Что могут рассказать «фекальные отпечатки» микробов об эволюции Земли

Отличительные «фекальные отпечатки» микробов потенциально содержат запись о том, как Земля и жизнь совместно эволюционировали на протяжении последних 3,5 миллиардов лет по мере изменения температуры планеты, уровня кислорода и парниковых газов. Однако, несмотря на более чем 60 лет исследований, расшифровать большую часть информации в этой записи до сих пор было сложно. Исследование Университета Макгилла и Научного института Вейцмана (Израиль), недавно опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), проливает свет на загадочные пищеварительные процессы микробов, открывая путь к лучшему пониманию того, как жизнь и планета менялись с течением времени.

Микробы доминируют в экологии Земли как минимум последние 3,5 миллиарда лет и играют жизненно важную роль в углеродном цикле планеты, переваривая органическое вещество. Поэтому их отходы потенциально несут информацию об изменении температуры планеты, состава парниковых газов и даже уровня кислорода, а также о том, как сама жизнь эволюционировала, приспосабливаясь к этим изменениям.

Микробы — крайне разборчивые «едоки»

В новой статье в PNAS исследователи описывают разработанную ими методику интерпретации этих уникальных метаболических следов. Они сосредоточились на микробах, обитающих на дне океана, которые потребляют сульфат из морской воды из-за нехватки кислорода.

Глобальные температуры, концентрация CO₂ и уровень кислорода определяют, живут ли эти сульфатредуцирующие микробы в период изобилия и быстрого роста или в период нужды и медленного роста. Запись этих изменений содержится в отходах микробов, а точнее — в том, насколько сильно они «обрезают» (фракционируют) атомы серы в сульфате.

Микробы крайне разборчивы. Они, как и многие люди, предпочитают легкое потребление. И подобно тому, как аккуратные мясоеды обрезают жир с края стейка, эти микробы склонны отвергать серу, если она всего на один-два нейтрона тяжелее обычной.

• В периоды изобилия, когда рост ускоряется и микробам нужно поглощать больше сульфата, они менее разборчивы и меньше «обрезают» или фракционируют. Это подобно обжоре, жадно поглощающему кусок ростбифа, не тратя время на обрезку жира.
• Когда ресурсы ограничены и рост замедляется, микробы обрезают или фракционируют больше. Это похоже на трапезу с фриганом, который настаивает на том, чтобы обрезать испорченную внешнюю часть просроченного ростбифа, чтобы найти внутри единственный непорченый кусок мяса.

Новое исследование Боза Уинга и Итая Халеви объясняет эти особенности «пищевого поведения» микробов и впервые связывает их с тем, какая часть потребляемого вещества запасается внутри их клеток.

Хотя анализ «фекальных отпечатков» был разработан для сульфатредуцирующих микробов морского дна, работа имеет более широкое значение. «Его можно применить ко многим другим микробным метаболизмам, важным для функционирования земной системы сегодня — от денитрификаторов, которые движут азотным циклом Земли, до микробов, производящих парниковый газ метан», — отмечает соавтор Халеви.

Уинг отмечает, что на это исследование его вдохновил вопрос, заданный проницательной студенткой бакалавриата Макгилла: «Она бросила на меня крайне скептический взгляд и спросила, знаю ли я, что микробы эволюционируют. Этот фундаментальный вопрос теперь лежит в основе большей части исследований в моей лаборатории, где мы пытаемся понять постоянно развивающиеся отношения между нашей планетой и ее микробным большинством».