Какие микробы выживают внутри действующих вулканов?

Question

Accepted Answer

Экстремальные условия действующих вулканов представляют собой одну из самых негостеприимных сред на планете. Высокие температуры, экстремальная кислотность (низкий pH), присутствие тяжелых металлов и токсичных газов (таких как сероводород и диоксид серы) делают жизнь здесь невозможной для большинства известных организмов. Однако биология доказала, что жизнь обладает невероятной пластичностью. Организмы, обитающие в таких условиях, называются экстремофилами, а конкретнее — термофилами и ацидофилами.

Генетическая адаптация: как выжить в пекле

Микроорганизмы, заселяющие фумаролы, горячие источники и кратерные озера вулканов, выработали уникальные стратегии выживания, которые позволяют им поддерживать целостность своих клеток при температурах, превышающих 80–100°C.

Во-первых, это термостабильность белков. У обычных организмов белки начинают денатурировать (сворачиваться и терять функцию) при температуре выше 45–50°C. У вулканических микробов белки имеют более плотную упаковку, обогащены ионными связями и гидрофобными взаимодействиями, что не дает им «развалиться» под воздействием жара.

Во-вторых, модификация мембран. Клеточные мембраны этих микробов состоят из специфических липидов (эфирных связей вместо сложноэфирных), которые обладают гораздо более высокой температурой плавления. Это предотвращает «растворение» мембраны в кипящем бульоне.

Основные представители вулканической микробиоты

Мир вулканических микробов представлен преимущественно двумя доменами: Археями и Бактериями. Археи особенно преуспели в колонизации самых горячих зон.

1.  Sulfolobus (Сульфолобус): Это классический пример ацидотермофильных архей. Они обитают в кислых горячих источниках при температуре около 80°C и pH от 2 до 3. Эти микробы являются хемолитоавтотрофами: они получают энергию, окисляя серу до серной кислоты. Фактически, они сами создают среду, в которой живут, делая её еще более кислой.

2.  Pyrococcus furiosus (Пирококк бешеный): Название этого микроорганизма говорит само за себя. Это гипертермофильная архея, которая процветает при температурах около 100°C. Впервые она была обнаружена в отложениях близ геотермальных источников. Её метаболизм основан на ферментации сахаров с использованием вольфрама — редкого металла, который они включают в состав своих ферментов.

3.  Thermus aquaticus (Термус акватикус): Хотя этот организм больше известен благодаря своей роли в биотехнологии (именно из него выделяют фермент Taq-полимеразу, критически важный для ПЦР-тестов), он является типичным обитателем горячих вулканических стоков. Он выживает при температурах до 70–75°C.

4.  Geogemma barossii (известная как «Штамм 121»): Это абсолютный рекордсмен среди известных науке микробов. Этот микроорганизм способен не просто выживать, но и активно размножаться при температуре 121°C (температура, при которой обычно стерилизуют медицинские инструменты в автоклавах). Он был обнаружен в гидротермальных источниках глубоководных вулканов, где высокое давление предотвращает закипание воды.

Метаболические стратегии: еда из камней

В условиях вулкана нет доступа к солнечному свету, поэтому фотосинтез невозможен. Микробы используют хемосинтез. Вместо органических веществ они «едят» минералы.

Окисление серы: Многие вулканические микробы используют сероводород (H2S), выбрасываемый вулканом, в качестве источника электронов, превращая его в сульфаты.
   Водородное дыхание: Некоторые виды используют молекулярный водород (H2) из вулканических газов, соединяя его с углекислым газом (CO2) для синтеза необходимых органических молекул.
   Использование металлов: В условиях, богатых железом, марганцем или медью, микробы используют эти металлы как акцепторы электронов в процессе дыхания, что делает их метаболизм похожим на работу крошечных биологических батареек.

Значение для науки: астробиология и биотехнологии

Изучение микробов внутри вулканов имеет огромное значение для двух ключевых областей:

1.  Астробиология: Вулканические среды на Земле рассматриваются как аналоги условий на других планетах и лунах Солнечной системы. Например, подледный океан на спутнике Юпитера Европе или древние вулканические ландшафты Марса могли (или могут) поддерживать жизнь, аналогичную земным термофилам. Если жизнь возникла в экстремальных условиях Земли, она могла возникнуть и там.

2.  Биотехнологии: Ферменты, выделенные из этих микробов, обладают уникальной способностью работать в жестких промышленных условиях. Они устойчивы к растворителям, высоким температурам и агрессивным средам, что позволяет использовать их в производстве моющих средств, переработке целлюлозы и синтезе лекарственных препаратов.

Жизнь в жерле вулкана — это не случайность, а триумф эволюции. Эти организмы показывают нам, что границы «живого» гораздо шире, чем мы привыкли думать. Они не просто выживают в аду — они сделали этот ад своим домом, превращая токсичные газы и раскаленные минералы в энергию для жизни.