Антарктические бактерии живут на воздухе и сами производят воду, используя водород в качестве топлива

Люди лишь недавно начали задумываться об использовании водорода как источника энергии, а бактерии в Антарктиде делают это уже миллиард лет.

Изучив 451 вид бактерий из замерзших почв Восточной Антарктиды, мы обнаружили, что большинство из них живут, используя водород из воздуха в качестве топлива. Генетический анализ также показал, что эти бактерии отделились от своих родственников на других континентах примерно миллиард лет назад.

Эти невероятные микроорганизмы происходят из свободных ото льда пустынных почв к северу от ледника Маккея в Восточной Антарктиде. В этой среде, где мало доступной воды, температуры ниже нуля, а полярные зимы — кромешная тьма, немногие высшие растения или животные могут процветать.

Несмотря на суровые условия, микроорганизмы процветают. В одном грамме почвы можно найти сотни видов бактерий и миллионы клеток, что создает уникальную и разнообразную экосистему.

Надежная альтернатива фотосинтезу

Мы обнаружили, что более четверти этих антарктических почвенных бактерий создают фермент RuBisCO, который позволяет растениям использовать солнечный свет для захвата углекислого газа из воздуха и превращения его в биомассу. Этот процесс, фотосинтез, генерирует большую часть органического углерода на Земле.

Однако мы выяснили, что более 99% бактерий, содержащих RuBisCO, не способны улавливать солнечный свет. Вместо этого они осуществляют процесс, называемый хемосинтезом.

Вместо того чтобы полагаться на солнечный свет для преобразования углекислого газа в биомассу, они используют неорганические соединения, такие как газы водород, метан и монооксид углерода.

Жизнь на воздухе

Откуда бактерии берут эти богатые энергией соединения? Как ни удивительно, самый надежный источник — это воздух.

Воздух содержит высокие уровни азота, кислорода и углекислого газа, но также следовые количества источников энергии: водорода, метана и монооксида углерода.

Они присутствуют в воздухе лишь в очень низких концентрациях, но воздуха так много, что он обеспечивает практически неограниченный запас этих молекул для организмов, которые могут их использовать.

И многие могут. Около 1% антарктических почвенных бактерий могут использовать метан, и примерно 30% — монооксид углерода.

Еще более примечательно, что наше исследование предполагает, что 90% антарктических почвенных бактерий могут извлекать водород из воздуха.

Бактерии получают энергию из водорода, метана и углерода, соединяя их с кислородом в химическом процессе, похожем на очень медленное горение.

Наши эксперименты показали, что бактерии потребляют атмосферный водород даже при температуре -20°C, и они могут потреблять его достаточно, чтобы покрыть все свои энергетические потребности.

Более того, водород может питать хемосинтез, который может обеспечить достаточно органического углерода для поддержания всего сообщества. Другие бактерии могут получить доступ к этому углероду, «поедая» своих соседей, работающих на водороде, или богатый углеродом ил, который они производят.

Вода из воздуха

Когда вы сжигаете водород или когда бактерии получают из него энергию, единственным побочным продуктом является вода.

Производство воды — важный бонус для антарктических бактерий. Они живут в гиперзасушливой пустыне, где вода недоступна, потому что окружающий лед почти постоянно замерз, а любая влага в почве быстро высасывается сухим холодным воздухом.

Таким образом, способность генерировать воду из «воздуха» может объяснить, как эти бактерии смогли существовать в этой среде миллионы лет. По нашим расчетам, скорость производства воды с помощью водорода достаточна для регидратации всей антарктической клетки всего за две недели.

Приняв «водородную экономику», эти бактерии удовлетворяют свои потребности в энергии, биомассе и гидратации. Три задачи решены одним действием.

Может ли водородная экономика поддерживать внеземную жизнь?

Минималистский водородозависимый образ жизни антарктических почвенных бактерий переопределяет наше понимание того, что является минимально необходимым для жизни на Земле. Это также дает новое понимание в поиске внеземной жизни.

Водород — самый распространенный элемент во Вселенной, составляющий почти три четверти всей материи. Он является основным компонентом атмосферы некоторых инопланетных планет, таких как HD 189733b, которая вращается вокруг звезды в 64,5 световых годах от Земли.

Если бы жизнь существовала на такой планете, где условия могут быть не столь благоприятными, как на большей части Земли, потребление водорода могло бы быть самой простой и надежной стратегией выживания.

«Следуй за водой» — это мантра для поисков внеземной жизни. Но учитывая, что бактерии буквально могут делать воду из воздуха, возможно, ключ к нахождению жизни за пределами Земли — это «следовать за водородом».