Wenn infolge einer globalen Katastrophe kein Sauerstoff mehr in der Erdatmosphäre vorhanden ist, ist Escherichia coli einer der wenigen überlebenden Organismen. Sein Haupttrumpf ist die Fähigkeit, alles und überall zu atmen: an der Oberfläche, im Boden, im menschlichen Magen und nicht unbedingt mit Sauerstoff. Zusammen mit E. coli bleiben mehrere hundert Arten antiker Kreaturen auf dem Planeten, die Schwefel, Eisen, Uran und sogar Arsen atmen können.
Vergiftete Luft
Im Jahr 2010 entdeckte Felisa Wolf-Simon, eine Forscherin der NASA-Abteilung für Astrobiologie, während der Untersuchung des salzigen kalifornischen Mono Lake ungewöhnliche Bakterien. Sie lebten in Wasser, wo die Alkalikonzentration das 80-fache des entsprechenden Indikators im Ozean überstieg. Mikroben verwendeten Arsen zur Atmung, ein Gift für die meisten lebenden Organismen.
Im Labor wurde der als "Stamm GFAJ-1" bezeichnete Fund in eine Nährlösung mit einem normalen Gehalt an Zucker und Vitaminen gegeben, die jedoch völlig frei von Phosphaten war - Verbindungen, in denen Phosphor aus der Umwelt stammt. Stattdessen wurden Mikroorganismen mit Arsenaten (Arsenverbindungen) bepflanzt.
Es stellte sich heraus, dass Bakterien in einer phosphorfreien Umgebung nicht nur Arsen atmen, sondern auch wissen, wie man es anstelle von Phosphor in DNA- und RNA-Moleküle einbaut. In Bezug auf die chemischen Eigenschaften sind diese Elemente ähnlich - Enzyme in der Zelle unterscheiden Phosphat möglicherweise nicht von Arsenat, und dies kommt ziemlich häufig vor. Eine solche Substitution endet zwar normalerweise mit dem Tod und der Versteinerung von Bakterien, nicht jedoch im Fall des GFAJ-1-Stammes.
„Anaerobe Mikroorganismen (solche, die keinen Sauerstoff zum Leben benötigen oder tödlich sind. - Hrsg.) Können Arsen reduzieren und verwenden es bei der Atmung als Elektronenakzeptor. Anaerobier können auch Sulfate, Eisen, Mangan, Uran, Selen und Nitrate atmen. Wir sprechen nur von Mikroben, die keinen formalisierten Kern haben - Prokaryoten, einschließlich Bakterien und Archaeen. Es gibt Pilze, die anaerob wachsen, aber dies ist selten, und bei Eukaryoten (Organismen mit einem gebildeten Kern) ist dies eher die Ausnahme als die Regel “, sagt Olga Karnachuk, Leiterin der Abteilung für Pflanzenphysiologie und Biotechnologie am Biologischen Institut der Staatlichen Universität Tomsk, gegenüber der RIA Nowosti.
Links - Felisa Wolf-Simon, die Mikroorganismen entdeckte, die Phosphor als Baumaterial für Zellen verwenden. Rechts - Bakterienstamm GFAJ-1 in einer Nährlösung, die Vitamine, Zucker und Arsenate enthält.
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Uralt und hartnäckig
Vor mehr als drei Milliarden Jahren ernährten sich die ersten lebenden Organismen der Erde von Wasserstoff- und Schwefelmolekülen.
„Der älteste anaerobe Atemzug ist der schwefelhaltige Atemzug. Schwefel stammte wie molekularer Wasserstoff aus Vulkanen. Diese Art des Stoffwechsels wurde verwendet, als alles Leben nur aus Bakterien und Archaeen bestand “, sagt Olga Karnachuk.
Mit dem Auftreten von Cyanobakterien, deren Stoffwechselprodukt Sauerstoff war, begann sich die Zusammensetzung der Erdatmosphäre allmählich zu ändern. Vor ungefähr 850-600 Millionen Jahren war bereits viel O2 in der Luft. Für alte Mikroorganismen bedeutete dies eine Katastrophe - Sauerstoff ist für sie genauso giftig wie Chlorgas für den Menschen. Daher starben einige aus, andere (die sogenannten obligaten Anaerobier) flohen an anoxische Orte - zum Beispiel in den Untergrund. Es gab auch diejenigen, die sich anpassen konnten und lernten, giftige Gase zu neutralisieren.
Im Laufe der Zeit "verstanden" einige Mikroorganismen: Sauerstoff ist ein starker Elektronenakzeptor, und wenn man damit organische Moleküle oxidiert, kann man viel Energie erhalten, die für das Leben notwendig ist. Dies bedeutet, dass die Größe der Zelle zunimmt, daher mehr DNA darin platziert wird und die Struktur komplexer wird - auf diese Weise besteht die Möglichkeit, mehrzellig zu werden.
Tiere, die nicht atmen können
„Pflanzen, Tiere, Menschen - jeder atmet Sauerstoff. Dies ist der effektivste Weg, um Energie zu gewinnen. Als die aerobe Atmung auftrat, eröffnete sich die Aussicht für lebende Organismen, höhere Formen zu bilden, einschließlich des Menschen. Anaerobe Mikroben können sich ebenfalls entwickeln, jedoch in eine andere Richtung. Viele von ihnen gingen den Weg, die beiden Arten der Atmung zu kombinieren. Zum Beispiel atmet E. coli (Escherichia coli) Sauerstoff und beim Eintritt in den menschlichen Körper (in einer anaeroben Umgebung) Nitrate. Wenn die Bedingungen völlig schlecht sind, kann das Bakterium überhaupt nicht atmen, es wandert - dies ist eine völlig andere Art des Stoffwechsels. Unter den höheren Formen gibt es praktisch keine solchen Opportunisten “, stellt der Experte fest.
Es gibt jedoch eine Ausnahme - die nackte Maulwurfsratte. Dieses Säugetier, das in unterirdischen Höhlen lebt, kostet stundenlang einen sehr geringen Sauerstoffgehalt und hält ohne Luft bis zu 18 Minuten lang (zum Vergleich: Der menschliche Hirntod tritt durchschnittlich nach fünf Minuten in einer sauerstofffreien Umgebung auf).
Wenn wenig O2 in der Luft ist, wechselt die nackte Maulwurfsratte zum anaeroben Abbau von Fructose - aufgrund der Tatsache, dass GLUT5-Kanäle, die für die Freisetzung von Fructose in das Blut verantwortlich sind, in verschiedenen Geweben synthetisiert werden. Bei anderen Säugetieren werden sie nur im Darm produziert.
Nackte Maulwurfsratte - das einzige Säugetier, das zum anaeroben Abbau von Fructose fähig ist.
Einer Person helfen
„Es gibt viele Organismen auf der Erde, die auf Sauerstoff verzichten können, da leicht anaerobe Bedingungen entstehen - zum Beispiel in einem Blumentopf, einem Komposthaufen oder einem Küstensediment, sogar in unserem eigenen Körper“, fährt der Forscher fort.
Während einige Anaerobier beim Schießen oder Stechen schwere Infektionen verursachen, kommen die meisten Menschen zugute. Zum Beispiel haben Wissenschaftler der Universität von Kalifornien in San Diego den Bakterien Salmonella enterica beigebracht, Krebstumoren zu zerstören: Einige Salmonellen synthetisierten ein Toxin, das Löcher in die Membranen von Krebszellen bohrt, das zweite ein spezielles Protein, das das Immunsystem aktiviert, und wieder andere produzierten ein Molekül, das ein Selbstzerstörungsprogramm in Krebszellen auslöst.
Methanogene Archaeen werden zur Herstellung von Biogas aus gewöhnlichem Hausmüll verwendet, und sulfatreduzierende Gruppen können Abwasser von Verunreinigungen reinigen.
„Heute werden viele Minen wegen der hohen Sulfatkonzentration geschlossen. Beim Abbau von Kohle entsteht eine große Menge Abwasser, das nach der Reinigung in die Flüsse fließt. Wenn Sulfate nicht entsorgt werden, können im Winter Fische und andere aquatische Biota getötet werden. Wir reinigen Minenabwasser von diesen schädlichen Verbindungen unter Verwendung von Mikroorganismen, die in unserem Labor gezüchtet wurden. Wir schaffen Bedingungen in Minen, damit dort eine Sulfatatmung möglich ist und das gesamte Sulfat mit Hilfe von Bakterien entfernt wird. Diese Technologie wird bereits in Großbritannien, den USA und Deutschland in der Praxis eingesetzt. Wir schaffen gerade eine Biotechnologie, die unter den klimatischen Bedingungen Russlands mit niedrigen durchschnittlichen Jahrestemperaturen funktioniert “, schließt der Experte.
Alfiya Enikeeva
