Интеллектуальные беседы на тему биологии, нейробиологии, генетики
Ответить
Сухарев
Участник
Баланс:1109
 
Сообщения: 93
Регистрация: 11.11.2019

Микробы-зомби и границы энергии жизни

Сухарев » 06.09.2020 09:08

+
4
-
Оказалось, что обитатели обширного древнего биома под морским дном используют такое количество энергии, которого едва хватает, чтобы выжить. Это делает шире наше представление о том, как может выглядеть жизнь.

Изображение


Без энергии наша планета была бы неподвижной; энергия — это валюта, благодаря которой все живые существа могут расти, развиваться и функционировать. Но какова минимальная энергия, необходимая клеткам для выживания? Изучение живущих в морских донных отложениях микробов, разнообразие которых, возможно, больше, чем тех, что обнаружены в самих морях и океанах, даёт ряд неожиданных ответов. Эти организмы не только бросают вызов устоявшимся научным представлениям о потреблении жизненно важной энергии, но и наводят на мысль, что пришло время по-новому определить, что такое жизнь и где она возможна.

Недавно в журнале Science Advances команда исследователей опубликовала статью, в которой дала картину странной биосферы, скрывающейся под морским дном. Научные экспедиции, то и дело предпринимаемые для изучения этих тёмных глубин, проводят бурение океанского дна и находят клетки, способные выживать почти в состоянии анабиоза, ибо потребляют энергии на порядки меньше, чем те, что находятся на поверхности океанов. Однако, согласно модели, представленной в новом исследовании, это состояние, заставляющее вспомнить про зомби, отнюдь не редкость: по-видимому, оно является обычным для подавляющего большинства микробов, обитающих в океанических отложениях. В таком случае, энергетический бюджет этих организмов приближается к необходимому для жизни теоретически рассчитанному минимуму.

«В распоряжении всей этой биосферы клеток, эквивалентной по размеру земной почве, такое количество энергии, какого едва хватает, чтобы выживать», — говорит ведущий автор исследования Джеймс Брэдли, геобиолог Лондонского университета королевы Марии.

Для изучения микробов, обитающих в донных отложениях, нужны образцы, и, чтобы добыть эти образцы, обычно приходится проводить сложные и дорогие буровые экспедиции. К тому же, океанами покрыто 70% земной поверхности. «Мы очень быстро пришли к выводу, что нам не следует стремиться к тому, чтобы получить столько образцов, сколько необходимо для картирования морских отложений, (Джан Аменд, директор Центра исследований биосферы тёмной энергии при Университете Южной Калифорнии). Мы решили использовать существующие данные и расширять их, применяя моделирование».

С этой целью Аменд, Брэдли и остальные члены команды разделили океаны на сотни тысяч участков и в каждом из них, используя накопленные за десятилетия данные экспедиций, лабораторных экспериментов и теоретических моделей, экстраполировали подробный профиль сравнительно молодых отложений. При этом учёных интересовали возраст отложений, плотность и распределение в них клеток, способы получения этими клетками энергии и скорость усвоения доступных для клеток питательных веществ.

На основе полученных данных исследователи рассчитали для каждого региона энергопотребление клеток — не просто количество энергии как таковое, а скорость, с которой клетки получают и потребляют энергию. «Это очень важно, поскольку позволяет судить об энергетике жизни более точно, — объясняет Карен Ллойд, микробиолог Университета Теннесси в Ноксвилле, не принимавшая участия в исследовании. — Время, безусловно, весьма значимо для жизни».

Зептоватт жизни

Учёные обнаружили, что клетки, погребённые в океанических отложениях, задействуют невероятно мало энергии. В целом микробы в этих отложениях, обитая кое-где на глубинах, составляющих километры под морским дном, совокупно потребляют лишь десятую долю процента энергии, потребляемой в верхнем 200-метровом слое океана. По словам Ллойд, в среднем каждая клетка, погребённая в отложениях, выживает за счёт энергии, уровень мощности которой значительно ниже потребляемого «некоторыми из тех, кто в наибольшей степени страдает от нехватки энергии», — и на порядки ниже, чем потребляют любые другие организмы, когда-либо изучавшиеся в лабораторных условиях.

Новые данные коррелируют с более ранними — теми, что содержатся в теоретической работе, опубликованной членами команды в 2015 году. Тогда учёные попытались рассчитать минимально необходимое для жизни количество энергии, исходя из предположения, что даже в глубоком анабиозе клетки, чтобы выжить, должны восстанавливать случайные повреждения своих основных молекул. Исследователи обнаружили, что для отдельных клеток этот минимум потребляемой мощности приблизительно составляет 1 зептоватт, или 10−21 ватт — примерно столько, сколько ежедневно необходимо для подъёма одной тысячной крупинки соли на один нанометр. (Для сравнения: человеческое тело, как и настольная лампа, потребляет в среднем около 100 Вт). Согласно новой модели, клеткам, которые живут в донных отложениях, требуется чуть больше зептоватта.

Хотя такого рода измерения проводились и ранее, они имели фрагментарный характер, ибо учёные исследовали лишь отдельные участки морского дна. «Мы бурили в разных местах и извлекли тонну морских отложений, — отмечает Ллойд, — а в этой статье всё сведено воедино и представлено в глобальном виде».

Биосфера статического равновесия

Из данных, полученных в ходе исследования, вытекает, что клетки поддонного биома почти не делятся: некоторым из них, живущим в нижних слоях, может быть 100 миллионов лет. Кроме того, получается, что в течение всего этого времени клетки нижних слоёв, возможно, не развивались и, в сущности, не менялись. Это биосфера статического равновесия. «Фактически, жизнь в большинстве этих клеток еле теплится, — говорит Аменд. — Наши знания о том, как развиваются клетки, совершенно непригодны для этой невероятно большой биосферы».

И всё же эти почти, но не совсем мёртвые клетки в силу своей многочисленности и множества пережитых ими эпох играют важную роль в производстве метана, разложении крупнейших на планете запасов органического углерода и других процессах. «Они необычайно маломощные существа, но их влияние на Землю без всякого преувеличения огромно», — восторгается Ллойд.

В общем, «чтобы жить, много энергии не нужно», добавляет она. А раз так, то возможно, что жизнь существует и в тех мирах, которыми раньше учёные не интересовались, в том числе на планетах, кажущихся негостеприимными для живых существ. Например, очень может быть, что каким-то клеткам удалось выжить в мирах, где когда-то были океаны, а теперь приходится дожидаться лучших времён.

Изображение


Эта модель, дающая исчерпывающую информацию, всё ещё нуждается в доработке: она фокусируется на сравнительно молодых поддонных отложениях, возраст которых составляет около 2,6 миллиона лет. Количество потребляемой микробами энергии в более глубоких отложениях может быть меньше, а в других местах обитания под морским дном, например, в горных породах земной коры, больше.

Допущения, применённые при создании модели, также требуют дополнительных исследований. «Здесь множество деталей, которые стоит проверить», — считает Стив Д’Ондт, океанограф Университета Род-Айленда, не принимавший участия в исследовании. Например, говорит он, некоторые оценки географического распределения аэробного и анаэробного метаболизма, сделанные в новой работе, не полностью совпадают с предыдущими выводами.

Но этого следовало ожидать, добавляет Д’Ондт: модели выявляют закономерности и прогнозируют результаты дальнейшего тестирования. Юки Мороно, микробиолог из Японского агентства морских геологических наук и технологий, обнаружил, что моделирование, проведённое Брэдли и его коллегами, дополняет его собственные выводы о жизни в глубоких отложениях и может способствовать устранению некоторых пробелов.

Выживание на грани возможного

Мороно и Д’Ондт руководили командой учёных, которая две недели назад объявила, что ей удалось пробудить бактерии, спавшие глубоко под морским дном 100 миллионов лет. Исследователи провели кропотливую работу, в результате чего активность большинства спавших клеток заметно выросла, и они вернулись в состояние роста. Однако, при попытке сделать то же самое в предыдущем исследовании, учёные, работая с микробами из более молодых, более богатых питательными веществами отложений, смогли пробудить лишь малую часть — результат парадоксальный, ибо условия обитания этих клеток были, вроде бы, менее суровыми.

Модель, представленная в новой статье Брэдли, позволяет выдвинуть следующее объяснение:

Во время образования 100 миллионов лет назад морских отложений у оказавшихся в них микробов могло быть больше энергии или мощности. Возможно, что начальное состояние, за которым следует быстрое падение уровня энергии, каким-то образом делает долгосрочное выживание клеток, оказавшихся погребёнными глубже, более вероятным.

«Где границы жизни? Что нужно, чтобы там была жизнь? — говорит Ллойд. — Выходит, не очень-то много».

https://www.quantamagazine.org/zombie-m ... s-20200812
https://22century.ru/popular-science-pu ... e-microbes
Поделиться:

Теги:

Аватара пользователя
Director
Эксперт
Баланс:6426
 
Сообщения: 451
Регистрация: 20.06.2018

Re: Микробы-зомби и границы энергии жизни

Director » 06.09.2020 10:33

+
3
-
Интересный материал привел коллега Сухарев, но возникает множество вопросов.
Сухарев писал(а):
06.09.2020 09:08
... обитатели обширного древнего биома под морским дном используют такое количество энергии, которого едва хватает, чтобы выжить ... при бурение океанского дна находят клетки, способные выживать почти в состоянии анабиоза, ибо потребляют энергии на порядки меньше, чем те, что находятся на поверхности океанов.

... энергетический бюджет этих организмов приближается к необходимому для жизни теоретически рассчитанному минимуму.
А по какой-такой теории был рассчитан этот самый минимум энергии?

И, главное, какой вид энергии (или виды энергии) брали в расчет? Ведь видов энергии великое множество!

Вот, к примеру, лежат спокойно в земле (или на лабораторном столе) кучка атомов урана. Лежит и выделяет какой-то минимум энергии (тепловой).
А потом кто-то (например, ученые люди) эту кучку слегка перемешали и чуть уплотнили - и откуда ни возьмись появляется ядерный взрыв с выделением огромнейшего количества энергии (тепловой и электромагнитной).

Вопрос: Какая польза нам знать сколько энергии потребляют (или выделяют) атомы урана в спокойном состоянии, при условии что мы даже теоретически не предполагали бы возможность ядерного взрыва?

Возвращаясь к донным бактериям, - так какую именно энергию измеряли ученые?

На картинках статьи указано, что ученые измеряли энергию потребленную одной клеткой в трех метаболических процессах: Аэробного дыхания, Сульфатредукции и Метаногенеза.
(почему нет картинки про Анаэробное дыхание).

А в тексте статьи сказано, что ...в 2015 году ... учёные попытались рассчитать минимально необходимое для жизни количество энергии, исходя из предположения, что даже в глубоком анабиозе клетки, чтобы выжить, должны восстанавливать случайные повреждения своих основных молекул.

Так какая энергия является минимальной для выживания? Та, что нужна для восстановления повреждений, либо та, что нужна для процессов метаногенеза и т.п.?
Если же это один и тот же процесс, тогда так и надо прямо написать.

Как говорит молодежь,"прям бесит" это наукообразное словоблудие.

Единственное место в статье, которое не вызывает вопросов и возражений
... пришло время по-новому определить, что такое жизнь и где она возможна.

Ответить
   ПОМОЩЬ по форуму!