Хорошо известно, что метан, парниковый газ, вырабатывается особыми микроорганизмами, например, в кишечнике коров или на рисовых полях. В течение нескольких лет ученые также наблюдали образование метана в растениях и грибах, не находя объяснения. Теперь исследователи из Гейдельберга и Института наземной микробиологии им. Макса Планка в Марбурге пролили свет на основной механизм. Их результаты показывают, что все организмы выделяют метан.
Метан является мощным парниковым газом, поэтому изучение его природных и антропогенных биогеохимических источников и поглотителей представляет огромный интерес. В течение многих лет ученые считали, что метан вырабатывается только одноклеточными микробами, называемыми археями, при разложении органического вещества в отсутствие кислорода (анаэробном)..
Теперь сотрудничество ученых Земли и жизни во главе с Фрэнком Кепплером и Илкой Бишофс показало, что фермент потенциально не нужен для образования метана, поскольку этот процесс также может происходить по чисто химическому механизму. «Образование метана, вызванное активными формами кислорода, скорее всего, происходит во всех организмах», - объясняет Леонард Эрнст, младший исследователь с междисциплинарным образованием, проводивший исследование. Ученые подтвердили образование метана под действием активных форм кислорода в более чем 30 модельных организмах, от бактерий и архей до дрожжей, растительных клеток и клеточных линий человека.
Это было сенсацией, когда исследователи Макса Планка обнаружили выделение метана из растений в присутствии кислорода (аэробного) 16 лет назад. Однако первоначально результаты были подвергнуты сомнению, так как образование метана нельзя было объяснить существовавшими тогда знаниями о растениях. Когда исследователи заметили, что грибы, водоросли и цианобактерии (бывшие сине-зеленые водоросли) также образовывали метан в аэробных условиях, предполагалось, что за это ответственна ферментативная деятельность. Однако исследователи так и не нашли соответствующий фермент ни в одном из этих организмов. «Таким образом, это исследование является важной вехой в нашем понимании аэробного образования метана в окружающей среде», - сказал Фрэнк Кепплер, геолог из Гейдельбергского университета. «Этот универсальный механизм также объясняет наблюдения нашего предыдущего исследования выделения метана из растений», - добавляет Кепплер.
Высокая клеточная активность приводит к большему количеству метана
Как теперь удалось показать исследователям с помощью бактерии Bacillus subtilis, существует тесная связь между метаболической активностью и степенью образования метана. Метаболическая активность, особенно под влиянием кислорода, приводит к образованию в клетках активных форм кислорода, к которым относятся перекись водорода и гидроксильные радикалы. При взаимодействии с эссенциальным элементом железом протекает реакция Фентона - реакция между восстановленным железом и перекисью водорода, приводящая к образованию высокореакционноспособных соединений четырехвалентного железа и гидроксильных радикалов.
Последние молекулы управляют отщеплением метильного радикала от метилированных соединений серы и азота, например аминокислоты метионина. В последующей реакции метильного радикала с атомом водорода окончательно образуется метан. Все реакции могут протекать в физиологических условиях в пробирке и значительно усиливаются биомолекулами, такими как АТФ и НАДН, которые образуются в результате клеточного метаболизма.
Окислительный стресс способствует образованию метана
Дополнительный окислительный стресс, вызванный физическими и химическими факторами, т.е. более высокие температуры окружающей среды или добавление веществ, образующих активные формы кислорода, также приводили к увеличению образования метана в исследованных организмах. Напротив, добавление антиоксидантов и удаление свободных радикалов уменьшало образование метана - взаимодействие, которое, вероятно, контролирует образование метана в организмах.
Таким образом, исследование также помогает объяснить, почему производство метана определенным организмом может различаться на несколько порядков и почему стрессовые факторы особенно влияют на объем производства. Сдвиги в условиях окружающей среды и температуры, вызванные изменением климата, потенциально могут повлиять на уровень стресса многих организмов и, следовательно, на их выбросы метана в атмосферу. И наоборот, изменения содержания метана в выдыхаемом воздухе могут указывать на возрастные или стрессовые изменения клеточного метаболизма.