Parašyta Akmenyje

Savo biure 68 pastate Dianne Newman laiko poliruotą, sferinę uolą, išmargintą geležies juostomis. Tokios uolienos, esančios kiekviename žemyne, yra labiausiai paplitęs geležies rūdos šaltinis. O Newmanui tokie egzemplioriai, kaip šis 2,4 milijardo metų senumo pavyzdys, suteikia įžvalgų, kurios galėtų padėti atskleisti labai sudėtingą Žemės istorijos dalį. Kada senovės mikrobai pradėjo gaminti deguonį, kuriuo kvėpuojame, ir kokie jie buvo?

Newman neplanavo skirti savo karjeros tokių klausimų tyrinėjimui. Ji atvyko į MIT 1993 m., kad įgytų inžinerijos magistro laipsnį, manydama, kad kelerius metus dirbs šioje srityje, o tada įstojusi į teisės mokyklą, kad taptų patentine patikėtine. Tačiau aplinkos mikrobiologijos klasė ją sužavėjo bakterijų metabolizmo įvairove – cheminėmis reakcijomis, kurias jos atlieka, kad galėtų gyventi. Ji prisimena, kad sužinojau, kad bakterijos gali valgyti toksiškus junginius ir paversti juos gerybiniais. Projektas, paskatinęs bakterijas arseną paversti puslaidininkine medžiaga, paskatino ją domėtis, kaip bakterijos galėjo formuoti Žemės cheminę sudėtį, ir ji persikėlė į Geomokslų skyrių, kur įgijo daktaro laipsnį. Po septynerių metų Caltech, ji prisijungė prie MIT fakulteto 2007 m. kaip biologijos ir geobiologijos profesorė.

Ši istorija buvo mūsų 2008 m. lapkričio mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Mikrobai yra geriausi planetos chemikai, stebisi Newmanas. Tiesą sakant, pakankamai gerai, kad būtų pakeista aplinka. Kai mūsų Saulės sistema susiformavo prieš 4,5 milijardo metų, Žemės atmosferoje beveik trūko deguonies. Pirmosios vienaląstės gyvybės formos, atsiradusios maždaug prieš 3,8 milijardo metų, tikriausiai gyveno jūrose ir turėjo medžiagų apykaitą, kuriai nereikėjo deguonies ir jo kaip šalutinio produkto nebuvo. Kai kurie iš jų pragyveno iš geležies; jų medžiagų apykaitos procesai pakeitė geležies cheminę būseną ir sukūrė nuosėdas Newmano uolienoje. Kiti tikriausiai maitinosi siera.

Ir tada atsitiko kažkas, dėl ko gyvūnų ir augalų gyvybė tapo įmanoma tokia, kokią mes žinome. Kai kurios bakterijos pradėjo naudoti saulės šviesą, kad skaidytų vandenį į vandenilį, kurį naudojo kurui gaminti, ir deguonį, kurį išleido kaip atliekas. Deguonies fotosintezės dėka maždaug prieš 2,4 milijardo metų atmosferoje ir sekliausiame vandenyno vandenyje buvo didelis deguonies kiekis; maždaug prieš 540 milijonų metų deguonies lygis buvo panašus į dabartinį.

Klausimas, kuris organizmas pirmasis pradėjo gaminti deguonį ir kada, yra viena didžiausių paslapčių Žemės istorijoje. Tai tikrai sunki problema, bet tikrai viliojanti, sako Newman.

Norėdami atsakyti į tai, Newman ir kiti MIT ir visame pasaulyje daugiausia dėmesio skiria uolienoms, tokioms kaip jos biure. Kaip ir dinozaurų kaulai, senovės jūrose gyvenančių bakterijų liekanos buvo įtrauktos į uolieną per milijonus (bakterijų atveju – milijardus) metų. Tyrėjai žino, kad tam tikri junginiai susidaro tik per gyvuose organizmuose vykdomus procesus, todėl pamatę tokius junginius uolienoje, vadinasi, uoliena atspindi senovės gyvybės pėdsakus. Geobiologai interpretuoja šias bakterijų fosilijas, lygindamos jose esančius cheminius junginius su šiuolaikinių bakterijų, kurios vis dar remiasi senoviniais medžiagų apykaitos procesais, sukurtais junginiais. Atlikdami tokią analizę, jie tikisi išsiaiškinti, kurie mikrobai sukūrė uolienose likusius cheminius junginius. Turite pažvelgti į šių cheminių medžiagų funkciją daugelyje gyvų organizmų, sako Newmanas. Tokia logika mus sieja su praeitimi.

Vienas iš svarbiausių cheminių pėdsakų, kuriuos paliko senovės bakterijos, yra junginių grupė, vadinama 2-metil-BHP. 1999 metais MIT geobiologijos profesorius Rogeris Summonsas su kolegomis šiuos junginius aptiko 2,5 milijardo metų senumo uolienose iš Hamersley baseino Vakarų Australijoje. Šios uolienos iš geležies kasyklos yra panašios į poliruotą Newmano biure. Šiandien deguonį gaminantys fotosintezatoriai, vadinami cianobakterijomis, yra pagrindiniai šių BHP gamintojai. Dėl šios ir daugelio kitų priežasčių, įskaitant tam tikras Hamersley vietovės ypatybes, Summonsas ir kiti radinį interpretavo kaip įrodymą, kad cianobakterijos vykdė šiuolaikinę fotosintezę prieš 2,5 milijardo metų. Logika buvo ta, kad šiuos junginius gamina cianobakterijos; cianobakterijos atlieka deguonies fotosintezę; todėl tuo metu vyko deguonies fotosintezė, sako Newmanas.

Newman mano, kad jos pačios tyrimas verčia abejoti šia išvada. Ji tyrinėjo kitą BHP gaminančių bakterijų padermę: vadinamąsias purpurines bakterijas, kurios negali naudoti vandens deguoniui gaminti. Vietoj to, jie oksiduoja geležį, vandenilį ar įvairius organinius junginius. Mes stengiamės išsiaiškinti [BHP] funkciją ląstelėse, kurios šiandien juos gamina, sako ji. Mūsų preliminarūs rezultatai rodo, kad BHP neturi tiesioginio ryšio su fotosinteze. Summons, bendradarbiaujanti su Newman kai kuriuose jos tyrimuose, nepriima jos skepticizmo asmeniškai; jis įsitikinęs, kad jos darbas padės suprasti šiuos junginius ir ypač kodėl ir kaip juos gamina bakterijos. Tačiau jis taip pat atkreipia dėmesį į tai, kad jos išvados nepaneigia teorijos, kad Hamersley mieste yra išsaugoti cianobakterijų palikti cheminiai pėdsakai.

Tuo tarpu Newmano darbas su bakteriniais junginiais, žinomais kaip fenazinai, išryškina problemą, kuri yra labiau aktuali nei mūsų deguonies turtingo oro paslaptis. Pakeitus būdą, kaip mokslininkai supranta šias organines molekules, jos tyrimai gali paskatinti naujus lėtinių bakterinių infekcijų gydymo būdus.

Fenazinai jau seniai buvo klasifikuojami kaip antriniai metabolitai, šalutiniai procesų, kurie gamina svarbesnius metabolinius junginius, produktai. Taip pat jau seniai žinoma, kad jie veikia kaip antibiotikai. Tačiau Newmanas įrodė, kad fenazinai taip pat turi didelį poveikį mikrobų išlikimui ir vystymuisi.

Newmanui kilo mintis atlikti šį tyrimą tyrinėdamas bakterijas, kurios, kad ir kaip keistai tai skambėtų, kvėpuoti naudoja geležies turinčias uolienas. Žmonės naudoja deguonį, kad sudegintų anglį, tarkime, tuno sumuštinyje, sukurdami energiją; deguonies vaidmuo yra priimti elektronus iš anglies. Geležis atlieka panašų vaidmenį uolienomis kvėpuojančioms bakterijoms, kurios gauna energiją, kai perkelia anglies turinčių junginių, tokių kaip gliukozė, elektronus į geležį uolienose. Tai nėra kvėpavimas žmogaus prasme – pati geležis nepatenka į ląsteles, kaip deguonis patenka į plaučius. Atvirkščiai, uolienomis kvėpuojančios bakterijos perduoda elektros srovę į geležį, naudodamos molekules, kurios veikia kaip elektronų šaudyklės. Šios molekulės perneša elektronus iš vienos bakterijos ląstelės į kitą ir galiausiai į juodosios uolienos paviršių, kaip publikos rankos, plukdančios minioje banglenčių roko žvaigždę. Newman ir jos kolegos iškelia hipotezę, kad fenazinai gali veikti kaip elektronų pernešėjai kitose bakterijose.

Jei jie teisūs, jų įžvalga gali turėti platesnių pasekmių, nes ji sprendžia tai, ką Newmano vadina bendra problema, su kuria susiduria bakterijos, augančios ant bet kokio paviršiaus. Nedaug bakterijų gyvena pačios. Nesvarbu, iš kur ir kaip jie gauna energijos – ar jie mėgaujasi cukrumi jūsų dantų plyšiuose, ar iš povandeninių angų išsilieja sierą – dauguma bakterijų gyvena storose, lipniose bendruomenėse, vadinamose bioplėvelėmis. Bioplėvelėje kai kurie iš jų bus arčiau nei kiti cheminėms medžiagoms, kurių jiems reikia energijos gamybos reakcijoms atlikti. Kai Newman galvojo apie tai, kaip geležimi kvėpuojančios bakterijos naudoja elektroninius šautuvus, kad perneštų savo elektronus iš gilios bioplėvelės į uolienų paviršių, ji suprato, kad bakterijos, augančios mūsų kūno bioplėvelėse, gali padaryti kažką panašaus.

Newmanas nusprendė išbandyti fenazinų, kuriuos gamina žmogaus patogenas Pseudomonas aeruginosa, sukeliantis rimtas lėtines infekcijas žmonėms, sergantiems cistine fibroze arba kurių imuninė sistema buvo pažeista, svarbą. Šios bakterijos, gyvendamos plaučiuose, susidurtų su ta pačia problema, kaip ir uolienų kvėpuojančių pasaulių: esančios bioplėvelės viduryje būtų izoliuotos nuo svarbaus energetinio substrato, šiuo atveju deguonies.

Siekdami patikrinti, ar šios bakterijos gali panaudoti fenazinus, kad įveiktų bendruomeninio gyvenimo iššūkius, Newmano laboratorijos mokslininkai sukūrė dvi jų mutantines padermes. Viena atmaina negalėjo pagaminti fenazinų, o kita jų gamino didelius kiekius. Kai Newman ir jos bendradarbiai augino bakterijas Petri lėkštelėse, jie pastebėjo savo bendruomenių architektūros skirtumus. Perteklinė padermė išaugo sandariu, lygiu sluoksniu, pasklidusiu kaip Los Andžele. Fenazino neturinti padermė taip pat išplito dideliame plote, tačiau išaugo aukštuose bokštuose, pastatytuose kaip Niujorke – tikriausiai siekiant maksimaliai padidinti kiekvienos ląstelės poveikį ore esančiam deguoniui.

Šie rezultatai yra daug žadantys; Dabar Newmanas turi atlikti testus, kad pamatytų, kaip dvi mutantinės padermės auga plaučiuose. Jei Pseudomonas išgyventi reikia fenazinų, mokslininkai teoriškai galėtų sukurti gydymo būdus, kurie neleidžia bakterijoms sintetinti arba jas panaudoti; kurie gali padėti išnaikinti lėtines infekcijas.

Deguonies prieinamumas šiandien yra tokia pat problema, kaip ir anksčiau, sako Newmanas. Būtent tokie ryšiai paverčia geobiologiją turtinga ir stebinančiomis žiniomis ne tik apie planetos istoriją, bet ir apie mūsų dabartį.

paslėpti