Rakstīts akmenī

Savā birojā ēkā 68. Diāna Ņūmena glabā noslīpētu, sfērisku akmeni, kas izraibināta ar dzelzs joslām. Šādi ieži ir sastopami visos kontinentos, un tie ir visizplatītākais dzelzsrūdas avots. Un Ņūmenam tādi paraugi kā šis 2,4 miljardus gadu vecais piemērs sniedz ieskatu, kas varētu palīdzēt atšķetināt ļoti sarežģītu Zemes vēstures daļu. Kad senie mikrobi sāka ražot skābekli, ko mēs elpojam, un kādi mikrobi tie bija?

Ņūmena neplānoja savu karjeru veltīt šādu jautājumu izpētei. Viņa ieradās MIT 1993. gadā, lai iegūtu maģistra grādu inženierzinātnēs, domājot, ka dažus gadus strādās šajā jomā, pirms dosies uz juridisko skolu, lai kļūtu par patentpilnvaroto. Taču vides mikrobioloģijas nodarbība viņu aizrāva ar baktēriju metabolismu daudzveidību — ķīmiskajām reakcijām, ko tās veic, lai dzīvotu. Es uzzināju, ka baktērijas var ēst toksiskus savienojumus un pārveidot tos par labdabīgiem, viņa atceras. Projekts, kas rosināja baktērijas pārvērst arsēnu pusvadītāja materiālā, izraisīja viņu interesi par to, kā baktērijas varētu būt veidojušas Zemes ķīmisko sastāvu, un viņa pārcēlās uz ģeozinātņu nodaļu, kur ieguva doktora grādu. Pēc septiņiem gadiem Caltech viņa pievienojās MIT fakultātei 2007. gadā kā bioloģijas un ģeobioloģijas profesore.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2008. gada novembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Mikrobi ir labākie ķīmiķi uz planētas, brīnās Ņūmens. Patiesībā pietiekami labi, lai pārveidotu vidi. Kad mūsu Saules sistēma izveidojās pirms 4,5 miljardiem gadu, Zemes atmosfērā gandrīz trūka skābekļa. Pirmās vienšūnu dzīvības formas, kas radās pirms aptuveni 3,8 miljardiem gadu, iespējams, dzīvoja jūrās, un tām bija vielmaiņas procesi, kas neprasa skābekli un neradīja to kā blakusproduktu. Daži no tiem pārtika no dzelzs; to vielmaiņas procesi izmainīja dzelzs ķīmisko stāvokli un radīja nogulsnes Ņūmena iežos. Citi droši vien barojās ar sēru.

Un tad notika kaut kas, kas padarīs iespējamu dzīvnieku un augu dzīvi, kādu mēs to zinām. Dažas baktērijas sāka izmantot saules gaismu, lai sadalītu ūdeni ūdeņradī, ko tās izmantoja degvielas ražošanai, un skābeklī, ko tās atbrīvoja kā atkritumus. Pateicoties skābekļa fotosintēzei, pirms aptuveni 2,4 miljardiem gadu atmosfērā un seklākajā okeāna ūdenī bija ievērojams skābekļa līmenis; apmēram pirms 540 miljoniem gadu skābekļa līmenis bija salīdzināms ar šodienas līmeni.

Jautājums par to, kurš organisms pirmo reizi sāka ražot skābekli un kad, ir viens no lielākajiem noslēpumiem Zemes vēsturē. Tā ir patiešām smaga problēma, bet patiešām vilinoša, saka Ņūmens.

Lai atbildētu uz to, Ņūmena un citi MIT un visā pasaulē koncentrējas uz tādiem akmeņiem kā viņas birojā. Tāpat kā dinozauru kauli, arī senajās jūrās dzīvojošo baktēriju atliekas tika iekļautas klintī miljoniem (baktēriju gadījumā miljardiem) gadu. Pētnieki zina, ka atsevišķi savienojumi rodas tikai dzīvos organismos veiktos procesos, tāpēc, ieraugot šādus savienojumus klintī, tas nozīmē, ka iezis atspoguļo senās dzīves pēdas. Ģeobiologi interpretē šīs baktēriju fosilijas, salīdzinot tajās esošos ķīmiskos savienojumus ar tiem, ko radījušas mūsdienu baktērijas, kas joprojām balstās uz seniem vielmaiņas procesiem. Izmantojot šādu analīzi, viņi cer noskaidrot, kuri mikrobi ir radījuši akmeņos palikušos ķīmiskos savienojumus. Ņūmens saka, ka jums ir jāaplūko šo ķīmisko vielu funkcija daudzos dzīvos organismos. Šāda loģika mūs saista ar pagātni.

Viena no svarīgākajām ķīmiskajām pēdām, ko atstājušas senās baktērijas, ir savienojumu grupa, ko sauc par 2-metil-BHP. 1999. gadā MIT ģeobioloģijas profesors Rodžers Samonss un kolēģi atrada šos savienojumus 2,5 miljardus gadus vecos iežos no Hamerslijas baseina Austrālijas rietumos. Šie akmeņi, kas iegūti no dzelzs raktuvēm, ir līdzīgi slīpētajiem Ņūmena birojā. Mūsdienās skābekli ražojoši fotosintezatori, ko sauc par zilaļģēm, ir šo BHP primārie ražotāji. Šī iemesla un daudzu citu iemeslu dēļ, tostarp noteiktas Hamerslija vietas īpašības, Summons un citi ir interpretējuši atradumu kā pierādījumu tam, ka zilaļģes veica modernu fotosintēzi pirms 2,5 miljardiem gadu. Loģika bija tāda, ka šos savienojumus veido zilaļģes; cianobaktērijas veic skābekļa fotosintēzi; tāpēc tajā laikā notika skābekļa fotosintēze, saka Ņūmens.

Ņūmena domā, ka viņas pašas pētījumi liek apšaubīt šo secinājumu. Viņa ir pētījusi citu baktēriju celmu, kas ražo BHP: tā sauktās purpursarkanās baktērijas, kuras nevar izmantot ūdeni skābekļa ražošanai. Tā vietā tie oksidē dzelzi, ūdeņradi vai dažādus organiskos savienojumus. Mēs cenšamies noskaidrot [BHP] funkciju šūnās, kas tos veido šodien, viņa saka. Mūsu sākotnējie atklājumi liecina, ka BHP nav tiešas saistības ar fotosintēzi. Summons, kurš sadarbojas ar Ņūmenu dažos no viņas pētījumiem, neuztver viņas skepsi personiski; viņš ir pārliecināts, ka viņas darbs radīs svarīgu ieskatu par šiem savienojumiem un jo īpaši par to, kāpēc un kā baktērijas tos veido. Tomēr viņš arī norāda, ka viņas atklājumi neatspēko teoriju, ka Hamerslijā ir saglabājušās zilaļģu atstātās ķīmiskās pēdas.

Tikmēr Ņūmena darbs ar baktēriju savienojumiem, kas pazīstami kā fenazīni, izgaismo problēmu, kas ir daudz aktuālāka nekā noslēpums par to, kā radās mūsu ar skābekli bagātais gaiss. Mainot veidu, kā zinātnieki saprot šīs organiskās molekulas, viņas pētījumi varētu novest pie jauniem hronisku bakteriālu infekciju ārstēšanas veidiem.

Fenazīni jau sen ir klasificēti kā sekundāri metabolīti, blakusprodukti procesiem, kas rada svarīgākus vielmaiņas savienojumus. Jau sen ir zināms, ka tās darbojas kā antibiotikas. Taču Ņūmens ir pierādījis, ka fenazīniem ir arī liela ietekme uz mikrobu izdzīvošanu un attīstību.

Ideja par šo pētījumu Ņūmenam radās, pētot baktērijas, kuras, lai cik dīvaini tas izklausītos, elpošanai izmanto dzelzi saturošus akmeņus. Cilvēki izmanto skābekli, lai sadedzinātu oglekli, piemēram, tunzivju sviestmaizē, radot enerģiju; skābekļa loma ir pieņemt elektronus no oglekļa. Dzelzs spēlē līdzīgu lomu akmeņus elpojošajām baktērijām, kuras iegūst enerģiju, pārnesot elektronus oglekli saturošos savienojumos, piemēram, glikozē, uz dzelzi akmeņos. Tā nav elpošana cilvēka izpratnē – pati dzelzs šūnās neietilpst, jo skābeklis nonāk mūsu plaušās. Drīzāk akmeņus elpojošās baktērijas nodod elektrisko strāvu uz dzelzi, izmantojot molekulas, kas darbojas kā elektronu atspoles. Šīs molekulas transportē elektronus no vienas baktēriju šūnas uz otru un galu galā uz melno akmeņu virsmu, piemēram, skatītāju rokās, kas pārceļo uz pūļa sērfošanas rokzvaigzni. Ņūmena un viņas kolēģi izvirza hipotēzi, ka fenazīni varētu darboties kā elektronu atspoles citās baktērijās.

Ja viņiem ir taisnība, viņu ieskatam varētu būt plašākas sekas, jo tas attiecas uz to, ko Ņūmens sauc par vispārēju problēmu, ar ko saskaras baktērijas, kas aug uz jebkuras virsmas. Dažas baktērijas dzīvo pašas. Neatkarīgi no tā, kur un kā viņi gūst enerģiju – vai viņi bauda cukurus jūsu zobu spraugās vai izsūc sēru no zemūdens atverēm – lielākā daļa baktēriju dzīvo biezās, lipīgās kopienās, ko sauc par bioplēvēm. Bioplēves iekšpusē daži no tiem būs tuvāk nekā citi ķīmiskajām vielām, kas tām nepieciešamas, lai veiktu enerģijas ražošanas reakcijas. Kamēr Ņūmena domāja par to, kā dzelzi elpojošās baktērijas izmanto elektronu atspoles, lai transportētu savus elektronus no bioplēves dziļumiem uz klinšu virsmu, viņa saprata, ka baktērijas, kas aug bioplēvēs mūsu ķermeņos, varētu darīt kaut ko līdzīgu.

Ņūmens nolēma pārbaudīt cilvēka patogēna Pseudomonas aeruginosa radīto fenazīnu nozīmi, kas izraisa nopietnas hroniskas infekcijas cilvēkiem, kuriem ir cistiskā fibroze vai kuru imūnsistēma ir apdraudēta. Dzīvojot plaušās, šīs baktērijas saskartos ar tādu pašu problēmu kā klinšu elpojošās pasaules: tās, kas atrodas bioplēves vidū, tiktu izolētas no svarīga enerģijas substrāta, šajā gadījumā skābekļa.

Lai pārbaudītu, vai šīs baktērijas var izmantot fenazīnus, lai pārvarētu komunālās dzīves problēmas, Ņūmena laboratorijas pētnieki izstrādāja divus to mutantu celmus. Viens celms nevarēja ražot fenazīnus, bet otrs tos ražoja lielos daudzumos. Kad Ņūmena un viņas līdzstrādnieki audzēja baktērijas Petri trauciņos, viņi redzēja atšķirības savu kopienu arhitektūrā. Pārprodukcijas celms izauga ciešā, gludā slānī, izkliedēts kā Losandželosa. Fenazīnu nesaturošais celms arī izplatījās plašā teritorijā, bet auga augstos torņos, kas tika uzcelti kā Ņujorka — iespējams, lai maksimāli palielinātu katras šūnas pakļaušanu gaisa skābekļa iedarbībai.

Šie rezultāti ir daudzsološi; tagad Ņūmenam ir jāveic testi, lai noskaidrotu, kā abi mutantu celmi aug plaušās. Ja Pseudomonas izdzīvošanai nepieciešami fenazīni, pētnieki teorētiski varētu izstrādāt terapiju, kas neļauj baktērijām tos sintezēt vai izmantot; kas varētu palīdzēt izskaust hroniskas infekcijas.

Ņūmens saka, ka piekļuve skābeklim mūsdienās ir tikpat liela problēma kā agrāk. Tieši šādas sakarības padara ģeobioloģiju par bagātīgu un pārsteidzošu zināšanu dzīslu ne tikai par planētas vēsturi, bet arī par mūsu tagadni.

paslēpties