Τα μικρόβια «Zombie» επαναπροσδιορίζουν τα ενεργειακά όρια της ζωής

Η ενέργεια οδηγεί τον πλανήτη. είναι το νόμισμα που χρησιμοποιούν όλα τα έμβια όντα για να αναπτυχθούν, να αναπτυχθούν και να λειτουργήσουν. Αλλά πόσο λίγη ενέργεια χρειάζονται τα κύτταρα για να τα βγάλουν πέρα; Τα μικρόβια που κατοικούν σε ιζήματα κάτω από τον πυθμένα της θάλασσας - τα οποία μπορεί να είναι περισσότερα από τα μικροβιακά κύτταρα που βρίσκονται στους ίδιους τους ωκεανούς - παρέχουν μερικές εκπληκτικές απαντήσεις. Οι οργανισμοί όχι μόνο αμφισβητούν αυτά που οι επιστήμονες νόμιζαν ότι γνώριζαν για τις ενεργειακές ανάγκες της ζωής, αλλά υπαινίσσονται νέους τρόπους ορισμού τι είναι η ζωή και πού μπορεί να τη βρούμε.

Την περασμένη εβδομάδα στο Πρόοδος της Επιστήμης , οι ερευνητές παρουσίασαν την πιο πλήρη εικόνα μέχρι σήμερα για την παράξενη, κρυμμένη βιόσφαιρα κάτω από τον πυθμένα της θάλασσας. Οι αποστολές γεώτρησης ωκεανών έχουν επανειλημμένα ανιχνεύσει εκείνα τα χωρίς φως βάθη και τα ακάλυπτα κύτταρα που επιβιώνουν σχεδόν σε αναρτημένη κίνηση, καταναλώνοντας τάξεις μεγέθους λιγότερη ενέργεια από τους γείτονές τους στην επιφάνεια. Ωστόσο, το μοντέλο που παρουσιάζεται στη νέα μελέτη δείχνει ότι αυτή η κατάσταση που μοιάζει με ζόμπι ισχύει πιθανώς για τη συντριπτική πλειονότητα των μικροβίων στα ιζήματα των ωκεανών — και ότι συνήθως επιβιώνουν με ενεργειακούς προϋπολογισμούς που πλησιάζουν ένα θεωρητικό ελάχιστο για τη ζωή.

«Ολόκληρη αυτή η βιόσφαιρα κυττάρων, ισοδύναμη σε μέγεθος με τα εδάφη του κόσμου, δεν έχει σχεδόν αρκετή ενέργεια για να επιβιώσει», δήλωσε ο Τζέιμς Μπράντλεϊ, γεωβιολόγος στο Πανεπιστήμιο Queen Mary του Λονδίνου και επικεφαλής συγγραφέας της νέας μελέτης μοντελοποίησης.

Για να μάθουν για τα μικρόβια που ζουν σε ιζήματα υποθαλάσσιου πυθμένα, οι επιστήμονες πρέπει συνήθως να πραγματοποιούν αποστολές γεωτρήσεων για να ανακτήσουν δείγματά τους. Αλλά αυτές οι αποστολές είναι δύσκολες και δαπανηρές - και με το 70% της επιφάνειας της Γης να καλύπτεται από ωκεανούς, «καταλάβαμε πολύ γρήγορα ότι δεν πρόκειται να πάρουμε τον αριθμό των δειγμάτων που πραγματικά χρειάζονται για να χαρτογραφηθούν τα θαλάσσια ιζήματα», είπε ο Jan Amend, διευθυντής του Κέντρου Ερευνών της Βιόσφαιρας της Σκοτεινής Ενέργειας στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια και συν-συγγραφέας της εργασίας. "Έτσι πρέπει να χρησιμοποιήσουμε τα δεδομένα που υπάρχουν και να επεκτείνουμε αυτά τα δεδομένα με προσεγγίσεις μοντελοποίησης."

Για το σκοπό αυτό, οι Amend, Bradley και η υπόλοιπη ομάδα τους χώρισαν τους ωκεανούς σε εκατοντάδες χιλιάδες τμήματα και χρησιμοποίησαν δεδομένα από δεκαετίες αποστολών, εργαστηριακά πειράματα και θεωρητικά μοντέλα για να προεκθέσουν ένα λεπτομερές προφίλ των νεότερων ιζημάτων σε κάθε ένα. Οι τιμές που υπολόγισαν περιελάμβαναν την ηλικία των ιζημάτων, την πυκνότητα και την κατανομή των κυττάρων σε αυτά, τον τρόπο με τον οποίο αυτά τα κύτταρα πήραν την ενέργειά τους και τους ρυθμούς με τους οποίους τα κύτταρα μεταβολίζουν τα διαθέσιμα θρεπτικά συστατικά.

Από αυτές τις τιμές, οι ερευνητές υπολόγισαν την κατανάλωση ενέργειας των κυψελών σε κάθε περιοχή - τον ρυθμό με τον οποίο τα κύτταρα λαμβάνουν και χρησιμοποιούν ενέργεια, και όχι μόνο την ίδια την ποσότητα ενέργειας. «Αυτό είναι σημαντικό, γιατί είναι ένας πιο ακριβής τρόπος να μιλήσουμε για την ενέργεια της ζωής», είπε η Κάρεν Λόιντ, μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Τενεσί, στο Νόξβιλ, η οποία δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Ο χρόνος έχει πραγματικά σημασία για τη ζωή."

Ένα Zeptowatt της ζωής

Διαπίστωσαν ότι τα κύτταρα που είναι θαμμένα σε ιζήματα των ωκεανών λειτουργούν σε απίστευτα χαμηλά επίπεδα ισχύος. Συνολικά, τα μικρόβια σε αυτά τα ιζήματα, τα οποία σε ορισμένα σημεία μπορεί να εκτείνονται χιλιόμετρα κάτω από τον πυθμένα της θάλασσας, χρησιμοποιούν συλλογικά μόλις ένα δέκατο τοις εκατό της ενέργειας που καταναλώνεται στα ανώτερα 200 μέτρα του ωκεανού. Κάθε κύτταρο, κατά μέσο όρο, επιβιώνει από την ταφή του ιζήματος σε επίπεδο ισχύος σημαντικά χαμηλότερο από αυτό των «μερικών από τα πιο λιμνάζοντα πράγματα στον κόσμο», όπως το θέτει ο Lloyd — και τάξεις μεγέθους μικρότερη από αυτή οποιουδήποτε οργανισμού που έχει μετρηθεί ποτέ σε εργαστηριακές ρυθμίσεις.

Οι υπολογισμοί ήταν σύμφωνοι με παλαιότερη θεωρητική εργασία των μελών της ομάδας που το 2015 προσπάθησαν να υπολογίσουν τη χαμηλότερη ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για τη ζωή, με βάση την προϋπόθεση ότι ακόμη και τα βαθιά αδρανοποιημένα κύτταρα πρέπει να επιδιορθώσουν τυχαία ζημιά στα βασικά τους μόρια για να επιβιώσουν. Βρήκαν ότι για μεμονωμένες κυψέλες, αυτή η ελάχιστη ισχύς κυμαίνεται γύρω από ένα zeptowatt, ή 10 watt. Αυτή είναι περίπου η ισχύς που απαιτείται για να σηκωθεί το ένα χιλιοστό του κόκκου αλατιού ένα νανόμετρο μία φορά την ημέρα. (Για αναφορά, ένα ανθρώπινο σώμα χρησιμοποιεί κατά μέσο όρο περίπου 100 watt, την ισχύ ενός φωτός ανάγνωσης.) Το νέο μοντέλο προτείνει ότι τα κύτταρα που ζουν σε ιζήματα υποθαλάσσιου πυθμένα αντλούν μόνο ελαφρώς περισσότερη ισχύ από αυτήν.

Παρόλο που αυτού του είδους οι μετρήσεις είχαν γίνει στο παρελθόν για μεμονωμένες τοποθεσίες υποθαλάσσιου πυθμένα, τείνουν να υπάρχουν κάπως μεμονωμένα. «Έχουμε κάνει έναν τόνο μεμονωμένων τρυπών εδώ κι εκεί», είπε ο Lloyd, «αλλά αυτό το έγγραφο στην πραγματικότητα το συνδυάζει και το βάζει σε μια παγκόσμια προοπτική».

A Biosphere of Stasis

Η επίπτωση των εκτιμήσεων της μελέτης είναι ότι αυτό το υπόγειο βίωμα δεν έχει σχεδόν καμία κυτταρική διαίρεση:ορισμένα μεμονωμένα κύτταρα εκεί κάτω μπορεί να είναι ηλικίας 100 εκατομμυρίων ετών. Σημαίνει επίσης ότι σε όλο αυτό το διάστημα, αυτά τα κύτταρα μπορεί να μην έχουν εξελιχθεί ή να μην έχουν αλλάξει πολύ. Είναι μια βιόσφαιρα που χαρακτηρίζεται από στάση. «Πραγματικά, τα περισσότερα από τα κελιά μετά βίας κρέμονται», είπε ο Amend. «Η ιδέα μας για το πώς εξελίσσονται τα κύτταρα ξεφεύγει από το παράθυρο για αυτήν την απίστευτα μεγάλη βιόσφαιρα».

Και όμως, λόγω του αριθμού τους και των αιώνων κατά τους οποίους έχουν επιβιώσει, αυτά τα σχεδόν αλλά όχι αρκετά νεκρά κύτταρα παίζουν σημαντικό ρόλο στην παραγωγή μεθανίου, την υποβάθμιση της μεγαλύτερης δεξαμενής οργανικού άνθρακα του πλανήτη και άλλα διαδικασίες. "Είναι εξαιρετικά όντα χαμηλής ισχύος, αλλά στην πραγματικότητα έχουν μεγάλη επίδραση στη Γη", είπε ο Lloyd.

Συνολικά, «δεν χρειάζεσαι πολλή δύναμη για να κάνεις τη ζωή να πάει καλά», πρόσθεσε. Και αυτό ανοίγει την πιθανότητα να υπάρχει ζωή σε σφαίρες όπου οι επιστήμονες μπορεί να μην είχαν κοιτάξει πριν - συμπεριλαμβανομένων των πλανητών που δεν φαίνονται φιλόξενοι. Ίσως, για παράδειγμα, τα κύτταρα να έχουν καταφέρει να επιβιώσουν σε κόσμους που κάποτε είχαν ωκεανούς, αφιερώνοντας χρόνο μέχρι να βελτιωθούν οι συνθήκες.

Αν και αυτό το μοντέλο είναι ολοκληρωμένο, εξακολουθεί να μην είναι πλήρες: Εστιάζει σε νεότερα υπόγεια ιζήματα που χρονολογούνται πριν από περίπου 2,6 εκατομμύρια χρόνια. Τα μικρόβια σε βαθύτερα ιζήματα μπορεί να χρησιμοποιούν ακόμη λιγότερη ενέργεια, ενώ τα κύτταρα σε άλλους οικοτόπους υποθαλάσσιου πυθμένα, όπως τα πετρώματα του φλοιού της Γης, ενδέχεται να χρησιμοποιούν περισσότερη ενέργεια.

Οι υποθέσεις στο μοντέλο αξίζουν επίσης περαιτέρω εξέταση. «Υπάρχουν πολλές λεπτομέρειες εδώ μέσα που αξίζει να ρίξουμε μια ματιά», είπε ο Steve D'Hondt, ωκεανογράφος στο Πανεπιστήμιο του Rhode Island που δεν συμμετείχε στη μελέτη. Ορισμένες από τις εκτιμήσεις της νέας εργασίας για τη γεωγραφική κατανομή των αερόβιων και αναερόβιων μεταβολισμών, για παράδειγμα, δεν ευθυγραμμίζονται πλήρως με τα προηγούμενα ευρήματα, λέει.

Αλλά αυτό είναι αναμενόμενο, πρόσθεσε ο D'Hondt:Τα μοντέλα αποκαλύπτουν μοτίβα και κάνουν προβλέψεις για περαιτέρω δοκιμές. Ο Yuki Morono, μικροβιολόγος στην Ιαπωνική Υπηρεσία Επιστήμης και Τεχνολογίας της Θαλάσσιας Γης, ανακάλυψε ότι η εργασία μοντελοποίησης από τον Bradley και τους συνεργάτες του συμπληρώνει τα δικά του ευρήματα σχετικά με τη ζωή σε βαθιά ιζήματα — και μπορεί να συμβάλει στη συμπλήρωση ορισμένων κενών.

Επιβίωση στο περιθώριο

Ο Morono και ο D'Hondt ήταν ηγέτες μιας ομάδας ερευνητών που ανακοίνωσαν πριν από δύο εβδομάδες ότι είχαν αναζωογονήσει βακτήρια παγιδευμένα σε έναν λήθαργο 100 εκατομμυρίων ετών πολύ κάτω από τον πυθμένα της θάλασσας. Με επίπονο τρόπο οδήγησαν τα περισσότερα από τα αδρανοποιημένα κύτταρα σε αυτά τα ιζήματα πίσω σε μια κατάσταση ανάπτυξης που ήταν πιο αναγνωρίσιμα ζωντανή. Ωστόσο, όταν είχαν δοκιμάσει το ίδιο πράγμα σε μια προηγούμενη μελέτη με νεότερα, πιο πλούσια σε θρεπτικά συστατικά ιζήματα, μπορούσαν να αναστήσουν μόνο ένα μικρότερο κλάσμα των μικροβίων - ένα αντίθετο αποτέλεσμα, καθώς αυτά τα κύτταρα είχαν κατοικήσει σε ένα φαινομενικά λιγότερο σκληρό περιβάλλον. /P>

Το μοντέλο στο νέο έγγραφο του Μπράντλεϊ υπονοεί μια πιθανή εξήγηση:Όταν σχηματίστηκε για πρώτη φορά το ίζημα 100 εκατομμυρίων ετών, τα παγιδευμένα μικρόβια μπορεί να είχαν στην πραγματικότητα περισσότερη ενέργεια ή δύναμη. Σύμφωνα με τον Μορόνο, ίσως αυτή η αρχική κατάσταση, ακολουθούμενη από μια πιο άμεση πτώση των επιπέδων ενέργειας, έκανε κατά κάποιο τρόπο πιθανότερη τη μακροπρόθεσμη επιβίωση καθώς τα κύτταρα θάφτηκαν πιο βαθιά.

Ελπίζει ότι οι ερευνητές θα συνεχίσουν να ενσωματώνουν πληροφορίες από περισσότερες μελέτες σε μοντέλα για να αποκτήσουν αυτού του είδους τις γνώσεις. Αλλά ήδη, το μόντελινγκ φαίνεται να έχει βοηθήσει να επιβεβαιωθεί κάτι που πολλοί επιστήμονες έχουν υποψιαστεί. «Ποια είναι τα περιθώρια της ζωής; Τι χρειάζεσαι για να είναι ζωή;» είπε ο Λόιντ. "Αποδεικνύεται, όχι πολύ."