Йеллоустоунский котел эволюции: Термофилы раскрывают секреты кислородного дыхания

Результаты комплексного исследования, проведенного учеными Университета штата Монтана, указывают на то, что микробные сообщества, процветающие в геотермальных источниках Нижнего гейзерного бассейна Йеллоустоунского национального парка, представляют собой ценную модель для понимания эволюционных процессов, связанных с использованием кислорода живыми организмами.

В ходе исследования были изучены микробные сообщества, населяющие источники Осьминог (Octopus Spring) и Раковин (Conch Spring), характеризующиеся формированием студенистых структур, известных как стримеры, в потоках термальной воды с температурой, достигающей 88C (190F). Филогенетический анализ показал, что данные микроорганизмы генетически близки к древним бактериям и археям, что позволяет рассматривать их как своеобразное “окно” в условия, существовавшие на ранних этапах развития жизни на Земле. Несмотря на общее происхождение, геохимические характеристики источников существенно различаются.

В частности, источник Осьминога отличается значительно более высоким содержанием растворенного кислорода (порядка 20 микромолей), в то время как в источнике Раковин концентрация кислорода не превышает 1 микромоля. При этом, содержание растворенного сульфида, обладающего высокой токсичностью, в источнике Раковин существенно выше (более 120 микромолей) по сравнению с источником Осьминога (2-3 микромоля). Наличие значительных различий в концентрации кислорода и сульфида между данными источниками делает сопоставление населяющих их микробных сообществ особенно ценным для реконструкции условий, существовавших до и во время Великого события окисления (Great Oxidation Event, GOE), произошедшего приблизительно 2,5 миллиарда лет назад и сопровождавшегося резким увеличением концентрации кислорода в атмосфере Земли.

До GOE атмосфера планеты характеризовалась крайне низким содержанием кислорода, что вынуждало живые организмы адаптироваться к использованию минимальных концентраций данного элемента. Появление молекулярного кислорода в значительных количествах потребовало развития принципиально новых механизмов защиты и утилизации кислорода. Кроме того, следует учитывать, что высокие концентрации сульфидов способны ингибировать дыхательные процессы у современных аэробных организмов, что ставит вопрос о том, каким образом древние термофильные микроорганизмы смогли адаптироваться к одновременному увеличению концентрации кислорода и сохранению высоких концентраций сульфидов в окружающей среде.

Различия в уровнях кислорода и сульфидов в источниках Осьминог и Раковин позволяют рассматривать их как примеры сред, моделирующих условия, существовавшие по обе стороны GOE, что делает их идеальным объектом для поиска биохимических и генетических механизмов, обеспечивших адаптацию жизни к этому ключевому этапу в истории Земли. Исследование проводилось под руководством геомикробиолога Билла Инскипа, ведущего исследования термофильных микроорганизмов Йеллоустоунского национального парка с 1999 года. Согласно заявлению Инскипа, воссоздание в лабораторных условиях геохимических параметров, характерных для данных источников, представляет собой чрезвычайно сложную задачу. “Именно поэтому изучение подобных природных сред является столь ценным”, - отмечает Инскип. “Мы имеем возможность проводить наблюдения в тех геохимических условиях, которые необходимы для процветания этих организмов”.

На основе анализа геномных данных и продуктов метаболизма микробных сообществ, исследователи провели сравнительный анализ микробного разнообразия и дыхательной активности в обоих источниках. Результаты анализа показали, что в источнике Осьминога, характеризующемся высоким содержанием кислорода, наблюдается повышенное разнообразие аэробных микроорганизмов, получающих энергию за счет окисления органических и неорганических соединений. В целом, микробное сообщество источника Осьминога демонстрировало более высокую степень разнообразия, при этом практически все микроорганизмы обладали активными генами, кодирующими ферменты, необходимые для осуществления аэробного дыхания.

Вместе с тем, в источнике Раковин, отличающемся низким содержанием кислорода и высоким содержанием сульфидов, несмотря на ограниченное микробное разнообразие и наличие характерных “стримеров”, также была выявлена способность к использованию кислорода. В частности, среди доминирующих популяций были идентифицированы различные ферменты, катализирующие реакции восстановления кислорода. Важно отметить, что ферменты с наиболее высоким сродством к кислороду экспрессировались преимущественно в источнике Раковин, характеризующемся высокой концентрацией сульфидов.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что генетически древние термофильные микроорганизмы способны осуществлять дыхание в условиях крайне низких концентраций кислорода и повышенной концентрации токсичных сульфидов. Данный факт позволяет выдвинуть гипотезу о том, что подобные механизмы могли быть присущи и формам жизни, существовавшим до Великого события окисления, что может потребовать пересмотра существующих представлений об эволюции кислородного метаболизма на ранних этапах развития жизни на Земле.