Įdomioji biologija. Elektra mintančios ir ją generuojančios bakterijos

https://www.youtube.com/watch?v=rgkeckRSvV8
Šis "Įdomiosios biologijos" įrašas yra pasiūlytas vieno iš blog'o skaitytojo.

Gamtoje yra pačių įvairiausių mikrobų, kurie išgyvenimui naudoja pačias įvairiausias medžiagas. Kai kurių mikrobų dieta yra labai minimali, jiems reikia itin nedaug medžiagų. Yra ir tokių, kuriems nereikia nei deguonies, nei maisto. Viskas ko jiems reikia – gryna elektros energija.

Tokie mikrobai dažniausiai sutinkami dumblėtame jūrų dugne ar upių pakraščiuose. Juos surasti yra itin lengva: biologai šiuos mikrobus gali suvilioti į nuosėdas įbedę elektrodą (prašau, nedarykite to patys!). Arčiausiai esančios bakterijos netgi išsiaugina biologinius elektrinių laidų atitikmenis, kad kiti mikrobai, esantys toliau, galėtų prisijungti prie elektros šaltinio. Tai tikras gyvas elektros tinklas. Be to, panašu, kad ir mums gali būti naudos iš tokio mikroskopinio tinklo. Be kitų dalykų, toks tinklas gali suteikti efektyvų būdą naikinant toksines atliekas ir kitas aplinkos taršos formas.

Nors ir bakterijos, valgančios elektrą, gali atrodyti kaip iš mokslinės fantastikos scenarijaus, bet jų elgesys nėra toks egzotinis, kaip gali atrodyti. Visos Žemės gyvybės formos norint išgyventi naudoja energiją. Ši energija ateina iš elektronų, tų pačių mažyčių neigiamai įkrautų dalelių, kurie, keliaudami elektros laidais, sukuria elektros srovę.

Mes žmonės, kaip ir nemaža dalis kitų organizmų, šiuos elektronus gauname iš cukrų. Tam tikrų cheminių reakcijų metu, vykstančių ląstelėje, elektronai yra atpalaiduojami ir galiausiai patenka į deguonį, kurį gauname kvėpavimo metu. Ši elektronų srovė yra būtent tai, kas suteikia energijos mūsų organizmams. Tai reiškia, kad visos būtybės susiduria su tuo pačiu iššūkiu – nesvarbu, ar tai būtų vienaląstė bakterija, ar mėlynasis banginis, visiems reikia rasti elektronų šaltinį ir vietą, kur juos gali išmesti, jog užbaigtų ratą. Bet kas atsitinka, kai nėra deguonies, ant kurio yra permetami elektronai?

Geobacter metallireducens
Daug organizmų gyvena žemos deguonies koncentracijos aplinkoje, tad jie naudoja alternatyvius elektronų akceptorius (ne deguonį). Kai kurie „kvėpuoja“ metalais, o ne deguonimi. 1987 metais Derek Lovley ir jo laboratorijos komanda (Masačiusetso universitetas) aptiko pirmąsias tokias bakterijas Potomac upės krantuose, netoli Vašingtono. Šie mikrobai, Geobacter metallireducens, elektronus gauna iš organinių medžiagų ir perduoda juos geležies oksidams. Kitaip tariant, jie valgo atliekas (įskaitant ir etanolį) ir „kvėpuoja“ geležimi, o ne deguonimi. Be abejo, šis kvėpavimas nėra toks, kokį vykdome mes, nes bakterijos neturi plaučių. Vietoj to, bakterijos elektronus perduoda geležies oksidams, kurie yra už ląstelės. Jie tai atlieka per specialius į plaukus panašius laidus, kurie išsikiša iš ląstelės paviršiaus. Šie mažyčiai laidai veikia taip pat, kaip vario laidai, kai jie valdo elektros energiją. Šie laidai pavadinti mikrobiniais nanolaidais.

Geobacter bakterijos gali išgyventi naudodamos tokius energijos šaltinius, kurių negali naudoti dauguma kitų gyvybės formų. Jos netgi gali „valgyti“ taršą. Jos gali išsiliejusios naftos organinius junginius konvertuoti į anglies dioksidą ar tirpias radioaktyvių metalų formas, pavyzdžiui, plutonio ar urano, paversti netirpiomis, kurios ženkliai mažiau tikėtina, jog užterš požeminius vandenis. Be to, šių procesų metu jos generuoja elektrą.

1988 metais, praėjus metams, po Lovley atradimo, mikrobiologas Kenneth Nelson (Pietų Kalifornijos universitetas) atrado antrąją elektronus išskiriančią bakteriją. Jis tyrė keistą Oneida ežero (New York valstija) fenomeną. Ežere yra mangano, kuris reaguoja su oro deguonimi ir taip susidaro mangano oksidas. Tačiau, Nealson, ne taip kaip tikėjosi, nerado daug mangano oksido. To kaltininkas – Shewanella oneidensis. Ši bakterija kvėpuoja deguonimi, kai jo yra aplinkoje, bet dumblėtuose ežero krantuose, kur deguonies trūksta, ji elektronus perkelia mangano oksidui, taip gamindama elektros srovę. Ji gali naudoti ir kitus metalus, pavyzdžiui, geležį.

Tik neseniai suprasta, kaip šios bakterijos tai atlieka. Pažiūrėjus mikroskopu, buvo matyti, kad Shewanella turi ilgas ir plonas į plaukus panašias membranos ataugas. Pradžioje buvo manyta, kad šiomis ataugomis keliauja elektronai kaip vario laiduose ar panašiai kaip Geobater atveju. Tačiau paaiškėjo, kad šios ilgos ataugos yra laidžios tik išdžiovintos laboratorijoje. Vietoj to, Shewanella iš ląstelės elektronus išleidžia per transporto molekules, vadinamas flavinais, ir baltymus, įterptus į jų išorines membranas, vadinamus citochromais.

Aprašytos bakterijos kvėpuodamos gamina elektrą. Tačiau šios elektronus išleidžiančios bakterijos nėra vienintelės, kurias atrado mokslininkai.

Kol daugelis organizmų elektronus gauna iš angliavandenių, kai kurios bakterijos gali naudoti pačius gryniausius elektronus. Jos elektronus gauna iš mineralų ir akmenų. Tam tikru atžvilgiu, jos elektronus gauna tiesiai iš rozetės. Annette Rowe, Nealson studentė, vandenynų dugne nustatė šešias naujas bakterijų rūšis, kurios gali išgyventi vien naudodamos elektrą. Visos šios rūšys skyrėsi viena nuo kitos ir nei viena nebuvo panaši į Shewanella ar Geobacter.

Rowe surinko mėginius iš Catalina uosto dugno, parsinešė juos į laboratoriją ir įvedė elektrodus. Tada ji keitė elektrodų įtampą, kad pažiūrėtų, ar bakterijos „valgys“ elektrodo elektronus, ar perkels elektronus ant jų. Ji atrado, jog kai nėra jokio kito prieinamo maisto šaltinio, bakterijos tiesiogiai pasiima elektronus nuo elektrodų. Natūralioje aplinkoje, tikėtina, kad bakterijos elektronus gauna iš jūrų dugno geležies ir sieros. Rowe identifikuotos bakterijos priklauso Halomonas, Idiomarina, Marinobacter ir Pseudomonas (γ-Proteobacteria klasė) bei Thalassospira ir Thioclava (α-Proteobacteria klasė).

Dabar žinoma dar daugiau elektronus mylinčių bakterijų – tiesiog užtenka į žemę įbesti elektrodą ir greitai elektrodas bus padengtas bakterijomis. Eksperimentai rodo, jog šios bakterijos iš esmės valgo arba gamina elektrą.

Būtų nuostabu, jog egzistuotų tokios rūšys, kurios ir valgytų, ir išskirtų elektronus, tada jos galėtų egzistuoti naudodamos elektrą kaip vienintelį energijos šaltinį. Pasak Lovley, tokios rūšys jau yra atrastos. Kaip teigia jis, kai kurios Geobacter rūšys gali tiesiogiai perkelti elektronus elektrodams ir taip pat tiesiogiai priimti elektronus nuo jų. 2015 metais buvo atrasta, jog tokie mikrobai gali dirbti kartu ir perduodi elektronus vieni kitiems, susijungiant į elektros tinklą.

Vandenyno dugne gausu metano, kurį išskiria mikrobai, mintantys mirusių dumblių ir gyvūnų liekanomis. Jei šis metanas patektų į atmosferą, dujos sustiprintų globalinį atšilimą, bet laimei, yra mikrobų, kuriešią padėtį kontroliuoja. Skirtingos bakterijų ir archėjų rūšys susikooperuoja, jog suskaidytų metaną dar prueš jam patenkant į paviršių.

Gunter Wegener (Max Planck jūrų biologijos institutas, Bremen) susidomėjo, kaip vyksta šis procesas. Jis surinko mikrobų pavyzdžius, kurie gyvena vandenynų dugne 60°C temperatūroje ir pažiūrėjo į juos per mikroskopą. Jis pamatė plonas į laidus panašias struktūras, einančias iš bakterijų ląstelių. Nors jie tėra vos kelių nanometrų pločio, laidai yra keliolikos mikrometrų ilgio, taigi ilgesni nei pačios ląstelės. Pasirodo, kad bakterijos šiuos laidelius naudoja susijungimui su archėjomis. Archėjos naudoja metano elektronus, oksiduodamos dujas ir gamindamos karbonatą. Tada jos laidais elektronus perduoda partnerėms bakterijoms. Galiausiai, bakterijos perduoda elektronus sulfatams, generuodamos energiją, kurią ląstelės gali panaudoti.

Mokslininkai identifikavo genus, kurie koduoja šių nanolaidų gamybą. Tik kai yra pridedama metano, genai įsijungia ir susiformuoja nanolaidai tarp bakterijų ir archėjų. Tokia elektronų kooperacijos forma tarp dviejų tipų organizmų galėjo atsirasti prieš milijonus metų, kai Žemės atmosferoje nebuvo deguonies. „Vienas įdomiausių atradimų elektronus valgančių ir kvėpuojančių mikrobų srityje yra tarprūšinė elektronų pernaša“, - sako Lovley. „Mikroorganizmai susiriša kartu dalindamiesi elektronais, kad galėtų atlikti reakcijas, kurių vieni patys negalėtų atlikti“.

Lovley ir jo komanda rado ir kitas bakterijų bendruomenes, kurios perduoda elektronus vienos kitoms. Laboratorijoje, Lovley parodė, kad dvi Geobacter rūšys – G. metallireducens ir G. sulfurreducens – išgyvena formuodamos laidžius nanolaidų tinklus, per kurios gali keliauti elektronai. G. metallireducens pasiima elektronus iš etanolio ir juos tiesiogiai perduoda G. sulfurreducens, naudojant elektros tinklą.

Kai kurios bakterijos gali susijungti, formuodamos ilgus „kabelius“. Kabelių bakterijos gyvena jūrų dugne ir upėse, kur yra mažai deguonies. Be deguonies jos neturi kam perduoti elektronų. Kad susidorotų su šia problema, kabelių bakterijos, kurios priklauso Desulfobaceae šeimai, vienos ląstelės pločio formuoja grandines, kurios susideda iš tūkstančių ląstelių ir yra keliolikos centimetrų ilgio (didelis atstumas bakterijoms, kurios tėra 3 ar 4 mikrometrų ilgio), kol jos pasiekia aplinką, kurioje yra deguonies. Pirmoji grandinės bakterija, kuri gyvena mažos koncentracijos deguonies aplinkoje, pasiima elektronus iš sulfidų ir perduoda kitai grandinės bakterijai. Ši bakterija elektronus perduoda kitai ir t.t., kol galiausiai pasiekiama bakterija, kuri elektronus perduoda deguoniui. Tai reiškia, kad bakterijos, gyvenančios jūrų dugno dumblyne, kur nėra deguonies, gali pasiekti vandenyje ištirpusį deguonį, esantį aukščiau, paprasčiausiai „laikydamosi už rankų“ su kitomis bakterijomis.

Dar kitos bakterijos pasikliauja akmenimis ir mineralais. Buvo pastebėtos bakterijos, kurios prikimba prie laidžių medžiagų, pavyzdžiui, geležimi turtingo mineralo magnetito, kad perduotų elektronus viena kitoms per magnetitą. Manoma, kad gali susiformuoti magnetito grandinės, sujungdamos elektronus duodančias ir elektronus priimančias bakterijas.

Gali pasirodyti, kad šios bakterijos užima egzotines aplinkas, tačiau elektronais kvėpuojantys ir valgantys mikrobai sutinkami ir artimesnėse aplinkose. Pavyzdžiui, jie buvo rasti virduliuose, kurie konvertuoja alaus daryklos atliekas į metaną. Vienoje iš alaus daryklų, Geobacter metallireducens tiesiogiai perdavė elektronus kitai bakterijai Methanosaeta harundinacea, kuri perduoda elektronus anglies dioksidui. Yra tikėtina, kad žmogaus žarnyno bakterijos taip pat tokiu būdu sąveikauja su kitomis žarnyno bakterijomis.

Taigi, kodėl bakterijos įgavo tokią savybę? Gebėjimas išgyventi naudojant vien elektronus yra protingas būdas prisitaikyti, kai aplinka yra skurdi, pavyzdžiui, vandenyno dugnas ar giliai po žeme. Čia tiesiog nėra u-užtektinai energijos organizmams augti ar konkuruoti, bet yra užtektinai tam, kad galėtų egzistuoti. Jei gyvybė egzistuotų kitose Saulės Sistemos vietose, pavyzdžiui Marse ar Jupiterio palydove Europoje, būtų panašios skurdžios aplinkos. Astrobiologai, ieškantys nežemiškų gyvybės formų, turėtų susidomėti tokiais elektronais kvėpuojančiais ir elektronus valgančiais mikrobais. Ar nežemiška gyvybės forma egzituoja, ar ne, tokių bakterijų atradimas vis tiek yra neįtikėtinas atradimas. Viskas ko joms reikia, tai suteikti elektrodą, nuo kurio jos galėtų „kvėpuoti“ elektronais ir jos gali pavogti elektronus nuo toksinių atliekų, naftos išsiliejimo vietų ar radioaktyvių atliekų, valydamos atliekas ir generuodamos elektrą.

Neblogai vienaląsčiam organizmui.

Sekit ir dalinkitės. Iki kito susitikimo :)

Informacijos šaltiniai: 
  • http://www.bbc.com/earth/story/20160613-there-are-microbes-that-eat-and-poo-nothing-but-electricity

Komentarų nėra:

Rašyti komentarą

Follow by Email