Микробная слизь: Ключевая система для понимания нашей планеты
Миллиарды лет назад на Земле существовали экстремальные условия: интенсивное УФ-излучение, частые извержения вулканов и очень высокие концентрации углекислого газа в атмосфере. Тем не менее, в этих условиях формировались биоплёнки, и внутри этих плотных, слизистых сообществ происходили важные процессы.
Профессор Питер Висчер (Pieter Visscher) в своих недавних работах исследует эти процессы, включая эволюцию наших древнейших предков и механизмы, сделавшие возможной жизнь на Земле. Эти находки подчёркивают необходимость пересмотра взглядов на эволюцию жизни, поскольку слизь играла и продолжает играть огромную роль.
Что такое биоплёнки и почему они важны
- Биоплёнки — это сообщества микроорганизмов (бактерий, протистов, вирусов), представляющие древнейшие формы жизни на Земле. Их структура, вероятно, остаётся схожей с той, что была 3,5 миллиарда лет назад.
- В современных биоплёнках цианобактерии образуют нитевидные структуры, обеспечивающие поддержку, и выделяют экзополимерное вещество (EPS), которое придаёт плёнке сотовую структуру и слизистые свойства.
- Эта слизь критически важна, так как помогает биоплёнкам секвестрировать элементы (кальций, магний, кадмий, мышьяк). Этот процесс приводит к формированию цементоподобных слоёв в структурах, называемых микробиалитами.
Со временем, по мере накопления слоёв, микробиалиты откладываются в палеонтологической летописи в виде строматолитов. Их древние следы находят в Пилбаре (Австралия) и Барбертоне (ЮАР). Современные аналоги существуют в заливе Шарк (Австралия), на острове Хайборн-Кей (Багамы), в озёрах Фейетвилл-Грин (Нью-Йорк) и в пустыне Атакама (Чили).
Роль слизи в глобальном углеродном цикле и климате
Исследуя явления «побеления» воды (whiting events) в океанах и озёрах (массовое образование карбоната кальция), Висчер и коллеги обнаружили, что ключевые процессы осаждения карбонатных минералов происходят в донных отложениях, а не в толще воды (Communications Earth & Environment).
- Фитопланктон (включая цианобактерии) в толще воды производит слизь, которая действует как губка для карбоната кальция и, опускаясь на дно, работает как конвейерная лента.
- В отложениях возрастом 2000–3000 лет микробы по-прежнему активно осаждают карбонатные минералы.
- Этот процесс, длящийся около 4 миллиардов лет, удалял углерод из атмосферы, делая планету более пригодной для жизни, и продолжает влиять на климат.
Слизь и эволюция эукариот
Биоплёнки могли сыграть ключевую роль в появлении наших древнейших эукариотических предков. Исследование пресноводных и морских микробиалитов (npj Biofilms and Microbiomes) показало, что, хотя структуры схожи, микробные сообщества в них различны, что могло по-разному влиять на эволюцию.
- В современных матах в заливе Шарк в изобилии обнаружены археи Lokiarchaeota. Согласно гипотезе, слияние Lokiarchaeota и альфа-протеобактерии привело к появлению первой эукариотической клетки.
- В строматолитах иногда наблюдается «свёрнутая» структура (тромболиты), связанная с деятельностью протистов (эукариот), которые поедают цианобактерии. Древнейшим тромболитам, возможно, около 2,3 млрд лет, и эти протисты могут служить молекулярными индикаторами в эволюционной истории.
Условия до появления кислорода
Биоплёнки существовали ещё до накопления кислорода в атмосфере. Изучая их древние слои (Geobiology), можно восстановить условия ранней Земли.
«Эти биоплёнки, по сути, изобрели кислород... Но как эти процессы работали до кислорода? Здесь был очень важен мышьяк», — говорит Висчер.
Вывод
Биоплёнки создавали условия, сделавшие жизнь возможной. Изучая их — как современные, так и древние, — мы можем многое понять о нашей планете.
«Эти биоплёнки просто замечательны. Возможно, они являются ключевой системой для изучения, чтобы понять нашу планету».