Жизнь на дне океана Земли и океанов на других планетах — новое исследование

Эти вентиляционные отверстия изрыгивают горячие жидкости в чрезвычайно холодную морскую воду, создавая химические силы, необходимые для жизни мелких организмов, населяющих эту экстремальную среду.

Дымовая труба из гидротермального жерлового поля Си Клифф, расположенного на глубине более 8 800 футов (2700 метров) под поверхностью моря на подводной границе тектонических плит Тихого океана и Горда. Предоставлено: Ocean Exploration Trust.

В недавно опубликованном исследовании биогеологи Джеффри Дик и Эверетт Шок определили, что конкретные гидротермальные среды морского дна обеспечивают уникальную среду обитания, в которой могут процветать определенные организмы. Тем самым они открыли новые возможности для жизни в темноте на дне океанов на Земле, а также во всей Солнечной системе.

На суше, когда организмы получают энергию из пищи, которую они едят, они делают это посредством процесса, называемого клеточным дыханием, при котором происходит поступление кислорода и выделение углекислого газа. С биологической точки зрения молекулы в нашей пище нестабильны в присутствии кислорода, и именно эта нестабильность используется нашими клетками для роста и размножения — процесса, называемого биосинтезом.

Но для организмов, живущих на морском дне, условия жизни кардинально иные.

«На суше, в богатой кислородом атмосфере Земли, многим людям известно, что создание молекул жизни требует энергии», — сказал соавтор Shock из Школы исследования Земли и космоса и Школы молекулярных наук Университета штата Аризона. . «В противоположность этому, вокруг гидротермальных жерл на морском дне горячие жидкости смешиваются с чрезвычайно холодной морской водой, создавая условия, при которых молекулы жизни высвобождают энергию».

В глубоководных микробных экосистемах организмы процветают возле жерл, где гидротермальные жидкости смешиваются с окружающей морской водой. Предыдущее исследование, проведенное Шоком, показало, что биосинтез основных клеточных строительных блоков, таких как аминокислоты и сахара, особенно благоприятен в тех областях, где жерла состоят из ультраосновных пород (вулканических и мета-магматических пород с очень низким содержанием кремнезема), потому что они горные породы производят больше всего водорода.

Помимо основных строительных блоков, таких как аминокислоты и сахара, клеткам необходимо образовывать более крупные молекулы или полимеры, также известные как биомакромолекулы. Белки являются наиболее распространенными из этих молекул в клетках, и сама реакция полимеризации (когда небольшие молекулы объединяются для образования более крупной биомолекулы) требует энергии почти во всех мыслимых средах.

«Другими словами, там, где есть жизнь, там и вода, но вода должна быть вытеснена из системы, чтобы полимеризация стала благоприятной», — сказал ведущий автор Дик, который был докторантом в АГУ, когда началось это исследование, и который В настоящее время работает исследователем-геохимиком в Школе наук о Земле и инфо-физике Центрально-Южного университета в Чанша, Китай. «Итак, есть два противоположных потока энергии: высвобождение энергии путем биосинтеза основных строительных блоков и энергия, необходимая для полимеризации».

Дик и Шок хотели знать, что происходит, когда вы их складываете: получаете ли вы белки, общий синтез которых действительно благоприятен в зоне смешивания?

Они подошли к этой проблеме, используя уникальное сочетание теории и данных.

С теоретической точки зрения они использовали термодинамическую модель белков, называемую «групповой аддитивностью», которая учитывает конкретные аминокислоты в белковых последовательностях, а также энергии полимеризации. Для получения данных они использовали все последовательности белков во всем геноме хорошо изученного желудочного организма под названием Methanocaldococcus jannaschii.

Проведя расчеты, они смогли показать, что общий синтез почти всех белков в геноме высвобождает энергию в зоне смешения ультрабазитов при температуре, при которой этот организм растет быстрее всего, около 185 градусов по Фаренгейту ( 85 по Цельсию). Напротив, в другой вентиляционной системе, которая производит меньше водорода (базальтовая система), синтез белков не является благоприятным.

«Это открытие открывает новый взгляд не только на биохимию, но и на экологию, поскольку предполагает, что определенные группы организмов по своей природе более предпочтительны в конкретных гидротермальных условиях», — сказал Дик. «Исследования микробной экологии показали, что метаногены, одним из представителей которых является Methanocaldococcus jannaschii, более распространены в вентиляционных системах с ультраосновными нейтронами, чем в базальтовых системах. Благоприятная энергетика синтеза протеина в системах, размещенных на ультраосновных фермах, согласуется с этим распределением ».

Что касается следующих шагов, Дик и Шок ищут способы использовать эти энергетические вычисления на древе жизни, которые, как они надеются, обеспечат более прочную связь между геохимией и эволюцией генома.

«В ходе исследований нам снова и снова напоминают, что мы никогда не должны приравнивать место, где мы живем, к тому, что пригодно для жизни», — сказал Шок.