Ученые обнаружили, что сотни видов бактерий в мерзлых почвах Восточной Антарктиды используют водород для получения воды.
Люди только недавно задумались об использовании водорода в качестве источника энергии, но бактерии в Антарктиде делают это уже миллиард лет. Мы изучили 451 вид бактерий из замерзшей почвы в Восточной Антарктиде и обнаружили, что большинство из них живут, используя водород из воздуха в качестве топлива. С помощью генетического анализа мы также обнаружили, что эти бактерии разделились со своими родственниками на других континентах примерно миллиард лет назад.
Эти невероятные микроорганизмы происходят из свободных ото льда пустынных почв к северу от ледника Маккей в Восточной Антарктиде. Немногие высшие растения или животные могут процветать в этой среде, где мало доступной воды, температура ниже нуля, а полярная зима - кромешная тьма. Несмотря на суровые условия, микроорганизмы процветают. В одном грамме почвы можно обнаружить сотни видов бактерий и миллионы клеток, что создает уникальную и разнообразную экосистему.
Как микробные сообщества выживают в таких суровых условиях? Мы обнаружили, что более четверти этих антарктических почвенных бактерий вырабатывают фермент RuBisCO, который позволяет растениям использовать солнечный свет для захвата углекислого газа из воздуха и преобразования его в биомассу. Этот процесс, фотосинтез, производит большую часть органического углерода на Земле. Однако мы обнаружили, что более 99% бактерий, содержащих RuBisCO, не способны улавливать солнечный свет. Вместо этого они осуществляют процесс, называемый хемосинтезом.
Вместо того чтобы полагаться на солнечный свет для преобразования углекислого газа в биомассу, они используют неорганические соединения, такие как водород, метан и окись углерода. Где бактерии находят эти богатые энергией соединения? Хотите верьте, хотите нет, но самый надежный источник - это воздух! В воздухе содержится большое количество азота, кислорода и углекислого газа, а также следовые количества источников энергии - водорода, метана и оксида углерода. Только они содержатся в воздухе в очень низких концентрациях, но воздуха так много, что он обеспечивает практически неограниченный запас этих молекул для организмов, которые могут их использовать. И многие могут. Около 1% бактерий антарктической почвы могут использовать метан, а около 30% - угарный газ.
Что еще более примечательно, наши исследования показывают, что 90% бактерий антарктической почвы могут добывать водород из воздуха. Бактерии получают энергию из водорода, метана и углерода, соединяя их с кислородом в ходе химического процесса, который напоминает очень медленное горение. Наши эксперименты показали, что бактерии потребляют атмосферный водород даже при температуре -20°C, причем они могут потреблять его достаточно, чтобы покрыть все свои энергетические потребности.
Более того, водород может питать хемосинтез, который может обеспечить достаточное количество органического углерода для поддержания жизнедеятельности всего сообщества. Другие бактерии могут получать этот углерод, "поедая" своих соседей, питающихся водородом, или богатую углеродом слизь, которую они производят.
Когда вы сжигаете водород или когда бактерии получают из него энергию, единственным побочным продуктом является вода. Получение воды - важный бонус для антарктических бактерий. Они живут в гиперзасушливой пустыне, где вода недоступна, поскольку окружающий лед почти постоянно заморожен, а любая влага в почве быстро поглощается сухим холодным воздухом. Таким образом, способность генерировать воду из "разреженного воздуха" может объяснить, как эти бактерии смогли существовать в этой среде в течение миллионов лет. По нашим расчетам, скорость производства воды с помощью водорода достаточна для регидратации всей антарктической популяции в течение всего двух недель. Применяя "водородную экономику", эти бактерии удовлетворяют свои потребности в энергии, биомассе и гидратации. Убивают трех зайцев одним выстрелом.
Минималистский водородно-зависимый образ жизни антарктических почвенных бактерий пересматривает наше понимание того, что является самым минимальным, что необходимо для жизни на Земле. Это также позволяет по-новому взглянуть на поиски внеземной жизни.
Водород - самый распространенный элемент во Вселенной, составляющий почти три четверти всей материи. Он является основным компонентом атмосферы некоторых планет, таких как HD 189733b, которая вращается вокруг звезды на расстоянии 64,5 световых лет от Земли. Если бы жизнь существовала на такой планете, где условия могут быть не такими гостеприимными, как на большей части Земли, потребление водорода могло бы стать самой простой и надежной стратегией выживания.
"Следуй за водой" - это мантра для поиска внеземной жизни. Но если учесть, что бактерии могут буквально делать воду из воздуха, возможно, ключ к поиску жизни за пределами Земли - это "следовать за водородом".
