Als er als gevolg van een wereldwijde ramp geen zuurstof meer aanwezig is in de atmosfeer van de aarde, dan is een van de weinige overlevende organismen Escherichia coli. De belangrijkste troef is het vermogen om alles en overal te ademen: aan de oppervlakte, in de grond, in de menselijke maag, en niet noodzakelijk met zuurstof. Samen met E. coli zullen honderden soorten oude wezens op de planeet achterblijven, die zwavel, ijzer, uranium en zelfs arseen kunnen ademen.
Vergiftigde lucht
In 2010 ontdekte Felisa Wolf-Simon, een onderzoeker bij de afdeling Astrobiologie van NASA, tijdens het bestuderen van het zoute California Mono Lake, ongebruikelijke bacteriën. Ze leefden in water, waar de concentratie alkaliën 80 keer hoger was dan de overeenkomstige indicator in de oceaan. Microben gebruikten arseen voor de ademhaling, een
In het laboratorium werd de vondst, de "stam GFAJ-1" genaamd, geplaatst in een voedingsoplossing met een normaal gehalte aan suikers en vitamines, maar volledig vrij van fosfaten - verbindingen waarin fosfor uit het milieu komt. In plaats daarvan werden micro-organismen beplant met arsenaten (arseenverbindingen).
Het bleek dat bacteriën in een fosforvrije omgeving niet alleen arseen ademen, maar ook weten hoe ze het in plaats van fosfor in DNA- en RNA-moleculen kunnen inbouwen. In termen van chemische eigenschappen zijn deze elementen vergelijkbaar - enzymen in de cel kunnen fosfaat niet van arsenaat onderscheiden, en dit gebeurt vrij vaak. Het is waar dat zo'n vervanging meestal eindigt met de dood en verstening van bacteriën, maar niet in het geval van de GFAJ-1-stam.
“Anaërobe micro-organismen (die geen zuurstof nodig hebben voor het leven of dodelijk zijn. - Vert.) Zijn in staat arseen te verminderen door het in de ademhaling te gebruiken als een elektronenacceptor. Ook kunnen anaëroben sulfaten, ijzer, mangaan, uranium, selenium en nitraten ademen. We hebben het alleen over microben die geen geformaliseerde kern hebben - prokaryoten, inclusief bacteriën en archaea. Er zijn schimmels die anaëroob groeien, maar dit is zeldzaam, en onder eukaryoten (organismen met een gevormde kern) is dit eerder uitzondering dan regel”, zegt Olga Karnachuk, hoofd van de afdeling Plantenfysiologie en Biotechnologie aan het Biologisch Instituut van Tomsk State University, aan RIA Novosti.
Aan de linkerkant - Felisa Wolf-Simon, die micro-organismen ontdekte die fosfor gebruiken als bouwmateriaal voor cellen. Aan de rechterkant - bacteriestam GFAJ-1 in een voedingsoplossing met vitamines, suikers en arsenaten.
Promotie video:
Oud en vasthoudend
Meer dan drie miljard jaar geleden voedden de eerste levende organismen op aarde zich met waterstof- en zwavelmoleculen.
“De oudste anaërobe ademhaling is zwavelzuur. Zwavel kwam, net als moleculaire waterstof, uit vulkanen. Dit type metabolisme werd gebruikt toen al het leven alleen uit bacteriën en archaea bestond,”zegt Olga Karnachuk.
Met het verschijnen van cyanobacteriën, waarvan het metabolische product zuurstof was, begon de samenstelling van de atmosfeer van de aarde geleidelijk te veranderen. Ongeveer 850-600 miljoen jaar geleden was er al veel O2 in de lucht. Voor oude micro-organismen betekende dit een ramp: zuurstof is voor hen net zo giftig als chloorgas voor mensen. Daarom stierven sommigen uit, anderen (de zogenaamde obligate anaëroben) vluchtten naar anoxische plaatsen - bijvoorbeeld ondergronds. Er waren ook mensen die zich wisten aan te passen en leerden giftig gas te neutraliseren.
Na verloop van tijd hebben sommige micro-organismen het "begrepen": zuurstof is een sterke elektronenacceptor en door er organische moleculen mee te oxideren kun je veel energie krijgen die nodig is voor leven. Dit betekent dat de grootte van de cel toeneemt, daarom wordt er meer DNA in geplaatst en wordt de structuur complexer - dit is hoe er een kans is om meercellig te worden.
Dieren die niet kunnen ademen
“Planten, dieren, mensen - iedereen ademt zuurstof in. Dit is de meest effectieve manier om energie te verkrijgen, dus toen aërobe ademhaling verscheen, opende het vooruitzicht voor levende organismen om hogere vormen te vormen, inclusief mensen. Anaërobe microben kunnen ook evolueren, maar in een andere richting. Velen van hen namen het pad van het combineren van de twee soorten ademhaling. E. coli (Escherichia coli) ademt bijvoorbeeld zuurstof, en wanneer het het menselijk lichaam binnenkomt (in een anaërobe omgeving) - nitraten. Als de omstandigheden helemaal slecht zijn, kan de bacterie helemaal niet ademen, hij dwaalt af - dit is een heel ander type metabolisme. Er zijn praktisch geen dergelijke opportunisten onder de hogere vormen”, merkt de expert op.
Er is echter één uitzondering: de naakte molrat. Dit zoogdier, dat in ondergrondse holen leeft, kost uren op een zeer laag zuurstofniveau en volledig zonder lucht zal het wel 18 minuten duren (ter vergelijking: menselijke hersendood vindt gemiddeld na vijf minuten plaats in een zuurstofvrije omgeving).
Wanneer er weinig O2 in de lucht zit, schakelt de naakte molrat over op anaërobe afbraak van fructose - vanwege het feit dat GLUT5-kanalen, die verantwoordelijk zijn voor de afgifte van fructose in het bloed, in verschillende weefsels worden gesynthetiseerd. Bij andere zoogdieren worden ze alleen in de darmen geproduceerd.
Naakte molrat - het enige zoogdier dat in staat is tot anaërobe afbraak van fructose.
Om een persoon te helpen
"Er zijn veel organismen op aarde die zonder zuurstof kunnen, omdat er gemakkelijk anaërobe omstandigheden ontstaan - bijvoorbeeld in een bloempot, composthoop of kustsediment, zelfs in ons eigen lichaam", vervolgt de onderzoeker.
Hoewel sommige anaëroben een ernstige infectie veroorzaken wanneer ze worden neergeschoten of gestoken, hebben de meeste voordelen voor mensen. Wetenschappers van de Universiteit van Californië in San Diego leerden bijvoorbeeld de bacterie Salmonella enterica om kankertumoren te vernietigen: sommige salmonella synthetiseerden een toxine dat gaten maakt in de membranen van kankercellen, het tweede een speciaal eiwit dat het immuunsysteem activeert, en weer anderen produceerden een molecuul dat een zelfvernietigingsprogramma in kankercellen op gang brengt.
Methanogene archaea worden gebruikt bij de productie van biogas uit gewoon huishoudelijk afval en sulfaatreducerende groepen kunnen afvalwater zuiveren van vervuiling.
“Tegenwoordig worden veel mijnen gesloten vanwege de hoge concentratie sulfaat. Bij het winnen van steenkool ontstaat een grote hoeveelheid afvalwater dat na zuivering in rivieren terechtkomt. Als sulfaten niet worden verwijderd, kunnen vissen en andere aquatische biota in de winter worden gedood. We zuiveren mijnafvalwater van deze schadelijke stoffen met behulp van micro-organismen die in ons laboratorium worden gekweekt. We creëren condities in mijnen zodat sulfaatademhaling daar mogelijk is en al het sulfaat wordt verwijderd met behulp van bacteriën. Deze technologie wordt al in de praktijk toegepast in de UK, USA, Duitsland. We creëren nu net biotechnologie die kan werken in de klimatologische omstandigheden van Rusland met lage gemiddelde jaartemperaturen”, besluit de expert.
Alfiya Enikeeva