1149
Уявіть собі окріп, змішаний з кислотою та важкими металами. Здається, там не може жити майже нічого. Але в гарячих джерелах Єллоустоунського національного парку саме в таких умовах процвітають давні одноклітинні червоні водорості, які не просто виживають, а фактично керують усією мікроскопічною екосистемою навколо. Про це розповідає огляд досліджень, описаний у матеріалі Newswise Science News.
Що відомо коротко
- Давні червоні водорості Cyanidiophyceae живуть у гарячих, кислих джерелах і формують основу цілих мікробних спільнот.
- Ці водорості виникли приблизно 1,2 мільярда років тому і з того часу пристосувалися до тепла, кислотності та токсичних металів.
- Через фотосинтез вони виділяють органічний вуглець, яким живляться навколишні бактерії та археї, тобто фактично «годують» екосистему.
- Генетичний аналіз показує, що водорості «позичали» гени у бактерій та архей через горизонтальний перенос генів, що допомогло їм витримувати екстремальні умови.
- Їхні ферменти, здатні працювати при високій температурі, кислотності та в присутності металів, можуть стати корисними для очищення довкілля та промислових процесів.
Як «червоні» водорості керують життям у киплячих джерелах
У центрі цих досліджень — роль водоростей як первинних продуцентів. Це організми, які за допомогою світла створюють органічну речовину, на якій тримається вся екосистема. У гарячих джерелах Єллоустоуна саме Cyanidiophyceae виконують цю роль.
Вони працюють як маленькі сонячні електростанції: вдень, завдяки фотосинтезу, перетворюють вуглекислий газ на органічні сполуки та «викидають» у воду імпульси вуглецю. На ці імпульси реагують бактерії та археї — одноклітинні організми, схожі на бактерії, але з окремої гілки життя. Їхня активність зростає і падає разом із тим, як змінюється фотосинтез водоростей протягом доби.
Виходить, що навіть у такому пекельному середовищі діє знайоме правило: є хтось, хто виробляє їжу, і є ті, хто її споживає. Тільки замість лісу чи океану — вузький струмок окропу, а замість дерев — крихітні клітини водоростей.
Єллоустоун як лабораторія екстремального життя
Команда еволюційного біолога Дебашіша Бгаттачарʼї (Debashish Bhattacharya) з Ратгерського університету вивчає ці водорості в гарячих джерелах Єллоустоуна, зокрема в місцях на кшталт Lemonade Creek. Вода, що виходить із гейзерів, спочатку надто гаряча навіть для Cyanidiophyceae. Але коли вона остигає до приблизно 36–50 °C, саме ці водорості стають домінуючою формою життя.
Попри назву, ці «червоні» водорості на вигляд не червоні. Їхні предки втратили пігмент фікоеритрин, який надає багатьом червоним водоростям характерного кольору. Залишився зелений колір хлорофілу, тому вони більше схожі на зелені плями, ніж на щось «червоне».
Дослідники виявили, що навіть серед Cyanidiophyceae є розподіл «обовʼязків» у часі. Вид Cyanidioschyzon merolae особливо активний удень: інтенсивно фотосинтезує та виробляє багаті на вуглець сполуки, якими живляться сусідні мікроорганізми. Натомість Galdieria yellowstonensis менше фотосинтезує в пікові години освітлення, зате активізується вночі, споживаючи вже наявний у середовищі вуглець.
У поточних дослідженнях команда Бгаттачарʼї відстежує активність генів мікроорганізмів протягом доби. Частина бактерій чітко «йде в ногу» з фотосинтезом водоростей, інші ж активніші після заходу сонця. Це показує, що водорості задають ритм усьому мікросвіту навколо.
Прихована різноманітність на відстані кількох сантиметрів
Гарячі джерела Єллоустоуна демонструють ще один дивовижний ефект: життя може дуже швидко пристосовуватися навіть на мікроскопічних відстанях. Температура, кислотність, вологість, освітлення та концентрація металів можуть різко змінюватися всього через кілька сантиметрів — між струмком, прилеглим ґрунтом і порами у вулканічній породі.
Кожен із цих мікросередовищ підтримує свою унікальну спільноту водоростей, бактерій і вірусів. Дослідники називають це «прихованою біорізноманітністю»: різні світи, що існують буквально поруч один з одним.
Генетичний аналіз показав, що навіть популяції однієї й тієї ж видимої форми водоростей починають відрізнятися в послідовності ДНК, якщо одні живуть у воді, а інші — у сусідньому ґрунті. Це наочний приклад того, як локальні умови можуть штовхати еволюцію навіть на дуже малих відстанях.
Як водорості «крадуть» гени і виживають у металах та кислоті
Ще один ключ до успіху Cyanidiophyceae — їхня незвична генетична історія. Дослідження Бгаттачарʼї та інших учених показали, що ці водорості отримали частину своїх генів від бактерій та архей через горизонтальний перенос генів. Це процес, коли генетичний матеріал переходить між неспорідненими організмами, ніби хтось «позичає» корисну інструкцію в сусіда.
Бгаттачарʼя описує це як «крадіжку» корисних генів у мікробів, що живуть поруч. Такі запозичені гени допомогли водоростям витримувати кислотність, використовувати нові джерела вуглецю та переживати контакт із токсичними металами.
В окремій роботі вчені запропонували Інтегровану модель горизонтального переносу генів. Вона припускає, що спільне використання ресурсів і функцій виживання в мікробних спільнотах впливає на те, як еволюціонують «позичені» гени. Це може пояснити, як клітини набували нових можливостей, зберігаючи при цьому невеликі й ефективні геноми.
На прикладі мишʼяку та ртуті дослідники показали дві різні стратегії виживання. Для мишʼяку, за даними з Єллоустоуна, різні організми виконують різні етапи його знешкодження — це ніби «командна робота» всієї спільноти. Натомість ртуть настільки токсична, що покладатися на сусідів небезпечно: окремі бактерії та водорості змушені мати власні гени для перетворення ртуті на менш шкідку форму.
Сексуальне життя екстремальних водоростей
Протягом більш ніж століття вважалося, що Cyanidiophyceae розмножуються лише шляхом простого поділу клітини — мітозу, тобто просто «копіюють» себе. Однак інші дослідження, підсумовані в огляді в журналі New Phytologist, показали, що в цих водоростей є й статевий життєвий цикл.
Вони можуть перемикатися між формами з різною кількістю наборів хромосом. Зараз учені намагаються зʼясувати, які саме умови середовища запускають таку зміну. Це важливо для розуміння того, як навіть найпростіші організми використовують статевий процес для підвищення різноманітності та пристосованості.
Від гарячих джерел до очищення довкілля
Сьогодні команда Бгаттачарʼї досліджує, чи містять ці водорості та їхні мікробні партнери ферменти, здатні працювати в умовах екстремального тепла, кислотності та високих концентрацій металів. Такі ферменти можуть стати цінними інструментами для очищення забруднених територій, очищення стічних вод або для промислових процесів, де звичайні білки руйнуються.
Однак, за словами дослідників, спершу потрібно глибоко зрозуміти, як ці водорості ростуть, розмножуються та взаємодіють із сусідніми мікроорганізмами. Лише тоді можна буде обережно й відповідально використовувати їхні незвичайні можливості на практиці.
FAQ
Ці водорості — «живі викопні» чи модель раннього життя на Землі?
Cyanidiophyceae виникли приблизно 1,2 мільярда років тому, тобто значно пізніше за перші клітини на планеті. Вони не є прямими представниками найдавнішого життя, але спосіб, у який вони підтримують мікробні спільноти в гарячих джерелах, може нагадувати роботу ще старіших екосистем, де роль первинних продуцентів виконували бактерії.
Чому вчені так зацікавлені в ферментах цих водоростей?
Ферменти більшості організмів руйнуються при високій температурі, сильній кислотності або в присутності токсичних металів. У Cyanidiophyceae ферменти еволюціонували так, щоб працювати саме в таких умовах. Це робить їх потенційно корисними для технологій, де потрібна стабільність у «екстремальних» середовищах, наприклад у промислових реакторах чи під час очищення забрудненої води.
Чим горизонтальний перенос генів відрізняється від звичайної спадковості?
У звичайній спадковості гени передаються «зверху вниз» — від батьків до нащадків. Горизонтальний перенос генів працює «по горизонталі»: організм може отримати ген від зовсім іншого, неспорідненого виду. Для Cyanidiophyceae це означало можливість швидко набути корисні властивості, наприклад стійкість до кислотності чи металів, не чекаючи повільних випадкових мутацій.
Чи можна вже зараз використовувати ці водорості для очищення довкілля?
Поки що це переважно фундаментальні дослідження, які описують, як водорості живуть і взаємодіють з іншими мікроорганізмами. Ідеї щодо застосування їхніх ферментів у очищенні забруднень або промисловості поки залишаються перспективою на майбутнє. Щоб перейти до практики, потрібно ще краще зрозуміти їхню біологію та безпечно інтегрувати такі системи в технологічні процеси.
Те, що виглядає як мертве кипляче болото, насправді виявляється складним, керованим «зеленими мікростанціями» світом — і цей світ показує, як життя не лише витримує екстремальні умови, а й перетворює їх на ресурс. Спостерігаючи за давніми червоними водоростями в Єллоустоуні, ми отримуємо підказки не тільки про минуле еволюції, а й про те, як у майбутньому можна буде використовувати найвитриваліші форми життя для захисту планети.
Давні «червоні» водорості керують екосистемами киплячих джерел з’явилася спочатку на Цікавості.
