До 1970-х годов любой новый обнаруженный вид считался либо эукариотическим, либо прокариотическим, в зависимости от того, как он выглядел под микроскопом.
Все изменилось в 1977 году, когда Карл Вуз разработал метод классификации организмов на основе их сиквенсов и "случайно" открыл новое царство жизни под названием археи. По своей морфологии археи очень похожи на крошечные бактерии и не имеют ядра. Однако по своему генетическому и биохимическому строению они более близки к эукариотам. Метаногенные археи, или метаногены, в последнее время привлекли к себе значительное внимание в связи с их критической ролью в глобальном углеродном цикле из-за их уникальной способности производить мощный парниковый газ метан.
Метаногены - единственные известные организмы, способные производить метан, причем делают это в строго анаэробных условиях. Их среда обитания варьирует от глубоководных гидротермальных источников в Тихом океане до гиперсоленых содовых озер в Сибири, и до рубца коров. Самый высокий зарегистрированный рост концентрации метана в атмосфере произошел в 2021 году и составил 1 895,7 частей на миллиард (ppb). Антропогенная деятельность, такая как нефте- и газодобыча и производство ископаемого топлива, является лишь одной частью проблемы, связанной с выбросами метана.
По данным Глобального углеродного проекта, водно-болотные угодья и другие природные источники метаногенов способствовали выбросу ~0,2 Гт метана в год в течение 2008-2017 годов. Сельскохозяйственная деятельность, например, выпас скота, способствовала выбросу еще ~0,2 Гт метана в год в течение этого периода, поскольку метаногены присутствуют в рубце многих сельскохозяйственных животных, включая коров и овец.
Цикл метана. Сжигание ископаемого топлива, свалки, разложение растений в болотах, таяние вечной мерзлоты, пищеварительные процессы у термитов и животных.
Атмосферный метан играет важную роль в глобальном потеплении, поскольку в течение 100 лет он удерживает тепло в 30 раз эффективнее, чем углекислый газ, другой основной парниковый газ. Он еще больше ухудшает климат, когда окисляется до CO2. Тревожные темпы выброса метана требуют понимания биогеографии метаногенов и их различных способов производства метана.
Метаногенез или производство метана основывается на таких субстратах, как CO2/H2, формиат, ацетат, метанол, метилсульфиды и метиламины. Эти субстраты образуются в основном при разложении органических веществ различными бактериями и грибами, присутствующими в окружающих микробных сообществах. Метаногенез происходит в отсутствие кислорода и других акцепторов электронов, таких как нитрат, сульфат и железо. Производство метана, в свою очередь, высвобождает АТФ для различных клеточных процессов. Ключевым ферментом в метаногенезе является комплекс метил-коэнзим М редуктазы (Mcr), который катализирует заключительный этап восстановления метил-коэнзима М до метана.
Непринятие мер по борьбе с производством метана может иметь серьезные последствия для окружающей среды, изменяя глобальный климат. Существует предположение, что метаногенез способствовал крупнейшему вымиранию в истории Земли - пермскому вымиранию около 250 миллионов лет назад. Согласно этой теории, произошел горизонтальный перенос генов от бактерий, разлагающих целлюлозу, таких как Clostridia, к метаногену Methanosarcina. В результате этого Methanosarcina приобрели способность использовать ацетат в качестве субстрата для производства метана. Метаногенез через потребление ацетата более эффективен, чем гидрогенотрофный метаногенез. Это, вероятно, позволило метаногенам потреблять огромное количество органических веществ в морских отложениях, что привело к резкому росту атмосферного метана и к гибели ~90% видов на планете.
Сельское хозяйство является важным источником дохода как в развивающихся, так и в развитых странах, однако многие виды сельскохозяйственной деятельности обходятся климату недешево. Животноводство, рисовые поля и навоз являются одними из основных источников выбросов метана. Среди животных жвачные животные вносят основной вклад в изменение климата. Это связано с тем, что в их отрыжке содержится огромное количество метана. Фактически, крупный рогатый скот является одной из основных причин выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве.
Одна корова может производить ~150-500 г метана в день, в зависимости от породы.
Жвачные животные отличаются от других животных тем, что имеют специализированную пищеварительную систему, состоящую из желудка с 4 отделениями вместо 1. Рубец, самое большое отделение в желудке, является центром переваривания корма микробами, включая бактерии и грибки. В результате энтеральной ферментации корма образуются водород и углекислый газ, которые используются метаногенами, присутствующими в рубце, для производства метана. Затем парниковый газ отрыгивается из рубца в атмосферу через пищевод.
Ученые работают по нескольким направлениям, чтобы сократить выбросы метана домашним скотом. Один из подходов заключается в изменении их рациона. Корм с большим содержанием клетчатки подвергается большей степени ферментации, что приводит к большему выделению водорода и углекислого газа. Это, в свою очередь, приводит к образованию большего количества метана. Кормление скота кукурузой вместо травы может снизить выбросы метана, но при этом необходимо следить за благополучием скота, поскольку кукуруза не так питательна для него, как трава.
Ученые также показали, что добавление в корм мясного скота морской капусты Asparagopsis taxiformis снижает производство метана в кишечнике на ~70-80% без потери питательных свойств корма. Морские водоросли содержат галогенизированные соединения под общим названием бромоформ, которые являются структурными аналогами метана. Бромоформ ингибирует производство метана, блокируя последний этап переноса метила комплексом Mcr. Однако на пути этого подхода есть несколько препятствий. Для того чтобы эта стратегия действительно принесла пользу, морские водоросли должны производиться в больших масштабах, что сопряжено с экологическими проблемами, связанными с выращиванием морских водорослей в океане, включая сокращение естественных морских водорослей и разрушение среды обитания близлежащей морской флоры и фауны. Бромоформ и другие галогенизированные соединения, присутствующие в морских водорослях, также могут быть токсичными для животных и людей, поэтому их дозировка в кормах для скота должна быть строго регламентирована.
Метаногены оказывают прямое воздействие на климат, выделяя метан, потенциал глобального потепления которого в ~30 раз больше, чем у углекислого газа за 100-летний период. Обратное воздействие также имеет место. Повышение глобальной температуры также увеличивает активность и численность метаногенов в различных условиях окружающей среды. Это создает петлю положительной обратной связи, конечный результат которой негативно влияет на все формы жизни на планете.
Тревожным свидетельством этих изменений является таяние вечной мерзлоты. По мере повышения глобальной температуры слои вечной мерзлоты тают во многих арктических регионах, включая Аляску и Сибирь. Регионы вечной мерзлоты являются хранилищем органических веществ почвы. По мере оттаивания вечной мерзлоты органические вещества становятся доступными для разложения микробами, в том числе метаногенами, которые выделяют метан. В 2014 году ученые показали, что оттаивание вечной мерзлоты на севере Швеции привело к выбросам метана, количество которого зависело от особенностей ландшафта. В первые месяцы оттаивания в болотах преобладают гидрогенотрофные метаногены, которые для производства метана используют водород и углекислый газ. Позже, на полностью оттаявших болотах, разнообразие метаногенов увеличивается, и доминируют ацетокластические метаногены, которые для производства метана используют ацетат. Ацетокластический метаногенез более эффективен в производстве метана и приводит к увеличению концентрации метана в атмосфере. Таким образом, важно изучить изменения в микробной экологии, которые определяют глобальные изменения в круговороте метана.
Концентрация метана в атмосфере в ~4000 раз меньше, чем углекислого газа, но его потенциал глобального потепления в ~30 раз больше. Метаногенные археи - единственные известные микроорганизмы, производящие метан, и эти микроорганизмы могут обитать в экстремальных условиях окружающей среды. Метаногены в сельскохозяйственной деятельности, включая животноводство, рисоводство и использование навоза, выделяют значительное количество метана. В связи с тем, что метан может значительно усилить глобальное потепление, в докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) от 2021 года подчеркиваются преимущества сокращения выбросов метана, которые способствовали повышению температуры на ~0, 5 °С с доиндустриальных времен. Некоторые из описанных мер по снижению выбросов метана направлены на улучшение управления водными ресурсами на рисовых полях, улучшение кормления скота, а также изменение рациона питания в сторону отказа от продуктов животноводства.
В других начинаниях используется способность метаногенов разлагать органические вещества при очистке сточных вод, а также предпринимаются усилия по улавливанию метана, выделяющегося в процессе, для использования в качестве топлива. Принятие мер по контролю выбросов метана из природных и антропогенных источников может снизить повышение глобальной температуры на 0,25 °C к 2050 году и на 0,5 °C к 2100 году.
