Kui globaalse kataklüsmi tagajärjel ei jää Maa atmosfääri hapnikku, siis on üks väheseid elusorganisme Escherichia coli. Selle peamine trump on võime hingata ükskõik mida ja ükskõik kus: pinnal, pinnases, inimese maos ja mitte tingimata hapnikuga. Koos E. coli-ga jäävad planeedile mitusada iidset olendit, kes suudavad hingata väävlit, rauda, uraani ja isegi arseeni.
Mürgitatud õhk
2010. aastal avastas NASA astrobioloogiaosakonna teadlane Felisa Wolf-Simon soolast California Mono järve uurides ebaharilikke baktereid. Nad elasid vees, kus leeliste kontsentratsioon ületas ookeanis vastava näitaja 80-kordselt. Mikroobid kasutasid hingamiseks arseeni, mis on mürk enamusele elusorganismidele.
Laboris pandi leid, mida nimetatakse tüveks GFAJ-1, toitainelahusesse, milles oli normaalne suhkrute ja vitamiinide sisaldus, kuid milles puudusid täielikult fosfaadid - ühendid, milles fosfor pärineb keskkonnast. Selle asemel istutati mikroorganismid arseenidega (arseeni ühendid).
Selgus, et fosforivabas keskkonnas bakterid mitte ainult ei hinga arseeni, vaid teavad ka, kuidas seda fosfori asemel DNA ja RNA molekulidesse sisse lülitada. Keemiliste omaduste poolest on need elemendid sarnased - raku ensüümid ei pruugi fosfaati arsenaadist eristada ja see juhtub üsna sageli. Tõsi, selline asendamine lõpeb tavaliselt bakterite surma ja kivistumisega, kuid mitte GFAJ-1 tüve puhul.
“Anaeroobsed mikroorganismid (need, mis ei vaja eluks hapnikku või on surmavad. - Toim.) On võimelised redutseerima arseeni, kasutades seda hingamisel elektronaktseptorina. Samuti suudavad anaeroobid hingata sulfaate, rauda, mangaani, uraani, seleeni, nitraate. Me räägime ainult mikroobidest, millel pole formaliseeritud tuuma - prokarüoote, sealhulgas baktereid ja arhaea. Seal on seeni, mis kasvavad anaeroobselt, kuid see on haruldane ning eukarüootide (moodustatud tuumaga organismide) seas on see pigem erand kui reegel,”ütleb Roms Novosti Tomski Riikliku Ülikooli bioloogilise instituudi taimefüsioloogia ja biotehnoloogia osakonna juhataja Olga Karnachuk.
Vasakul - Felisa Wolf-Simon, kes avastas mikroorganismid, mis kasutavad fosforit rakkude ehitusmaterjalina. Paremal - bakteritüve GFAJ-1 vitamiinide, suhkrute ja arsenaatide toitelahuses.
Reklaamvideo:
Iidne ja visad
Rohkem kui kolm miljardit aastat tagasi toitusid esimesed elusorganismid Maal vesiniku ja väävli molekulidest.
„Anaeroobsetest hingamistest on kõige iidsem väävelhape. Väävel, nagu ka molekulaarne vesinik, pärines vulkaanidest. Seda tüüpi ainevahetust kasutati siis, kui kogu elu koosnes ainult bakteritest ja arhaast,”räägib Olga Karnachuk.
Tsüanobakterite ilmnemisega, mille ainevahetusprodukt oli hapnik, hakkas Maa atmosfääri koostis järk-järgult muutuma. Umbes 850–600 miljonit aastat tagasi oli õhus juba palju hapnikku. Muistsete mikroorganismide jaoks tähendas see katastroofi - hapnik on neile sama mürgine kui kloorgaas inimestele. Seetõttu surid mõned välja, teised (nn kohustuslikud anaeroobid) põgenesid toksilistesse kohtadesse - näiteks maa alla. Oli ka neid, kellel õnnestus kohaneda ja nad õppisid mürgise gaasi neutraliseerima.
Aja jooksul on mõned mikroorganismid "aru saanud": hapnik on tugev elektronide aktseptor ja sellega orgaanilisi molekule oksüdeerides saate palju eluks vajalikku energiat. See tähendab, et raku suurus suureneb, seetõttu paigutatakse sinna rohkem DNA-d ja struktuur muutub keerukamaks - just nii on võimalus muutuda mitmerakuliseks.
Loomad, kes ei saa hingata
“Taimed, loomad, inimesed - kõik hingavad hapnikku. See on kõige tõhusam viis energia saamiseks, seetõttu avanes aeroobse hingamise ilmnemisel elusorganismidele võimalus moodustada kõrgemaid vorme, sealhulgas inimesi. Anaeroobsed mikroobid on samuti võimelised arenema, kuid teises suunas. Paljud neist asusid ühendama kahte tüüpi hingamist. Näiteks hingab E. coli (Escherichia coli) hapnikku ja inimkehasse sattudes (anaeroobses keskkonnas) - nitraate. Kui tingimused on täiesti halvad, ei suuda bakter üldse hingata, eksleb see - see on täiesti teist tüüpi metabolism. Kõrgemate vormide hulgas selliseid oportuniste praktiliselt pole,”märgib ekspert.
Siiski on üks erand - alasti mutirott. See maa-aluses urgus elav imetaja maksab tundideks väga madalat hapniku taset ja täiesti ilma õhuta kestab 18 minutit (võrdluseks: inimese aju surm toimub keskmiselt viie minuti pärast hapnikuvabas keskkonnas).
Kui õhus on vähe O2, lülitub alasti mutirott ümber fruktoosi anaeroobse lagunemise - tulenevalt asjaolust, et GLUT5 kanalid, mis vastutavad fruktoosi verre sattumise eest veres, sünteesitakse erinevates kudedes. Teistes imetajates toodetakse neid ainult soolestikus.
Alasti mutirott - ainus imetaja, kes on võimeline fruktoosi anaeroobselt lagundama.
Inimese abistamiseks
“Maal on palju organisme, mis saavad ilma hapnikuta hakkama, kuna anaeroobsed tingimused on hõlpsasti loodud - näiteks lillepotti, kompostihunnikusse või ranniku setetesse, isegi meie enda kehas,” jätkab uurija.
Kuigi mõned anaeroobid põhjustavad tulistamisel või pussitamisel tõsiseid nakkusi, on enamik neist inimestele kasulik. Näiteks õpetasid San Diego California ülikooli teadlased baktereid Salmonella enterica hävitama vähkkasvajaid: mõni salmonella sünteesis toksiini, mis teeb vähirakkude membraanidesse auke, teine erilist valku, mis aktiveerib immuunsussüsteemi, ja veel teised tootid molekuli, mis käivitab vähirakkudes enesehävitusprogrammi.
Metanogeenseid arhaea kasutatakse biogaasi tootmisel tavalistest majapidamisjäätmetest ning sulfaate redutseerivad rühmad on võimelised puhastama reovett saastumisest.
„Täna suletakse paljud kaevandused sulfaadi kõrge kontsentratsiooni tõttu. Kivisöe kaevandamisel tekib suures koguses reovett, mis pärast puhastamist voolab jõgedesse. Kui sulfaate ei kõrvaldata, võivad kalad ja muud vee-elustikud talvel surma saada. Puhastame kaevanduste reovee nendest kahjulikest ühenditest, kasutades meie laboris kasvatatud mikroorganisme. Loome kaevandustes tingimused, et seal oleks võimalik hingata sulfaatidega ja kogu sulfaat eemaldatakse bakterite abiga. Seda tehnoloogiat kasutatakse praktikas juba Suurbritannias, USA-s, Saksamaal. Loome nüüd just biotehnoloogiat, mis suudaks töötada Venemaa madalates keskmise temperatuuriga kliimatingimustes, “lõpetab ekspert.
Alfiya Enikeeva
