Mikrober som bor i de strålende fargede varme kildene i Yellowstone nasjonalpark, bruker først og fremst hydrogen til drivstoff, sier forskere fra University of Colorado i Boulder at livene i ekstreme miljøer på andre planeter kan være en god idé for å forstå bakterier i menneskekroppen.
Et team av CU-Boulder-biologer ledet av professor Norman Pace, en av verdens ledende eksperter på molekylær evolusjon og mikrobiologi, publiserte sin rapport “Hydrogen and bioenergetics in the Yellowstone geothermal system” denne uken i onlineutgaven av Proceedings of the National Vitenskapsakademiet.
Teamets funn, basert på flere års forskning i parken, tilbakeviser den populære ideen om at svovel er den viktigste energikilden for små organismer som lever i termiske trekk.
"Det var en overraskelse å finne at hydrogen var den viktigste energikilden for mikrober i de varme kildene," sa Pace. "Dette prosjektet er også interessant i sammenheng med mikrobiologi, fordi det er en av få ganger vi har kunnet studere mikrober for å få informasjon om et helt økosystem. Det har aldri før vært mulig. "
Studien ble spesielt utviklet for å bestemme den viktigste kilden til metabolsk energi som driver mikrobielle samfunn i parkfunksjoner med temperaturer over 158 grader Fahrenheit. Det er ikke kjent at fotosyntese forekommer over den temperaturen.
En kombinasjon av tre forskjellige ledetråder førte til at forskere konkluderte med at hydrogen var den viktigste energikilden. Genetisk analyse av varianter av mikrober som lever i de varme kildesamfunnene avslørte at de alle foretrekker hydrogen som energikilde. De observerte også allestedsnærværende H2 i alle varme kilder i konsentrasjoner som er tilstrekkelige for mikrobiell bioenergetikk. Termodynamiske modeller basert på feltdata bekreftet at hydrogenmetabolisme var den mest sannsynlige drivstoffkilden i disse miljøene.
"Dette arbeidet presenterer noen interessante tilknyttede spørsmål," sa John Spear, hovedforfatter av rapporten. “Hydrogen er det mest tallrike elementet i universet. Hvis det er liv andre steder, kan det være at hydrogen er dets drivstoff, ”sa Spear. "Vi har sett bevis på vann på Mars, og vi vet at på jorden kan hydrogen produseres biogenetisk ved fotosyntese og gjæring eller ikke-biogenetisk ved at vann reagerer med jernbærende bergart. Det er mulig at ikke-biogene prosesser produserer hydrogen på Mars, og at noen mikrobielle livsformer kan bruke det, ”sa han.
Det er mange eksempler på at bakterier lever i ekstreme miljøer - inkludert menneskekroppen - som bruker hydrogen som drivstoff, ifølge Spear. Nyere studier har vist at Helicobacter pylori-bakterier, som forårsaker magesår, lever av hydrogen inne i magen, sier Spear. “Salmonella metaboliserer hydrogen i tarmen. Det får meg til å lure på hvor mange forskjellige typer mikrober som metaboliserer hydrogen i ekstreme miljøer. ”
I stedet for å stole på tradisjonelle teknikker for mikrobiologi som bruker kulturer dyrket i laboratoriet, brukte CU-Boulder-teamet metodikk utviklet av Pace for å genetisk analysere sammensetningen av det mikrobielle samfunnet slik det fremsto i felt. "Vi så ikke på hva som vokser i en kulturrett, vi så på RNA for prøver direkte fra feltet," sa Spear.
"Vi har aldri før visst hvilke mikrober som bodde i Yellowstone varme kilder, og nå gjør vi det," sa Pace.
En ny pakke instrumenter ble brukt til å samle inn data, hvorav noen aldri før hadde blitt samlet inn. "Ingen hadde målt konsentrasjonen av hydrogen i varme kilder før, fordi teknologien ikke eksisterte før for rundt syv år siden. Nå kan vi oppdage meget lave nivåer av hydrogen i vann, ”forklarte Spear.
"Vi fant mye hydrogen i varme kilder - en endeløs forsyning for bakterier," sa han. Målinger av mengden H2 i vann ble registrert i Yellowstone varme kilder, bekker og geotermiske ventilasjonsåpninger i forskjellige deler av parken og i forskjellige årstider. Alle miljøene hadde konsentrasjoner som var passende for energimetabolisme.
Teamet brukte datamaskingenererte termodynamiske modeller for å finne ut om hydrogen faktisk var den viktigste energikilden. "Du kan lukte sulfid i luften ved Yellowstone, og den aksepterte ideen var at svovel var energikilden for livet i de varme kildene," sa Spear. Ikke slik, ifølge teamets datamodeller bygget på feltmålinger av hydrogen, sulfid, oppløst oksygenkonsentrasjon og andre faktorer.
Spear sa at det var vanskelig å utforske et mikrobielt økosystem. "Vi har vanskelig nok for å forklare hva som skjer i en skog, for eksempel med alle sammenflettingssystemene. Vi kan ikke en gang se et mikrobielt system. "
Prøveekstraksjon var en farlig og delikat operasjon. For å nøyaktig analysere en varm vårs hele mikrobielle samfunn, trengte Spear å samle bare omtrent så mye materiale som et blyantgummi. Sedimentprøver ble øket i spesielle prøveglass og umiddelbart frosset i flytende nitrogenbeholdere for å bevare det mikrobielle miljøet.
I kilder der det ikke var noe sediment, samlet Spear inn prøver av planktoniske organismer ved å henge en glassglide i vannet og la mikroberne samle seg. “Bakterier er akkurat som oss. De liker å være sammen, de liker å være festet til en overflate og de liker å ha maten - oppløst hydrogen, i dette tilfellet - brakt til dem. ”
Spear forklarte at varme kilder farger er et resultat av samspill mellom mineraler og mikrober som bor i bassengene. Varmere vann viser vanligvis farger fra mineraler, og kjøligere vann er vert for fotosyntetiske pigmenter.
"Basert på hva jeg har sett i denne analysen, tror jeg at hydrogen sannsynligvis driver mye liv i mange miljøer," sa Spear. "Det er en del spekulasjoner, men gitt antallet og typer bakterier som metaboliserer hydrogen, er det sannsynligvis en veldig gammel form for metabolisme.
Det er viktig fordi det forteller oss om livets historie på jorden, ”sa han. "Og hvis det fungerer på denne måten på jorden, vil det sannsynligvis skje andre steder. Når du ser på stjernene, er det mye hydrogen i universet. ”
Originalkilde: UCB News Release
