Bakterie są wszędzie wokół nas-i to jest w porządku

Wiktoria Sierotka od dawna kocha ocean. Nurkowała na Oceanie Spokojnym w pobliżu rodzinnego domu w San Diego w Kalifornii. Chwytała za maskę i rurkę do nurkowania, aby odwiedzić ukryty świat roślin i zwierząt pod powierzchnią oceanu. Orphan studiowała na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara na początku lat 90. XX wieku. tam odkryła coś, co zmieniło sposób myślenia o oceanach – i życiu na Ziemi.

inny uczeń pokazał jej małą fiolkę z wodą morską. Sierotka nie uważała, że to wygląda tak interesująco. To była zwykła, stara woda. Następnie drugi uczeń dodał fluorescencyjną substancję chemiczną do wody i świecił na nią światłem ultrafioletowym. Rura zapaliła się, gdy miliony maleńkich bakterii zaczęły świecić. Chwilę wcześniej mikroby były niewidoczne. „Te małe organizmy były wszędzie,” mówi sierota, ” a jednak nie mogliśmy ich zobaczyć. Prawie nic o nich nie wiedzieliśmy.”

teraz spędza dni odkrywając ten ukryty jednokomórkowy świat. Jako geobiolog w Caltech w Pasadenie w Kalifornii., bada, jak bakterie i inne mikroskopijne formy życia w głębinach morskich.

bakterie odgrywają centralną rolę w wielu ekosystemach. Należą do nich oceany, gleba i atmosfera. Są również dużą częścią globalnej sieci spożywczej. Bakterie umożliwiają istnienie wszystkich innych form życia na Ziemi. Dlatego naukowcy twierdzą, że te jednokomórkowe organizmy są niewidzialnym szkieletem wszelkiego życia-przynajmniej na Ziemi.

ale jest o nich wiele nie wiadomo. Naukowcy uważają, że zidentyfikowali mniej niż jeden procent wszystkich gatunków bakterii. To napędza Orphana i innych do odkrywania tajemnic ich jednokomórkowego świata. Podejrzewają, że bakterie okażą się kluczem do zrozumienia — i ochrony-najważniejszych zasobów naturalnych Ziemi.

zjadacze metanu

niektóre bakterie jedzą naprawdę dziwne rzeczy. Naukowcy odkryli bakterie, które jedzą skały, ścieki-nawet odpady jądrowe. Orphan bada rodzaj bakterii, które żyją na dnie morza i pożerają Metan.

Metan jest gazem cieplarnianym. Podobnie jak dwutlenek węgla i inne gazy cieplarniane, przedostaje się do powietrza, gdy ludzie spalają ropę, gaz i węgiel. Istnieją również naturalne źródła metanu, takie jak gaz ziemny, produkcja ryżu i obornik krowy. Gazy cieplarniane zatrzymują ciepło w atmosferze. Nadmiar tych gazów w ziemskiej atmosferze ociepla globalny klimat.

Metan może wyciekać z ziemi na dnie morza. Niektórzy naukowcy twierdzą, że jeszcze więcej metanu uciekłoby do atmosfery, gdyby nie bakterie morskie. Niektóre z tych bakterii jedzą Metan. To pozwala oceanom uwięzić ogromne ilości gazu. „Te mikroorganizmy są strażnikami. Zapobiegają przedostawaniu się metanu oceanicznego do atmosfery, gdzie może on zmienić poziom gazów cieplarnianych”, wyjaśnia Orphan.

znalezienie jednokomórkowych organizmów na rozległym dnie morskim może być wyzwaniem. Przez okno łodzi podwodnej szuka skupisk małży i gigantycznych robaków rurkowych. Te organizmy sygnalizują, że żyją tam również niewidzialne bakterie morskie. Gdziekolwiek żyją metanożercy, tworzą nowe cząsteczki podczas posiłku. Inne organizmy używają tych nowych cząsteczek jako pożywienia. Cała sieć pokarmowa wyrasta na dnie oceanu.

Orphan i jej zespół znaleźli bakterie zjadające Metan wzdłuż pęknięć na dnie morza, gdzie wycieka ten gaz. Pęknięcia te często zdarzają się, gdy dwie płyty tektoniczne zderzają się ze sobą.

niektóre bakterie, jak się dowiedziały, mogą jeść Metan tylko dzięki współpracy z innymi jednokomórkowymi organizmami zwanymi archaea (Ar-KEE-uh). Ten ważny szczegół może pomóc naukowcom lepiej przewidzieć, ile metanu ucieka do powietrza, mówi Orphan.

w okopach

zjadacze metanu nie są jedynymi bakteriami głębinowymi, które interesują naukowców. „Głębokie morze jest domem dla całkiem fajnych mikrobów”, mówi Jennifer Biddle. Jest mikrobiologiem morskim na Uniwersytecie Delaware w Newark. Biddle bada bakterie żyjące w głębokich rowach oceanicznych.

te podwodne kaniony są jednymi z najmniej zbadanych miejsc na Ziemi. Są niezwykle trudne do osiągnięcia. Challenger Deep zdobywa rekord najgłębszego znanego miejsca na ziemi. Na dnie Rowu Mariańskiego, na zachodnim Pacyfiku, Challenger Deep znajduje się około 11 kilometrów (ponad 7 mil) pod powierzchnią oceanu. Gdyby Mount Everest, najwyższa góra świata, siedział w rowie Mariańskim, jego szczyt nadal byłby ponad milę pod falami.

Rów Mariański to jedno z najtrudniejszych miejsc do przeżycia. Nie dociera do niej żadne światło słoneczne. Temperatura jest oziębła. Duże zwierzęta, takie jak wieloryby lub ryby, nie mogą odwiedzać, ponieważ silna presja ich zmiażdży. Mała niespodzianka, więc, że większość mieszkańców jest mikroskopijna. Przystosowali jego ekstremalne warunki.

Biddle i inni naukowcy połączyli siły z odkrywcami głębin, aby wysłać łódź podwodną do Challenger Deep. James Cameron pilotował statek. (Jest reżyserem filmowym znanym z avatara i Titanica.) Cameron odwiedził dno Challenger Deep W marcu 2012 roku podczas kręcenia filmu dokumentalnego o nazwie Deepsea Challenge 3D. ale trek sub nie był tylko po to, aby uzyskać hipnotyzujący film na duży ekran. Naczynie przywróciło również osad z dna rowu.

Biddle i inni naukowcy zbadali osad pod kątem DNA. Szukali genów znanych bakterii. Znaleźli dowody na Parcubakterię.

naukowcy nie wiedzieli nawet o istnieniu tej dużej grupy bakterii aż do 2011 roku. Wtedy znaleźli trochę w wodzie gruntowej i w brudzie z kilku miejsc na lądzie. Ale grupa Biddle ’ a pokazała, że żyje również w jednej z najbardziej niedostępnych głębin oceanu.

tutaj, na dnie wykopu, mikroby oddychały azotem, a nie tlenem (jak na lądzie). I to ma sens. Przystosowali się do azotu, ponieważ ich dom miał niewielki dostęp do tlenu.

im więcej miejsc znajdziemy takich mało znanych bakterii, mówi Biddle, tym więcej możemy dowiedzieć się o tym, co robią dla swoich ekosystemów.

historia trwa poniżej wideo.

od chleba po biopaliwa

nawet bakterie w naszych kuchniach i stosy kompostu interesują naukowców.

chleb na zakwasie uzyskuje swój niepowtarzalny cierpki smak, gdy mieszanka bakterii mączkuje cukry w mące Chlebowej. Bakterie te wytwarzają dwutlenek węgla, kwasy i inne aromatyczne związki. Ale do funkcjonowania bakterie na zakwasie potrzebują swoich przyjaciół. Wyizoluj tylko jeden gatunek bakterii z mieszanki, a reakcja chemiczna nie dojdzie do skutku. Bez zakwasu.

mikrobiolog Steve Singer mieszka niedaleko San Francisco, kalifornijskiego miasta słynącego z chleba na zakwasie. Pracuje dla Departamentu Energii w Lawrence Berkeley National Laboratory. I podejrzewał, że może wykorzystać lekcje zakwasu do produkcji lepszych biopaliw. Te paliwa oparte na roślinach mogą zasilać samochody osobowe lub ciężarowe. Są one uważane za „zielone”, co oznacza bardziej przyjazne dla Ziemi niż paliwa kopalne.

aby produkować biopaliwa, naukowcy muszą rozkładać rośliny na cukry. Cukry te można następnie przekształcić w paliwa, takie jak etanol (rodzaj alkoholu). Reakcje chemiczne, które rozkładają rośliny, wymagają pomocy enzymów. Są to cząsteczki, które przyspieszają lub przyspieszają reakcje chemiczne.

enzymy stosowane obecnie do produkcji biopaliw są drogie. Nie działają też dobrze, mówi Singer. Dlatego naukowcy na całym świecie szukają enzymów, które mogą obniżyć koszty i przyspieszyć produkcję biopaliw.

skierował swoje poszukiwania do stosu kompostu. Tam społeczności bakteryjne pracowały ciężko, rozbijając gnijące owoce i warzywa.

Singer zabrał małą próbkę kompostu do swojego laboratorium. Tam pozwolił bakteriom z kompostu rosnąć w zlewce. Później zbierał enzymy wytwarzane przez te bakterie i testował je na innych kawałkach roślin. Zadziałało: enzymy rozkładały rośliny na cukry.

tak jak bakterie na zakwasie potrzebują swoich przyjaciół do działania, Singer odkrył, że te drobnoustroje wytwarzają użyteczne enzymy tylko wtedy, gdy były częścią silnych społeczności różnych bakterii kompostowych. Wokalista powiększa teraz swój projekt. Jego zespół hoduje bakterie w ogromnych kadziach zwanych bioreaktorami. Po wyprodukowaniu wielu nowych enzymów może sprawdzić, czy działają one lepiej niż istniejące do przetwarzania odpadów roślinnych na paliwa.

„zabranie czegoś ze środowiska i próba ustalenia, jak to działa, jest jedną z najlepszych części bycia mikrobiologiem”, mówi Singer.

meta drobnoustroje

Singer bada swoje nowe enzymy nie wiedząc, które bakterie je wytwarzają. To nie jest takie niezwykłe. Bakterie są niewidoczne dla oka. Nawet przy użyciu mikroskopu rozróżnienie dwóch gatunków może być trudne. Nie wyglądają tak różne, jak dwa gatunki ptaków lub kwiatów.

naukowcy potrzebowali innego sposobu, aby odróżnić bakterie i wiedzieć, kiedy natknęli się na nowe. Klucz do tego śledztwa: DNA.

wszystkie organizmy wydzielają trochę DNA w swoim środowisku. „To jak odcisk palca. Każdy z nich jest wyjątkowy”, wyjaśnia Kelly Ramirez. Bada bakterie w holenderskim Instytucie Ekologii w Wageningen.

wymazuj swój blat kuchenny, a może znajdziesz ludzkie DNA (od Ciebie i twoich rodziców). Może być jakieś DNA roślin (z warzyw, które właśnie pociąłeś)i z grzyba lub dwóch. Może być nawet dna psa lub kota, jeśli masz zwierzaka. Dostaniesz też mnóstwo bakteryjnego DNA, ponieważ, cóż, bakterie a wszędzie!

wszystkie odrzucone fragmenty genetyczne są znane jako dna środowiskowe lub eDNA.

naukowcy mogą wykorzystać te genetyczne odciski palców do odkrycia nowych bakterii, zauważa Ramirez. Muszą tylko przynieść trochę brudu, wody morskiej lub kompostu do laboratorium i sprawdzić, co w nim jest.

suma całego materiału genetycznego w środowisku nazywa się metagenomem (MET-uh-GEE-noam). Pomyśl o tym jak o zupie DNA. Wszystkie cząsteczki użyte do budowy genów różnych organizmów są pomieszane ze sobą.

naukowcy używają komputerów do rozplątania bałaganu.

podobnie jak sito, programy komputerowe filtrują zupę. Szukają znanych wzorców znanych jako sekwencje genetyczne. Tworzą odciski DNA organizmu. Jeśli naukowcy znajdą odcisk palca, którego nie rozpoznają, może to być spowodowane tym, że pochodzi od jakiegoś nowego gatunku.

naukowcy mogą porównać te wzorce z odciskami palców znanych bakterii, aby zobaczyć, gdzie nowe bakterie znajdują się w drzewie życia. „Możemy teraz odkrywać nowe mikroby, nigdy ich nie widząc”, wyjaśnia Biddle z Uniwersytetu Delaware.

bakteryjna kończyna drzewa życia kiełkuje nowe pędy i gałęzie szybciej niż kiedykolwiek w historii. Trzydzieści lat temu wszystkie znane jednokomórkowe organizmy na planecie zmieściły się w tuzin głównych grup. Obecnie istnieje około 120 znanych grup, czyli Fyla (FY-lah). A liczba nazwanych bakterii w każdej grupie rośnie codziennie.

małe życie, Duże dane

co otrzymujesz, gdy dodasz sekwencje DNA milionów nowych bakterii? Mnóstwo danych.

możesz myśleć o planecie jak o maszynie, a wszystkie ekosystemy na Ziemi jako części maszyny, mówi Jack Gilbert. Wszystkie te dane na temat DNA bakterii są kluczem do „zrozumienia części składowych Maszyny i sposobu ich współpracy”, mówi. Gilbert jest mikrobiologiem w Argonne National Laboratory niedaleko Chicago.

jego zespół próbuje uporządkować te dane w wirtualny katalog wszystkich bakterii na Ziemi. Nazywa się Earth Microbiome Project. Ponad 1000 naukowców na całym świecie pomaga w pobieraniu próbek. Szukają w różnych środowiskach, a następnie testują DNA bakterii.

do tej pory naukowcy zebrali 100 000 próbek. Skatalogowali bakterie z najgłębszego Oceanu. Znaleźli bakterie na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, około 350 kilometrów (220 mil) nad ziemią. Odkryli bakterie w egzotycznych miejscach, takich jak lasy deszczowe Amazonii i zwykłych miejscach, takich jak publiczne toalety.

odkrycie, które bakterie tam czają — i dlaczego — jest pierwszym krokiem do zrozumienia, jak różne ekosystemy napędzają ogromną maszynę, o której myślimy jako o życiu na Ziemi. Nauka o bakteriach może pomóc nam odpowiedzieć na pytania o to, jak działa nasza planeta, mówi Gilbert. Bakterie mogą wyjaśnić, dlaczego rafy koralowe w oceanie tętnią życiem. Albo mogą wyjaśnić, dlaczego gleby prerii północnoamerykańskiej są tak dobre do sadzenia roślin.

dlatego te poszukiwania są tak ważne, mówi: „to wiedza, która może nam pomóc lepiej zadbać o planetę.”