать молекулярный водород (который используется многими анаэробными микробами в качестве донора электрона в окислительно-восстановительных реакциях);
набор белков-транспортеров для перекачки готовых органических соединений — сахаров и аминокислот — из внешней среды в клетку (это значит, что бактерия может вести себя не только как автотроф, то есть синтезировать органику из неорганических соединений, но и как гетеротроф, то есть питаться готовой органикой, если таковая вдруг появляется в окружающей среде. Очевидно, что там, где живет D. audaxviator, единственным источником готовой органики могут быть мертвые распадающиеся клетки тех же самых бактерий. Не такова жизнь у «отважного странника», чтобы разбрасываться столь ценными ресурсами. Кстати, по имеющимся оценкам, бактерии, обитающие в подобных условиях из-за острого дефицита ресурсов должны расти и размножаться невероятно медленно. Ученые не исключают, что между двумя клеточными делениями у таких микробов могут проходить сотни и даже тысячи лет);
белки для автотрофного метаболизма, позволяющие использовать в качестве источника углерода углекислый газ (CO2), угарный газ (CO) и формиат (HCOO–);
полный набор ферментов для синтеза всех 20 аминокислот;
гены, необходимые для формирования спор с плотной оболочкой (это, очевидно, позволяет «страннику» переживать периоды, когда условия становятся совсем уж невыносимыми);
гены, обеспечивающие образование жгутиков, при помощи которых микроб может плыть, куда пожелает;
гены различных рецепторов и систем передачи сигналов, то есть того, что заменяет микробам органы чувств и нервную систему (по-видимому, «странник» чует, где выше концентрация дефицитных веществ, и плывет туда);
белки для транспорта аммония (NH4+) из внешней среды. В исследованных пробах концентрация аммония достаточно высока, чтобы полностью обеспечить микробов азотом, но, по всей видимости, так бывает не всегда. Поэтому D. audaxviator имеет в своем арсенале еще и нитрогеназу — фермент, позволяющий осуществлять азотфиксацию, то есть превращать молекулярный азот в удобоваримые для живой клетки азотистые соединения (прежде всего — в тот же аммоний). Нитрогеназа, как и многие другие белки, была заимствована «странником» у архей путем горизонтального генетического обмена.
Так устроена подземная экосистема с единственным живым участником — бактерией Desulforudis audaxviator. Сама бактерия вместе со своим обменом веществ изображена в верхней части схемы в виде большого овала. Видно, что важную роль в функционировании экосистемы играет радиоактивный распад урана (показан «молниями»). Рис. из обсуждаемой статьи в Science
Ученые нашли в геноме D. audaxviator немало других генов архейного происхождения. Большинство из них связано с приспособлением к жизни в экстремальных условиях. «Странник» позаимствовал у архей также и некоторые гены для защиты от вирусов (от них, оказывается, даже под землей не спрячешься). По-видимому, ему не удалось бы стать таким независимым и самодостаточным, если бы он предварительно не пообщался очень тесно с другими микробами и не одолжил бы у них кое-какие полезные гены.
Насколько можно судить по геному, «странник» вполне может жить при температурах более высоких, чем те, в которых его обнаружили.
А вот чего у «странника» нет совсем, даже в рудиментарном виде, так это белков, позволяющих утилизировать кислород или хотя бы защищаться от его токсичного действия. Это значит, что с кислородом «страннику» не приходилось иметь дела уже очень давно.
Главный теоретический вывод, сделанный авторами из изучения «отважного странника», состоит в том, что вся биологическая составляющая простой экосистемы, как выяснилось, может быть закодирована в одном-единственном геноме.
Источник: Chivian D. et al. Environmental Genomics Reveals a Single-Species Ecosystem Deep Within Earth // Science. 2008. V. 322. P. 275–278.
Источник: elementy.ru
Бактерия Desulforudis audaxviator под сканирующим электронным микроскопом. Видна одна длинная палочковидная бактерия на фоне мелких минеральных частиц. Фото из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science
А ведь если задуматься - это очень интересный вид, который показывает, что живое может выживать всего одним видом бактерий.
читать дальше«Элементы» уже рассказывали об удивительных микробных сообществах, обнаруженных под землей на глубине свыше 2 км в Южной Африке (см. Обитатели земных недр не нуждаются в солнечном свете, «Элементы», 23.10.2006). Все найденные до сих пор подземные (и не только подземные) микробные сообщества включают не один, а много видов микроорганизмов, которые обычно образуют симбиотические комплексы, то есть помогают друг другу, деля между собой биохимические функции.
Самое однообразное сообщество, в котором более 88% микробов относились к одному виду, было обнаружено на глубине 2,8 км в золотом прииске Мпоненг, о чем и рассказывалось в вышеупомянутой заметке. Этот доминирующий вид микробов является сульфатредуктором, то есть добывает необходимую для жизни энергию, осуществляя химическую реакцию восстановления сульфата (SO42–).
Продолжая изучение подземной биосферы, исследователи из США, Тайваня и Канады выделили ДНК из 2600 литров воды, добытой в том же прииске и на той же глубине, но из другой скважины. К немалому удивлению ученых, в пробе обнаружился генетический материал лишь одного-единственного вида микробов. Анализы были проведены весьма аккуратно, и результат был подтвержден несколькими независимыми методами. Пришлось констатировать неожиданный и удивительный факт: обнаружена подземная экосистема, всё население которой представлено лишь одним видом микробов. Если там и есть другие микроорганизмы, то их доля, согласно полученным результатам, не превышает 0,1%. Это значит, что доминирующий вид микробов должен обеспечивать себя всем необходимым без всякой помощи со стороны других организмов. Такая независимость и самодостаточность среди живых существ встречается очень редко, а микробные сообщества, состоящие только из одного вида, ранее вообще не были известны.
Что же это за микроб, живущий сам по себе в 60-градусной воде на глубине 2,8 км? Он оказался «старым знакомым», тем самым сульфатредуктором, который доминирует в пробах из прииска Мпоненг, изученных ранее. До сих пор, однако, об этом микробе было известно немногое (ему даже не было присвоено имя), и только теперь появилась возможность изучить его более основательно. Дело в том, что выращивать таких микробов в лаборатории практически невозможно, и судить об их биохимии, строении и образе жизни можно только на основе анализа ДНК. Однако если в пробе присутствуют геномы многих микроорганизмов, то понять, кому из них принадлежит тот или иной обрывок ДНК, технически очень сложно.
Поэтому исследователи в большинстве случаев ограничиваются анализом нескольких наиболее «показательных» генов, прежде всего — генов 16S-рРНК. По этим генам можно довольно точно определить, сколько и каких микробов присутствует в пробе. Если попадается микроб, науке не известный, то по его гену 16S-рРНК можно определить, какой из известных микробов является его ближайшим родственником, а уже из этого делаются выводы о его биохимии и образе жизни. Именно таким способом ранее было установлено, что бактерия, о которой идет речь, является сульфатредуктором, а ее ближайший родич из известных науке микроорганизмов — сульфатредуцирующая бактерия Desulfotomaculum.
Другое дело, если в пробе присутствует только один микроб — в этом случае современные технологии позволяют сравнительно быстро и недорого собрать из кусочков весь его геном. Именно это и проделали исследователи с уникальной бактерией. Имея в руках полную нуклеотидную последовательность генома, о микробе можно сказать очень многое.
Для начала подземная бактерия получила имя — ее назвали Desulforudis audaxviator. В дополнительных материалах к статье авторы поясняют смысл видового названия. «Audax viator» — слова из таинственной латинской фразы, указавшей герою повести Жюля Верна путь к центру Земли. В переводе они означают «отважный странник». Что ж, название вполне подходящее. По мнению исследователей, микроб совершил свое отважное путешествие в недра Земли и приспособился к жизни в полном одиночестве не менее 20 млн лет назад.
Размер генома D. audaxviator — 2,35 млн пар нуклеотидов. Это нормальный размер генома для свободноживущих бактерий. Геном содержит 2157 белок-кодирующих генов. Генетический полиморфизм в популяции подземных микробов оказался очень низким (из 2,35 млн нуклеотидов только 32 варьируют). Это говорит о том, что популяция недавно проходила через «бутылочное горлышко» (период очень низкой численности) или подвергалась сильному давлению отбора.
Поскольку «отважный странник» в одиночку выполняет все функции, которые должны выполнять живые существа в экосистеме, авторы ожидали, что его геном должен содержать полный набор средств жизнеобеспечения в экстремальных условиях, включая биохимические механизмы для получения энергии, фиксации азота и углерода и синтеза всех необходимых веществ. Так и оказалось. В геноме D. audaxviator обнаружились следующие «рабочие инструменты»:
полный набор генов для сульфатредукции, причем некоторые из этих генов бактерия явно позаимствовала когда-то у архей — микробов, по праву считающихся лучшими экспертами по выживанию в экстремальных условиях;
набор гидрогеназ — ферментов, позволяющих утилизировать молекулярный водород (который используется многими анаэробными микробами в качестве донора электрона в окислительно-восстановительных реакциях);
набор белков-транспортеров для перекачки готовых органических соединений — сахаров и аминокислот — из внешней среды в клетку (это значит, что бактерия может вести себя не только как автотроф, то есть синтезировать органику из неорганических соединений, но и как гетеротроф, то есть питаться готовой органикой, если таковая вдруг появляется в окружающей среде. Очевидно, что там, где живет D. audaxviator, единственным источником готовой органики могут быть мертвые распадающиеся клетки тех же самых бактерий. Не такова жизнь у «отважного странника», чтобы разбрасываться столь ценными ресурсами. Кстати, по имеющимся оценкам, бактерии, обитающие в подобных условиях из-за острого дефицита ресурсов должны расти и размножаться невероятно медленно. Ученые не исключают, что между двумя клеточными делениями у таких микробов могут проходить сотни и даже тысячи лет);
белки для автотрофного метаболизма, позволяющие использовать в качестве источника углерода углекислый газ (CO2), угарный газ (CO) и формиат (HCOO–);
полный набор ферментов для синтеза всех 20 аминокислот;
гены, необходимые для формирования спор с плотной оболочкой (это, очевидно, позволяет «страннику» переживать периоды, когда условия становятся совсем уж невыносимыми);
гены, обеспечивающие образование жгутиков, при помощи которых микроб может плыть, куда пожелает;
гены различных рецепторов и систем передачи сигналов, то есть того, что заменяет микробам органы чувств и нервную систему (по-видимому, «странник» чует, где выше концентрация дефицитных веществ, и плывет туда);
белки для транспорта аммония (NH4+) из внешней среды. В исследованных пробах концентрация аммония достаточно высока, чтобы полностью обеспечить микробов азотом, но, по всей видимости, так бывает не всегда. Поэтому D. audaxviator имеет в своем арсенале еще и нитрогеназу — фермент, позволяющий осуществлять азотфиксацию, то есть превращать молекулярный азот в удобоваримые для живой клетки азотистые соединения (прежде всего — в тот же аммоний). Нитрогеназа, как и многие другие белки, была заимствована «странником» у архей путем горизонтального генетического обмена.
Так устроена подземная экосистема с единственным живым участником — бактерией Desulforudis audaxviator. Сама бактерия вместе со своим обменом веществ изображена в верхней части схемы в виде большого овала. Видно, что важную роль в функционировании экосистемы играет радиоактивный распад урана (показан «молниями»). Рис. из обсуждаемой статьи в Science
Ученые нашли в геноме D. audaxviator немало других генов архейного происхождения. Большинство из них связано с приспособлением к жизни в экстремальных условиях. «Странник» позаимствовал у архей также и некоторые гены для защиты от вирусов (от них, оказывается, даже под землей не спрячешься). По-видимому, ему не удалось бы стать таким независимым и самодостаточным, если бы он предварительно не пообщался очень тесно с другими микробами и не одолжил бы у них кое-какие полезные гены.
Насколько можно судить по геному, «странник» вполне может жить при температурах более высоких, чем те, в которых его обнаружили.
А вот чего у «странника» нет совсем, даже в рудиментарном виде, так это белков, позволяющих утилизировать кислород или хотя бы защищаться от его токсичного действия. Это значит, что с кислородом «страннику» не приходилось иметь дела уже очень давно.
Главный теоретический вывод, сделанный авторами из изучения «отважного странника», состоит в том, что вся биологическая составляющая простой экосистемы, как выяснилось, может быть закодирована в одном-единственном геноме.
Источник: Chivian D. et al. Environmental Genomics Reveals a Single-Species Ecosystem Deep Within Earth // Science. 2008. V. 322. P. 275–278.
Источник: elementy.ru