По какъв начин земните микроби оцеляват при 1000 атмосфери и защо са идеални за Европа и Енцелад

Когато говорим за извънземен живот, често си представяме далечни планети, но най-голямото предизвикателство за биологията се намира в дълбоките океани — както земните, така и тези под ледената кора на луните на Юпитер и Сатурн. Но ако се опитаме да оценим разпространението на живота на Земята чрез масата на въглерода, от който са съставени всички живи организми, ще получим картина, много различна от биологията на повърхността, с която сме свикнали. На всички животни на планетата – от сините китове до насекомите – се падат само около два гигатона въглерод. Растенията съставляват най-голямата част от биомасата на повърхността – около 450 гигатона. Колосално количество живот обаче е скрито от очите ни в така наречената дълбока биосфера. На микробите – бактериите и археите, които живеят в океанския стълб, в дънните седименти и дълбоко в земната кора, се падат около 77 гигатона въглерод.

Това е огромна популация от около 1,2 x 10³⁰ клетки. Повечето от тях съществуват в екстремни условия: практически няма хранителни вещества, температурите могат да варират от точката на замръзване до точката на кипене на хидротермалните извори, а основният фактор на средата е съкрушителното хидростатично налягане.

Дълго време се смяташе, че високото налягане е основната пречка за развитието на сложни биологични процеси. Подробните изследвания на дълбоководните екосистеми обаче показаха, че микроорганизмите не само оцеляват при налягане от стотици атмосфери. Много от тях, наречени „пиезофили“, са еволюирали по такъв начин, че високото хидростатично налягане се е превърнало в предпоставка за нормален растеж и функциониране.

Физиката на компресията: защо налягането разрушава клетките

За да се разбере мащабът на еволюционните промени при пиезофилите, е необходимо да се разбере по какъв начин хидростатичното налягане влияе на органичната материя. За разлика от температурата, която влияе на кинетичната енергия на молекулите, налягането влияе на техния обем. Според законите на термодинамиката високото налягане потиска всички химични реакции, които водят до увеличаване на обема на молекулите, и обратно – стимулира процесите, които водят до неговото намаляване.

На първо място, клетъчните мембрани, състоящи се от липиди (мазнини), при силен натиск губят своята флуидност и се втвърдяват, като престават да позволяват навлизането на хранителните вещества и излизането на отпадните продукти. Второ, сложните триизмерни структури на протеините се деформират. Протеините работят само когато са правилно „сгънати“. Натискът разрушава вътрешните им връзки, превръщайки активните молекули в безполезни струпвания. Трето, процесът на клетъчно делене спира, тъй като механизмите, отговорни за удвояването на ДНК и отделянето на мембраните, са физически блокирани.

Дълбоководните микроорганизми обаче са намерили начини да заобиколят всяко от тези физически ограничения, като пренаписват собствената си молекулярна архитектура.

Молекулярно инженерство: как се запазва структурата

Една от основните пречки пред живота под налягане е способността на клетката да се дели. Специален протеин, който се нарича FtsZ, е отговорен за този процес при микроорганизмите. Той образува структурен пръстен в клетката, който постепенно се затяга, разделяйки я на две нови. При обикновените бактерии при високо налягане този протеин губи способността си да образува пръстен.

Изследвайки генома на бактерията Shewanella benthica, която живее на дъното на дълбоководните корита, микробиолозите откриват точкови промени в нейната ДНК. Оказало се, че замяната на само пет аминокиселини в ключовата работна област на протеина FtsZ го прави устойчив на компресията. Тази минимална генетична корекция позволява на механизма за клетъчно делене да работи безпроблемно в условия, при които подобни протеини в повърхностните организми се провалят напълно.

Решаването на проблема с втвърдяването на мембраните изисква промени в химията на самите липиди. За да поддържат клетъчната обвивка пропусклива и гъвкава, дълбоководните бактерии и археи синтезират специални естерни липиди. Изследванията показват, че именно тези химични връзки осигуряват здравината на мембраните дори при едновременното въздействие на два екстремни фактора – огромното хидростатично налягане и високите температури, характерни за зоните на хидротермална активност на океанското дъно.

Реорганизацията на енергийния метаболизъм

Не е достатъчно да се запази физическата структура на клетката, необходимо е да се осигури енергия. Високото налягане принуждава микроорганизмите да променят изцяло своя метаболизъм и начини на дишане.

Така например дълбоководната бактерия Shewanella eurypsychrophilus се адаптира към налягането, като променя енергийния си метаболизъм, за да използва триметиламин-N-оксид (TMAO). За бактерията това съединение действа не само като източник на енергия, но и като вътрешен химически стабилизатор, който предпазва протеините от деформация по време на натиск. Успоредно с това клетката променя профила на синтезираните аминокиселини, като приспособява вътрешната си химия към новите физически реалности.

При други видове адаптацията е отишла още по-далеч – самият натиск е сигнализирал за превключване на гените. При хипертермофилната архея Thermococcus barophilus метаболизмът на сярата и водорода зависи пряко от нивото на хидростатичното налягане. Специални регулаторни протеини откриват промените в налягането на околната среда и в зависимост от това активират необходимите генетични програми, което дава възможност на клетката да използва най-ефективно наличните ресурси.

Освен това клетките активират универсални системи за отговор на стрес. Същите протеини, които при обикновената Ешерихия коли (Escherichia coli) реагират на опасното повишаване на температурата, при дълбоководните щамове се активират от промените в налягането. Те задействат масовото производство на специални молекули, чиято задача е да открият увредените от налягането протеини и да възстановят правилната им структура, предотвратявайки клетъчната смърт.

Дълбоководните екосистеми и търсенето на нови лекарства

Екстремните условия на дълбоководните котловини като Марианската или Кермадековата не ги превръщат в безжизнени пустини. Там се формират сложни микробни общности.Анализите на тези съобщества показват интересна закономерност: въпреки че общото разнообразие на видовете там е по-ниско, отколкото в повърхностните води, екосистемата се отличава с висока функционална излишност. Това означава, че няколко различни вида могат да изпълняват едни и същи биохимични задачи (напр. рециклиране на азот или въглерод). Ако един вид загине поради външен стрес, неговата роля незабавно се поема от другите организми, което поддържа стабилността на цялата система.

Тези корита са дом не само на бактерии, но и на по-сложни организми, като например гъби. Неотдавна микробиолозите изследваха щам на гъбата Purpureocillium lilacinum, извлечен от дъното на Марианската падина. Този организъм може да издържи на налягане до 110 мегапаскала (около 1100 атмосфери). За да компенсира този огромен стрес, гъбата предизвиква сложни биохимични реакции, като синтезира антиоксиданти и специфични вторични метаболити. За съвременната медицина това откритие има голяма практическа стойност: веществата, които гъбата произвежда за защита от налягането, показват висока ефективност при унищожаването на патогенните бактерии и имат доказана противотуморна активност.

Астробиологията: земни аналози на извънземните океани

Разбирането на начина, по който земните микроорганизми се адаптират към високото налягане, има пряко значение за планирането на космическите мисии.

В Слънчевата система има светове, чиито условия са математически сходни с дълбоководната биосфера на Земята. Под ледената обвивка на Европа (спътник на Юпитер) и Енцелад (спътник на Сатурн) се намират глобални океани от течна вода. Налягането на дъното на тези океани достига десетки мегапаскали, а водата е наситена със соли и минерали.

За да проверят дали там е възможен живот, астробиолозите изучават земните аналози – например студените, хиперсолни езера в Канада, чиято вода е богата на магнезиеви и натриеви сулфати. Изследователите изолират микроорганизмите от тези езера и ги поставят в специални камери, като постепенно увеличават хидростатичното налягане до 30 мегапаскала, което съответства на налягането в горните слоеве на европейския ледников океан.

Експериментът показва, че бактериите не само оцеляват, но и успешно се размножават при тези условия. Способността на органичния живот да реорганизира основните клетъчни процеси, за да работят при екстремно налягане, доказва, че хидростатичното налягане не е непреодолима бариера за образуването и поддържането на сложни биосистеми. Изучавайки микробите на дъното на земните океани, науката всъщност анализира готовите биологични чертежи, по които точно сега би могъл да съществува живот извън нашата планета.