Мышьяк является смертельным ядом для большинства живых существ, но новые исследования показывают, что микроорганизмы дышат мышьяком на большой территории Тихого океана. Команда Вашингтонского университета обнаружила, что древняя стратегия выживания до сих пор используется в районах с низким содержанием кислорода в морской среде.
«Представление о мышьяке не только как о вредителе, но и как о полезном элементе изменило мое представление об этом элементе», - сказала первый автор Жаклин Сондерс, которая провела исследование для своей докторской диссертации в Университете Вашингтона и Университете Вашингтона. в настоящее время является постдокторантом в Океанографическом институте Вудс-Хоул и Массачусетском технологическом институте.
Исследование было опубликовано на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Мы давно знали, что в океане очень низкий уровень мышьяка», - сказала соавтор исследования Габриэль Рокап, профессор океанографии Университета Вашингтона. «Но идея о том, что организмы могут использовать мышьяк, чтобы зарабатывать на жизнь, - это совершенно новый метаболизм для открытого океана».
Исследователи проанализировали образцы морской воды из области под поверхностью, где кислород почти отсутствует, что вынуждает жизнь искать другие стратегии. Эти регионы могут расширяться при изменении климата.
«В некоторых частях океана есть бутерброд с водой, где нет измеримого кислорода», - сказал Рокап. «Микробы в этих регионах должны использовать другие элементы, которые действуют как акцепторы электронов, чтобы извлекать энергию из пищи».
Наиболее распространенными альтернативами кислороду являются азот или сера. Но ранние исследования Сондерс показали, что мышьяк тоже может работать, что побудило ее искать доказательства.
Команда проанализировала образцы, собранные во время исследовательского круиза 2012 года в тропическую часть Тихого океана у побережья Мексики. Генетический анализ ДНК, извлеченной из морской воды, обнаружил два генетических пути, которые, как известно, превращают молекулы на основе мышьяка в способ получения энергии. Генетический материал предназначался для двух разных форм мышьяка, и авторы считают, что пути существуют в двух организмах, которые переключают мышьяк туда и обратно между различными формами.
Результаты показывают, что дышащие мышьяком микробы составляют менее 1% популяции микробов в этих водах. Микробы, обнаруженные в воде, вероятно, имеют отдаленное родство с дышащими мышьяком микробами, обнаруженными в горячих источниках или загрязненных участках на суше.
«Что я думаю, самое классное в этих дышащих мышьяком микробах, существующих сегодня в океане, так это то, что они экспрессируют гены для этого в среде с довольно низким содержанием мышьяка», - сказал Сондерс. «Это открывает границы того, где мы могли бы искать организмы, выдыхающие мышьяк, в других средах с низким содержанием мышьяка."
Биологи считают, что эта стратегия является пережитком ранней истории Земли. В период зарождения жизни на Земле кислорода не хватало как в воздухе, так и в океане. Кислород стал избытком в атмосфере Земли только после того, как фотосинтез получил широкое распространение и превратил углекислый газ в кислород.
Ранние формы жизни должны были получать энергию, используя другие элементы, такие как мышьяк, который, вероятно, был более распространен в океанах в то время.
«Мы обнаружили генетические сигнатуры путей, которые все еще существуют, остатки прошлого океана, которые сохранились до сегодняшнего дня», - сказал Сондерс..
Население, вдыхающее мышьяк, может снова вырасти в условиях изменения климата. По прогнозам, регионы с низким содержанием кислорода будут расширяться, а содержание растворенного кислорода в морской среде будет уменьшаться.
«Для меня это просто показывает, сколько всего еще есть в океане, чего мы не знаем», - сказал Рокап. Сондерс недавно собрал новые образцы воды в том же регионе и теперь пытается вырастить в лаборатории морских микробов, дышащих мышьяком, чтобы изучить их более подробно.
«Прямо сейчас у нас есть кусочки их геномов, достаточно, чтобы сказать, что да, они делают эту трансформацию мышьяка», - сказал Рокап. «Следующим шагом будет сбор всего генома и выяснение того, что еще они могут делать, и как этот организм вписывается в окружающую среду».
Соавтор Клара Фуксман собрала образцы и руководила секвенированием ДНК в качестве научного сотрудника Университета Вашингтона с докторской степенью, а сейчас занимает должность преподавателя в Университете Мэриленда. Другой соавтор - Седар Маккей, научный сотрудник Школы океанографии Университета Вашингтона. Исследование финансировалось за счет стипендии для выпускников НАСА и исследовательского гранта Национального научного фонда.