В пустыне Атакама на севере Чили, одном из самых засушливых мест на Земле, микроорганизмы могут влачить существование, извлекая воду из тех самых скал, которые они колонизируют.
Благодаря работе в полевых условиях и лабораторным экспериментам исследователи из Калифорнийского университета в Ирвине, а также из Университета Джона Хопкинса и Калифорнийского университета в Риверсайде получили глубокое понимание механизмов, с помощью которых некоторые цианобактерии выживают в суровых условиях..
Новые идеи, опубликованные сегодня в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, демонстрируют, как жизнь может процветать в местах, где нет большого количества воды, таких как Марс, и как люди, живущие в засушливых регионах, могут когда-нибудь получать гидратацию из доступных минералы.
«Армейское исследовательское управление финансировало этот проект, потому что они хотят понять, как организмы могут выживать в экстремальных условиях», - сказал ведущий автор Дэвид Кисайлус, профессор UCI по материаловедению и инженерии. «Они также хотели, чтобы мы помогли перевести это на то, чтобы люди могли справляться с самыми суровыми условиями, будь то посреди пустыни или во время исследования других планет».
Исследовательская группа сосредоточилась на взаимодействии Chroococcidiopsis, устойчивых к высыханию цианобактерий, встречающихся в пустынях по всему миру, и гипса, водосодержащего минерала на основе сульфата кальция. Колонизирующие формы жизни существуют под тонким слоем скалы, что дает им некоторую защиту от сильного солнечного излучения Атакамы, крайней засухи и сильных ветров.
Соавтор Джоселин Ди Руджеро, доцент кафедры биологии Университета Джона Хопкинса, отправилась в далекую пустыню, чтобы собрать образцы гипса, которые были доставлены в ее лабораторию в США. Она вырезала небольшие кусочки, содержащие цианобактерии, и отправила их в лабораторию Кисайлуса для анализа материалов.
В одном из самых поразительных открытий исследования исследователи узнали, что микроорганизмы изменяют саму природу породы, которую они занимают. Извлекая воду, они вызывают фазовое превращение материала - из гипса в ангидрит, обезвоженный минерал.
По словам ДиРуджиеро, толчком к опубликованию работы послужило то, что Вэй Хуан, докторант UCI в области материаловедения и инженерии, обнаружил данные, свидетельствующие о перекрытии концентраций ангидрита и цианобактерий в образцах гипса, собранных в Атакаме.
«Наш анализ областей породы, где были колонизированы микробы, выявил дегидратированную фазу сульфата кальция, что позволяет предположить, что они извлекают воду из породы, чтобы выжить», - сказал Кисайлус.«Мы хотели провести еще несколько контролируемых экспериментов, чтобы подтвердить эту гипотезу».
Команда Ди Руджеро затем позволила организмам колонизировать полумиллиметровые кубы скалы, называемые купонами, в двух разных условиях: один в присутствии воды, чтобы имитировать среду с высокой влажностью, а другой полностью сухой. Под воздействием влаги гипс не перешел в ангидритную фазу.
Цианобактерии «не нуждались в воде из камня, они получали ее из своего окружения», - сказал Кисайлус. «Но когда они были помещены в стрессовые условия, у микробов не было другого выбора, кроме как извлекать воду из гипса, вызывая это фазовое превращение в материале».
Его команда использовала комбинацию современной микроскопии и спектроскопии для изучения взаимодействия между биологическими и геологическими аналогами и обнаружила, что организмы проникают в горную породу, как крошечные шахтеры, выделяя биопленку, содержащую органические кислоты.
Хуанг использовал модифицированный электронный микроскоп, оснащенный рамановским спектрометром, чтобы обнаружить, что цианобактерии используют кислоту для проникновения в гипс в определенных кристаллографических направлениях - только вдоль определенных плоскостей, где они могут более легко получить доступ к воде, существующей между поверхностями кальция. и сульфат-ионы.
Кисаилус сказал, что проект является прекрасным примером междисциплинарного сотрудничества между микробиологами и материаловедами.
«Исследователи давно подозревали, что микроорганизмы могут извлекать воду из минералов, но это первая демонстрация этого», - сказал Ди Руджеро. «Это удивительная стратегия выживания для микроорганизмов, живущих на сухом пределе жизни, и она поможет нам искать жизнь где-то еще».
Роберт Кокоска, доктор философии, руководитель программы в Армейском исследовательском бюро, входящем в состав Армейской исследовательской лаборатории Командования развития боевых возможностей армии США, отметил: «Армия проявляет большой интерес к тому, как микроорганизмы хорошо адаптируются к экстремальным условиям могут быть использованы для новых приложений, таких как синтез материалов и производство электроэнергии в этих суровых условиях. Это исследование дает ценные подсказки для раскрытия эволюционных стратегий дизайна, используемых этими обитающими в пустыне микробами для поддержания своей жизнеспособности перед лицом многочисленных экологических проблем».
Финансирование работы было предоставлено Военным исследовательским бюро и НАСА.