В одной из самых экстремальных и загадочных экосистем на планете – горячих источниках национального парка Йеллоустоун – обнаружен микроб, способный дышать сразу двумя способами. Этот удивительный одноклеточный организм способен одновременно использовать для метаболизма кислород и серу. Такой тип дыхания ставит под сомнение прежние научные представления о биохимических ограничениях жизни и предлагает новое понимание того, как микробы могли выживать и эволюционировать в условиях, близких к появлению кислородной атмосферы Земли. Понимание особенностей такого двойного дыхания не только расширяет горизонты микробиологии, но и помогает учёным лучше понять переход от анаэробного к аэробному дыханию, который произошёл миллиарды лет назад. В обычных условиях организмы развивались в одном из двух ключевых направлений: аэробном, при котором в качестве окислителя используется кислород, или анаэробном, где такого кислорода нет и в качестве конечного акцептора электронной цепи выступают другие вещества, например сера, серанистые соединения или нитраты.
Кислород считается токсичным для многих анаэробов, так как он способен повреждать молекулы жизненно важных ферментов и биохимических путей. Поэтому до недавнего времени обнаружение организма, который одновременно использует оба типа дыхания, казалось невозможным, если не сказать невероятным. Этот феномен был зафиксирован у бактерии, выделенной из горячих источников в районе Нимф-Лейк, Йеллоустоун. Полученный штамм, названный Hydrogenobacter RSW1, оказался обладателем гибридного метаболизма, при котором он может одновременно окислять водород с помощью кислорода и восстанавливать серу, производя при этом сероводород. Такой гибридный режим дыхания делает эти микробы уникальными в своём роде и заставляет пересмотреть существующие учебники по микробной метаболической активности.
Гидротермальные источники Йеллоустоуна представляют собой термодинамический «плавильный котёл» химических процессов: здесь смешиваются потоки горячей воды, насыщенной серой и водородом, с поверхностным кислородом, образуя градиенты, где концентрации этих веществ быстро меняются по площади и глубине. Такое разнообразие условий способствует появлению биохимических адаптаций, которые позволяют микроорганизмам извлекать энергию максимально эффективно. Микроб, использующий одновременно два типа дыхания, имеет явное преимущество в таких нестабильных условиях, так как может переключаться между энергетическими маршрутами или вести их параллельно, что обеспечивает ему устойчивость и выживаемость. До открытия Hydrogenobacter RSW1 считалось, что микроорганизмы способствуют адаптации, чередуя аэробное и анаэробное дыхание, переключаясь на тот или иной способ в зависимости от доступности кислорода. Однако одновременное использование обоих путей предполагает более сложный и энергетически выгодный механизм, с которым связывают создание специализированных внутриклеточных комплексов.
Эти суперкомплексы, возможно, способны локально «изолировать» кислород при выполнении анаэробных процессов или эффективно удалять его, предотвращая повреждения жизненно важных ферментов. На сегодняшний день точные молекулярные детали такого явления остаются предметом интенсивных исследований, но предварительные данные уже открывают новые перспективы для биохимии и эволюционной биологии. Рассматривая исторический контекст, следует помнить о Великом Кислородном Событии, произошедшем около 2,7 миллиарда лет назад. До этого периода атмосфера Земли была практически лишена кислорода, и практически вся жизнь была анаэробной. Появление фотосинтезирующих цианобактерий радикально изменило химический состав атмосферы, поставив перед микроорганизмами вызов адаптироваться к возросшему количеству кислорода, который одновременно был и источником энергии, и токсином.
Ранее переход на аэробное дыхание представлялся как последовательное угасание анаэробных процессов. Обнаружение современных бактерий с двойным дыханием, подобных RSW1, позволяет предположить, что в периоды биохимической нестабильности, когда уровни кислорода еще были низки и колебались, существовали организмы, способные использовать оба способа дыхания одновременно, что могло стать ключом к выживанию и эволюции. Кроме самого феномена двойного дыхания, интересен и тот факт, что такие бактерии могут повлиять на современные экосистемы и биогеохимические циклы. Горячие источники, богаты серой и другими элементами, играют важную роль в круговоротах веществ, а микроорганизмы, способные проводить одновременно аэробные и анаэробные процессы, увеличивают эффективность трансформаций и обеспечивают стабилизацию специализированных экосистем. До настоящего времени большинство известных организмов либо полностью аэробы, либо справлялись с низким кислородом, переходя в состояние покоя или используя альтернативные дыхательные пути.
Возможность роста и размножения при одновременной работе обеих систем в RSW1 поднимает вопрос об энергетическом балансе и биохимических преимуществах такого комбинированного метаболизма. Предполагается, что совмещение путей позволяет бактериям добывать больше энергии и быстрее расти в условиях переменного доступа кислорода, что делает их примером эффективной адаптации к экстремальным средам. Научное открытие RSW1 вдохновило вопросы о широком распространении подобных организмов и возможном наличии нераспознанных двойных дыхательных систем в других природных нишах. Уже есть примеры «кабельных бактерий», которые физически разделяют свои аэробные и анаэробные части тела, используя разные типы дыхания. Однако уникальность RSW1 заключается в способности осуществлять обе формы метаболизма внутри одной клетки одновременно, что намного сложнее в плане биохимических и структурных механизмов.
Такое открытие стимулирует дальнейшее исследование механизмов защиты и регуляции дыхательных процессов в микробах. Возможно, что бактерии применяют уникальные молекулярные структуры, обеспечивающие нейтрализацию вредных реактивных кислородных соединений или способствуют быстрому использованию кислорода для минимизации его повреждающего воздействия. Эти знания могут стать фундаментом для разработки новых биотехнологий и биоэнергетических систем, основанных на свойствах микробов, обитающих в экстремальных условиях. Также понимание двойного дыхания имеет значение для исследований происхождения жизни на Земле и потенциальной жизни в экстремальных условиях других планет и спутников, где химические градиенты и нестабильные условия могут требовать необычных стратегий для получения энергии. Микробы с двумя способностями дыхания дают представление о разнообразии жизненных форм и путях их адаптации.
В целом изучение клеток, которые дышат двумя способами, раскрывает перед наукой новые горизонты биохимии, экологии и эволюции. Эти микроорганизмы демонстрируют, насколько жизнь многогранна и способна на удивительные приспособления, выживая в опасных и нестабильных условиях. Их изучение не только расширяет наши знания о микромире, но и помогает заново осмыслить этапы грандиозных эволюционных переходов, сделавших возможным существование кислородной атмосферы и, как следствие, современной сложной жизни на нашей планете.
