|
Важнейшая система для изучения нашей планеты
|
|
|
|
Миллиарды лет назад Земля была домом для экстремальных условий, включая интенсивное ультрафиолетовое излучение, частые извержения вулканов и очень высокую концентрацию углекислого газа в атмосфере. Тем не менее, в этих условиях образовывались биопленки, и в этих плотных, слизистых условиях происходили захватывающие вещи.
|
|
|
|
Профессор кафедры наук о Земле и кафедры морских наук Питер Вишер опубликовал несколько недавних статей, в которых исследуются эти захватывающие вещи, в том числе эволюция наших самых ранних предков и процессы, которые сделали возможной жизнь на планете Земля. Вишер говорит, что эти результаты подчеркивают нашу необходимость переосмыслить то, как мы смотрим на эволюцию жизни на Земле, потому что слизь играла и продолжает играть огромную роль.
|
|
|
|
Биопленки - это сообщества микроорганизмов, таких как бактерии, а также других организмов, таких как протисты и вирусы. Они являются домом для древнейших форм жизни на Земле, и Вишер говорит, что со временем они несколько изменились, но, скорее всего, сегодня они все еще построены так же, как и три с половиной миллиарда лет назад.
|
|
|
|
Все микроорганизмы в сообществе выполняют различные функции; например, современные биопленки состоят из длинных, похожих на кабели нитей сине-зеленых водорослей, также известных как цианобактерии, которые обеспечивают структурную поддержку биопленки, но они также выделяют экзополимерное вещество (EPS), придающее пленке ячеистую структуру и его слизистые свойства.
|
|
|
|
|
|
|
По словам Вишера, слизь имеет решающее значение, поскольку она помогает биопленкам удерживать такие элементы, как кальций, магний и даже кадмий и мышьяк. Именно в результате этого процесса биопленки образуют характерные цементоподобные слои этих созданных микробами структур, называемых микробиалитами.
|
|
|
|
Поскольку с течением времени микробиалиты накапливают все больше слоев, они откладываются в летописи окаменелостей в виде структур, называемых строматолитами. Свидетельства существования этих древних биопленок найдены в таких местах, как Пилбара, Австралия, и Барбертон, Южная Африка.
|
|
|
|
Современные (живые) аналоги этих растений существуют в заливе Шарк в Австралии, Хайборн-Кей на Багамах, Фейетвилл-Грин-Лейкс в Нью-Йорке и пустыне Атакама в Чили. Вишер проводит многие свои исследования в этих местах, анализируя свежие и окаменелые биопленки.
|
|
|
|
"Матрица слизи играет важную роль в образовании этих минералов", - говорит Вишер.
|
|
|
|
Чтобы выяснить, насколько важны биопленки для глобального круговорота углерода, Вишер и его коллеги изучили "процессы побелки", которые происходят в океане и озерах, когда образуется огромное количество карбоната кальция. Они изучали не только толщу воды, но и отложения.
|
|
|
|
Их результаты были недавно опубликованы в журнале Communications Earth & Environment. Они обнаружили, что наиболее важные процессы осаждения карбонатных минералов происходят в отложениях, а не в толще воды.
|
|
|
|
"Эти события важны в глобальном углеродном цикле, потому что карбонат кальция оседает, и в конечном итоге большая его часть оказывается погребенной на дне", - говорит Вишер. "Именно так наша планета стала более пригодной для жизни, потому что этот процесс был важен для удаления углерода из атмосферы.
|
|
|
|
"Но то, что мы обнаружили, - это фитопланктон, и многие из них - цианобактерии, обитающие в воде; они также производят слизь, но не обязательно карбонатные минералы. Вместо этого их слизь действует как губка для карбоната кальция, а затем опускается на дно.
|
|
|
|
"Слизь задерживает много кальция и действует как конвейерная лента, проходящая глубже, и мы видим, что в отложениях возрастом от 2000 до 3000 лет микробы все еще активно осаждают карбонатные минералы. Этот процесс определял и продолжает определять наш климат на протяжении четырех миллиардов лет".
|
|
|
|
Вишер говорит, что эти открытия о роли биопленок показывают, что нам нужно по-другому относиться к долгосрочному углеродному циклу. Они также дают представление об эволюции наших самых ранних предков. Организмы, такие как люди, клетки которых содержат ядро, называются эукариотами, и наши самые ранние предки—эукариоты, возможно, развились благодаря слизи.
|
|
|
|
"Наши выводы дают ключ к пониманию их эволюции; микробиалиты и строматолиты являются древнейшими свидетельствами существования жизни на Земле. Всегда ведутся споры о том, зародилась ли жизнь в гидротермальных источниках или, как сказал Чарльз Дарвин, в маленьком теплом бассейне, возможно, в приливно-отливной зоне, или, возможно, в гейзерах, наполняющих озеро. Есть все больше свидетельств того, что это произошло в озерной среде, и действительно, системы, которые мы изучаем в современной среде, проявляются там в очень упрощенных формах".
|
|
|
|
В этих плотных биопленочных сообществах, где организмы находятся в тесном контакте друг с другом, защищенные от потенциально экстремальных условий, слизистая среда открывает новые эволюционные возможности. Вишер и его коллеги решили изучить пресноводных и морских микробиалитов.
|
|
|
|
Эти результаты были недавно опубликованы в журнале npj Biofilms and Microbiomes, и, хотя они обнаружили, что структуры во многом схожи, сообщества были разными, что, возможно, по-разному повлияло на эволюцию в этих системах.
|
|
|
|
Чтобы углубиться в этот вопрос, Вишер говорит, что еще один проект, над которым он в настоящее время работает, - это исследование типа архей под названием Lokiarchaeota. Первоначально эти организмы были обнаружены вблизи гидротермальных источников, но Вишер и его коллеги начали искать их в микробных зарослях в заливе Шарк, где они обнаружили локиархеоту в изобилии.
|
|
|
|
"Идея заключается в том, что локиархеота и альфа-протеобактерия вместе образовали первую эукариотическую клетку, и в эту историю происхождения верят все больше и больше людей. Важно найти их как в строматолитах, так и в микробных матах, и мы решили сначала изучить современные микробиалиты".
|
|
|
|
Вишер говорит, что в современных матах они обнаружили, что в хорошо организованном слое строматолита иногда можно наблюдать так называемую "свернувшуюся" структуру, или тромболиты. Этот беспорядочный внешний вид обусловлен присутствием протистов — разновидности эукариот, которые проникают внутрь и поедают цианобактерии, обеспечивающие структуру. Это помогает собрать воедино эволюционную головоломку, - говорит Висшер,
|
|
|
|
"Идея заключается в том, что эти протисты также могут играть важную роль в качестве молекулярных индикаторов в эволюционной истории. До недавнего времени считалось, что возраст самых древних тромболитов составляет около 1,9 миллиарда лет. В Австралии были найдены некоторые из них, возраст которых может составлять 2,3 миллиарда лет".
|
|
|
|
Эти открытия Вишера и его коллег показывают, какую важную роль слизь сыграла в эволюции жизни на планете Земля. Биопленки были местом, где создавались определенные условия, делавшие жизнь возможной.
|
|
|
|
Например, биопленки существовали еще до появления кислорода, говорит Вишер. До того, как кислород стал свободно поступать в атмосферу, метаболические функции, необходимые для жизни, зависели от других элементов, таких как железо или мышьяк. Изучение слоев древних биопленок позволило Вишеру и другим ученым собрать воедино данные об условиях ранней Земли и о том, как развивалась жизнь в этих экстремальных условиях, которые они подробно описали в другой недавней публикации в журнале Geobiology.
|
|
|
|
"Эти биопленки, по сути, изобрели кислород, и, очевидно, изобретение кислородного фотосинтеза очень важно для нас, но как эти процессы протекали до появления кислорода? Именно здесь мышьяк был очень важен", - говорит Вишер. "Проследив это во времени, вы сможете получить некоторые доказательства того, как могли работать эти системы".
|
|
|
|
Биопленкам, новым и древним, еще многое предстоит узнать. Однако ясно одно: изучая эти системы, мы, похоже, многим обязаны slime, - говорит Вишер.
|
|
|
|
"Эти биопленки просто замечательны. Они могут стать идеальной системой для изучения, чтобы понять нашу планету".
|
|
|
|
Источник
|
