Bakterie jsou všude kolem nás-a to je v pořádku

Victoria Orphan miluje oceán tak dlouho, jak si pamatuje. Šnorchlovala v Tichém oceánu poblíž domu své rodiny v San Diegu, Kalif. Popadla masku a šnorchl, aby navštívila skrytý svět rostlin a zvířat pod hladinou oceánu. Sirotek šel na vysokou školu na University of California, Santa Barbara v časných 1990. Tam objevila něco, co změnilo způsob, jakým si myslela, že o oceánech — a život na Zemi.

jiný student jí ukázal malou lahvičku s mořskou vodou. Orphan si nemyslel, že to vypadá tak zajímavě. Byla to prostě stará voda. Pak druhý student přidal do vody fluorescenční chemikálii a posvítil na ni ultrafialovým světlem. Trubice se rozsvítila, když začaly zářit miliony drobných bakterií. Jen o chvíli dříve byly mikroby neviditelné. „Tyto drobné organismy byly všude,“ říká sirotek ,“ a přesto jsme je nemohli vidět. Nevěděli jsme o nich téměř nic.“

Ona teď tráví své dny zkoumání této skryté jednobuněčné světě. Jako geobiolog v Caltech v Pasadeně, Kalif., studuje, jak bakterie a další mikroskopický život formují hluboké moře.

bakterie hrají ústřední roli v mnoha ekosystémech. Patří sem oceány, půda a atmosféra. Jsou také velkou součástí globálního potravinového webu. Bakterie umožňují existenci všech ostatních životů na Zemi. Proto vědci tvrdí, že tyto jednobuněčné organismy jsou neviditelnou páteří veškerého života-alespoň na Zemi.

přesto je toho spousta, co o nich nevíme. Vědci si myslí, že identifikovali méně než jedno procento všech bakteriálních druhů. To vedlo Orphana a další k prozkoumání tajemství jejich jednobuněčného světa. Mají podezření, že bakterie se ukáží jako klíč k pochopení — a ochraně-nejdůležitějších přírodních zdrojů Země.

jedlíci metanu

některé bakterie jedí opravdu divné věci. Vědci našli bakterie, které jedí kameny — odpadní vody-dokonce i jaderný odpad. Orphan studuje typ bakterií, které žijí na mořském dně a pohlcují metan.

metan je skleníkový plyn. Stejně jako oxid uhličitý a některé další skleníkové plyny vstupuje do vzduchu, když lidé spalují ropu, plyn a uhlí. Existují také přírodní zdroje metanu, jako je zemní plyn, produkce rýže a kravský hnůj. Skleníkové plyny zachycují teplo v atmosféře. Přebytek těchto plynů v zemské atmosféře otepluje globální klima.

metan může prosakovat ze země na mořském dně. Někteří vědci říkají, že ještě více metanu by uniklo do atmosféry, kdyby to nebylo pro mořské bakterie. Některé z těchto bakterií jedí metan. To umožňuje oceánům zachytit obrovské množství plynu. „Tyto mikroorganismy jsou vrátní. Zabraňují tomu, aby se metan dostal do atmosféry, kde může měnit hladinu skleníkových plynů,“ vysvětluje sirotek.

nalezení jednobuněčných organismů na obrovském mořském dně může být výzvou. Oknem ponorky hledá shluky škeblí a obřích trubkových červů. Tyto organismy signalizují, že tam žijí i neviditelné mořské bakterie. Ať ti metan-jedlíci žít, vytvářejí nové molekuly, jak se najíst. Jiné organismy používají tyto nové molekuly jako potravu. Celá potravní síť vyvěrá na dně oceánu.

Orphan a její tým našli bakterie požírající metan podél trhlin na mořském dně, kde tento plyn prosakuje. K těmto trhlinám často dochází, když do sebe narážejí dvě tektonické desky.

některé bakterie, jak se dozvěděli, mohou jíst metan pouze spoluprací s jinými jednobuněčnými organismy zvanými archaea (Ar-KEE-uh). Tento důležitý detail by mohl vědcům pomoci lépe předpovědět, kolik metanu uniká do vzduchu, říká Orphan.

v zákopech

jedlíci metanu nejsou jedinými hlubinnými bakteriemi, které vědce zajímají. „Hluboké moře je domovem několika docela chladných mikrobů,“ říká Jennifer Biddle. Je mořskou mikrobioložkou na univerzitě v Delaware v Newarku. Biddle studuje bakterie, které žijí v hlubokých zákopech oceánu.

Tyto podvodní kaňony jsou některé z nejméně prozkoumaných míst na Zemi. Jsou neuvěřitelně těžké dosáhnout. Challenger Deep vyhrál rekord pro nejhlubší známé místo na planetě. Na dně příkopu Mariana, v západním Pacifiku, Challenger hluboko sedí asi 11 kilometrů (více než 7 mil) pod hladinou oceánu. Kdyby Mount Everest, nejvyšší hora světa, seděl v Mariánském příkopu, jeho vrchol by byl stále více než kilometr pod vlnami.

Mariánský příkop je jedním z nejtěžších míst pro přežití. Dosáhne ho nulové sluneční světlo. Jeho teploty jsou chladné. Velká zvířata, jako jsou velryby nebo ryby, nemohou navštívit, protože intenzivní tlaky by je rozdrtily. Malé překvapení, pak, že většina místních obyvatel je mikroskopická. Přizpůsobili své extrémní podmínky.

Biddle a další vědci se spojili s průzkumníky hlubokého oceánu, aby vyslali ponorku na Challenger Deep. James Cameron pilotoval loď. (Je režisérem filmu Avatar a Titanic.) Cameron navštívil dno Challenger Deep v Březnu 2012, zatímco dokumentární film nazvaný Deepsea Challenge 3D. Ale sub je trek nebyl jen získat fascinující video na Velké Obrazovce. Plavidlo také přineslo zpět sediment ze dna příkopu.

Biddle a další vědci testovali tento sediment na DNA. Pátrali po genech známých bakterií. Objevili důkazy o některých známých jako Parkubakterie.

vědci ani nevěděli, že tato velká skupina bakterií existuje až do roku 2011. Tenkrát, našli nějaké v podzemních vodách a nečistotách z několika míst na souši. Biddleova skupina ale nyní ukázala, že přežívá i v jedné z nejnepřístupnějších hlubin oceánu.

tady, na podlaze příkopu, mikroby dýchaly dusík, ne kyslík (jako na zemi). A to dává smysl. Přizpůsobili se dusíku, protože jejich domov měl malý přístup k kyslíku.

čím více míst najdeme takové málo známé bakterie, říká Biddle, tím více se můžeme dozvědět o tom, co dělají pro své ekosystémy.

příběh pokračuje pod videem.

Od chleba, aby se biopaliva,

Dokonce i bakterie v našich kuchyních a kompostu hromady zájmu vědců.

kváskový chléb získává svou jedinečnou koláčovou chuť, když směs bakterií žvýká cukry v chlebové mouce. Tyto bakterie tvoří oxid uhličitý, kyseliny a další aromatické sloučeniny. Ale aby fungovaly, Kváskové bakterie potřebují své přátele. Izolujte ze směsi pouze jeden bakteriální druh a chemická reakce se nestane. Žádný kvásek.

mikrobiolog Steve Singer žije poblíž San Franciska, kalifornského města známého kváskovým chlebem. Pracuje pro Ministerstvo energetiky v Lawrence Berkeley National Laboratory. A tušil, že by mohl využít lekcí kvásku k výrobě lepších biopaliv. Tato rostlinná paliva mohou pohánět osobní nebo nákladní automobily. Jsou považovány za „zelené“, což znamená šetrnější k zemi, než fosilní paliva.

pro výrobu biopaliv musí vědci rozložit rostliny na cukry. Tyto cukry pak mohou být přeměněny na paliva, jako je ethanol(druh alkoholu). Chemické reakce, které rozkládají rostliny, vyžadují pomoc enzymů. Jedná se o molekuly, které nastartují nebo urychlují chemické reakce.

enzymy, které se v současné době používají k výrobě biopaliv, jsou drahé. Také nefungují dobře, říká Singer. Proto vědci po celém světě hledají enzymy, které by mohly snížit náklady a urychlit výrobu biopaliv.

obrátil své hledání na hromadu kompostu. Tam bakteriální komunity tvrdě pracovaly na odbourávání hnijícího ovoce a zeleniny.

Singer vzal malý vzorek kompostu zpět do své laboratoře. Tam nechal bakterie z kompostu růst v kádince. Později shromáždil enzymy, které tyto bakterie vyrobily, a testoval je na jiných rostlinných kouscích. Fungovalo to: enzymy rozkládaly rostliny na cukry.

stejně jako kynuté bakterie potřebují své přátele, aby funkci, Zpěvák zjistil, že tyto mikroby produkoval užitečné enzymy pouze tehdy, když byly součástí robustní komunit z různých kompostu bakterie. Singer nyní rozšiřuje svůj projekt. Jeho tým pěstuje bakterie v obrovských kádích zvaných Bioreaktory. Poté, co dělá spoustu nových enzymů, může otestovat, zda fungují lépe než stávající pro přeměnu rostlinných odpadů na paliva.

„vzít něco z prostředí a pokusit se zjistit, jak to funguje, je jednou z nejlepších částí mikrobiologa,“ říká Singer.

Meta mikroby

Singer studuje své nové enzymy, aniž by věděl, které bakterie je vytvářejí. To není tak neobvyklé. Bakterie jsou neviditelné pro oko. I s mikroskopem, rozeznat dva druhy od sebe může být těžké. Nevypadají tak odlišně jako dva druhy ptáků nebo květin.

vědci potřebovali jiný způsob, jak rozeznat bakterie od sebe a vědět, kdy narazili na nové. Klíč k tomuto sleuthingu: DNA.

všechny organismy vylučují trochu DNA v celém svém prostředí. „Je to jako otisk prstu. Každý je jedinečný, “ vysvětluje Kelly Ramirez. Studuje bakterie na nizozemském ekologickém institutu ve Wageningenu.

otřete si kuchyňskou linku a můžete najít lidskou DNA (od vás a vašich rodičů). Může existovat nějaká rostlinná DNA (ze zeleniny, kterou jste právě rozřezali) a z houby nebo dvou. Pokud máte domácího mazlíčka, může existovat i DNA psa nebo kočky. Budete také získat spoustu bakteriální DNA, protože, dobře, bakterie a všude!

všechny vyřazené genetické bity jsou známé jako environmentální DNA nebo eDNA.

vědci mohou pomocí těchto genetických otisků prstů objevit nové bakterie, poznamenává Ramirez. Potřebují jen přinést trochu špíny, mořské vody nebo kompostu do laboratoře a zkontrolovat, co v ní je.

součet veškerého genetického materiálu v prostředí se nazývá metagenom (MET-uh-GEE-noam). Ber to jako dna polévku. Všechny molekuly použité k vytvoření genů různých organismů jsou neuspořádané.

vědci používají počítače k rozmotání nepořádku.

stejně jako síto, počítačové programy filtrují polévku. Hledají známé vzorce známé jako genetické sekvence. Tvoří otisk dna organismu. Pokud vědci najdou otisk prstu, který nepoznají, může to být proto, že je od nějakého nového druhu.

Vědci mohou porovnat tyto vzory otisků prstů známých bakterií vidět, kde se nové bakterie spadají do stromu života. „Nyní můžeme objevit nové mikroby, aniž bychom je kdy viděli,“ vysvětluje Biddle z University of Delaware.

bakteriální končetina stromu života klíčí nové výhonky a větve rychleji než kdykoli v historii. Před třiceti lety se všechny známé jednobuněčné organismy na planetě vešly do tuctu hlavních skupin. Nyní existuje asi 120 známých skupin nebo kmenů (FY-lah). A počet pojmenovaných bakterií v každé skupině roste denně.

malý život, velká data

Co získáte, když sečtete sekvence DNA milionů nových bakterií? Spousta a spousta dat.

můžete přemýšlet o planetě jako o stroji a o všech ekosystémech na Zemi jako o částech stroje, říká Jack Gilbert. Všechna tato data o bakteriální DNA jsou klíčem k „pochopení částí, které tvoří stroj a jak všichni pracují společně,“ říká. Gilbert je mikrobiolog v Argonne National Laboratory poblíž Chicaga, nemocný.

jeho tým se snaží uspořádat tato data do virtuálního katalogu všech bakterií na Zemi. Jmenuje se Projekt země mikrobiom. Více než 1000 vědců po celém světě pomáhá sbírat vzorky. Hledají v mnoha různých prostředích a pak je testují na bakteriální DNA.

dosud vědci shromáždili 100 000 vzorků. Katalogizovali bakterie z nejhlubšího oceánu. Našli bakterie na Mezinárodní vesmírné stanici, asi 350 kilometrů (220 mil) nad zemí. Objevili bakterie v exotických lokalitách, jako je Amazonský deštný prales, a obyčejných místech, jako jsou veřejné toalety.

zjistit, které bakterie číhají — a proč — je prvním krokem k pochopení, jak různé ekosystémy řídit obrovský stroj si myslíme, že život na Zemi. Učení o bakteriích nám může pomoci odpovědět na otázky o tom, jak naše planeta funguje, říká Gilbert. Bakterie mohou vysvětlit, proč se korálové útesy v oceánu hemží životem. Nebo by mohli vysvětlit, proč jsou půdy severoamerické prérie tak dobré pro výsadbu plodin.

proto je toto hledání tak důležité, říká: „To jsou znalosti, které nám mohou pomoci lépe se starat o planetu.”