Bacteriile sunt peste tot în jurul nostru – și este în regulă

Victoria Orphan a iubit Oceanul de când își amintește. Obișnuia să facă snorkeling în Oceanul Pacific, lângă casa familiei sale din San Diego, California. Își lua masca și tubul de snorkel pentru a vizita lumea ascunsă a plantelor și animalelor de sub suprafața oceanului. Orfanul a mers la facultate la Universitatea din California, Santa Barbara la începutul anilor 1990. acolo a descoperit ceva care a schimbat modul în care se gândea la oceane — și la viața de pe Pământ.

un alt student i-a arătat o fiolă mică de apă de mare. Orfanului nu i s-a părut atât de interesant. Era doar apă simplă. Apoi, celălalt student a adăugat o substanță chimică fluorescentă în apă și a strălucit lumina ultravioletă pe ea. Tubul s-a aprins pe măsură ce milioane de bacterii minuscule au început să strălucească. Cu câteva clipe înainte, microbii erau invizibili. „Aceste organisme mici erau peste tot”, spune Orphan, ” și totuși nu le-am putut vedea. Nu știam aproape nimic despre ei.”

acum își petrece zilele explorând această lume ascunsă cu o singură celulă. Ca geobiolog la Caltech din Pasadena, California., ea studiază modul în care bacteriile și alte forme de viață microscopice formează marea adâncă.

bacteriile joacă roluri centrale în multe ecosisteme. Acestea includ oceanele, solul și atmosfera. Ele sunt, de asemenea, o mare parte a rețelei alimentare globale. Bacteriile fac posibilă existența tuturor celorlalte forme de viață de pe Pământ. De aceea, oamenii de știință spun că aceste organisme unicelulare sunt coloana vertebrală invizibilă a întregii vieți-cel puțin pe Pământ.

cu toate acestea, există o mulțime nu știm despre ele. Oamenii de știință cred că au identificat mai puțin de un procent din toate speciile bacteriene. Asta l-a determinat pe Orphan și pe alții să exploreze misterele lumii lor unicelulare. Ei suspectează că bacteriile se vor dovedi esențiale pentru înțelegerea și protejarea celor mai importante resurse naturale ale Pământului.

mâncătorii de metan

unele bacterii mănâncă lucruri foarte ciudate. Oamenii de știință au descoperit bacterii care mănâncă roci, canalizare — chiar și deșeuri nucleare. Orphan studiază un tip de bacterii care trăiesc pe fundul mării și înghit metan.

metanul este un gaz cu efect de seră. La fel ca dioxidul de carbon și alte gaze cu efect de seră, acesta intră în aer atunci când oamenii ard petrol, gaze și cărbune. Există, de asemenea, surse naturale de metan, cum ar fi gazul natural, producția de orez și gunoiul de vacă. Gazele cu efect de seră captează căldura în atmosferă. Un exces din aceste gaze în atmosfera Pământului a încălzit climatul global.

metanul se poate infiltra din pământ pe fundul mării. Unii oameni de știință spun că și mai mult metan ar scăpa în atmosferă dacă nu ar fi fost bacteriile marine. Unele dintre aceste bacterii mănâncă metan. Acest lucru permite oceanelor să prindă o cantitate imensă de gaz. „Aceste microorganisme sunt gardienii. Acestea împiedică metanul oceanic să intre în atmosferă, unde poate schimba nivelurile de gaze cu efect de seră”, explică Orphan.

găsirea organismelor unicelulare pe fundul mării poate fi o provocare. Prin fereastra unui submarin, ea caută grupuri de scoici și viermi uriași. Aceste organisme semnalează că bacteriile marine invizibile trăiesc și acolo. Oriunde trăiesc acești mâncători de metan, ei creează molecule noi în timp ce mănâncă. Alte organisme folosesc aceste molecule noi ca hrană. O întreagă rețea alimentară izvorăște pe fundul oceanului.Orphan și echipa ei au găsit bacterii care mănâncă metan de-a lungul crăpăturilor de pe fundul mării, unde acest gaz se scurge. Aceste fisuri se întâmplă adesea acolo unde două plăci tectonice se ciocnesc una de cealaltă.

unele bacterii, au învățat, pot mânca metan doar prin parteneriatul cu alte organisme unicelulare numite archaea (ar-Kee-uh). Acest detaliu important ar putea ajuta oamenii de știință să prezică mai bine cât de mult metan scapă în aer, spune Orphan.

în tranșee

consumatorii de metan nu sunt singurele bacterii de adâncime care interesează oamenii de știință. „Marea adâncă găzduiește niște microbi destul de cool”, spune Jennifer Biddle. E microbiolog marin la Universitatea Delaware Din Newark. Biddle studiază bacteriile care trăiesc în tranșee adânci ale oceanului.

aceste canioane subacvatice sunt unele dintre cele mai puțin studiate locuri de pe Pământ. Sunt incredibil de greu de atins. Challenger Deep câștigă recordul pentru cel mai adânc loc cunoscut de pe planetă. În partea de jos a șanțului Mariana, în Pacificul de Vest, Challenger Deep se află la aproximativ 11 kilometri (mai mult de 7 mile) sub suprafața oceanului. Dacă Muntele Everest, cel mai înalt munte din lume, ar sta în șanțul Mariana, vârful său ar fi încă la mai mult de o milă sub valuri.

șanțul Mariana este unul dintre cele mai dificile locuri pentru viață pentru a supraviețui. Zero lumina soarelui ajunge la ea. Temperaturile sale sunt reci. Animalele mari, cum ar fi balenele sau peștii, nu pot vizita, deoarece presiunile intense de acolo le-ar zdrobi. O mică surpriză, atunci, că majoritatea localnicilor sunt microscopici. Ei și-au adaptat condițiile extreme.Biddle și alți oameni de știință au făcut echipă cu exploratori de adâncime pentru a trimite un submarin la Challenger Deep. James Cameron a pilotat nava. (El este regizorul de film celebru pentru Avatar și Titanic. Cameron a vizitat partea de jos a Challenger Deep în martie 2012, în timp ce făcea un documentar numit Deepsea Challenge 3D. dar trek-ul submarinului nu a fost doar pentru a obține un videoclip fascinant pentru marele ecran. Nava a adus, de asemenea, sedimente din fundul șanțului.Biddle și ceilalți oameni de știință au analizat sedimentul pentru ADN. Căutau gene de bacterii familiare. Au găsit dovezi ale unor cunoscute sub numele de Parcubacterii.

oamenii de știință nici măcar nu știau că acest grup mare de bacterii există până în 2011. Pe atunci, au găsit unele în apele subterane și murdăria din câteva locuri de pe uscat. Dar grupul lui Biddle a arătat acum că supraviețuiește și într-una dintre cele mai inaccesibile adâncimi ale oceanului.

aici, pe podeaua șanțului, microbii respirau azot, nu oxigen (așa cum făceau pe uscat). Și asta are sens. S-au adaptat la azot, deoarece casa lor avea un acces redus la oxigen.

cu cât găsim mai multe astfel de bacterii puțin cunoscute, spune Biddle, cu atât putem afla mai multe despre ceea ce fac pentru ecosistemele lor.

povestea continuă sub video.

de la pâine la biocombustibili

chiar și bacteriile din bucătăriile noastre și grămezile de compost interesează oamenii de știință.

pâinea cu aluat capătă aroma sa unică de tartă atunci când un amestec de bacterii mănâncă zaharurile din făina de pâine. Aceste bacterii produc dioxid de carbon, acizi și alți compuși aromatici. Dar pentru a funcționa, bacteriile sourdough au nevoie de prietenii lor. Izolați o singură specie bacteriană din amestec și reacția chimică nu se va întâmpla. Fără aluat.

microbiologul Steve Singer locuiește lângă San Francisco, un oraș din California renumit pentru pâinea cu aluat. Lucrează pentru Departamentul de energie la Laboratorul Național Lawrence Berkeley. Și bănuia că ar putea folosi lecțiile de aluat pentru a face biocombustibili mai buni. Acești combustibili pe bază de plante pot alimenta mașini sau camioane. Ele sunt considerate „verzi”, adică mai prietenoase cu pământul, decât combustibilii fosili.

pentru a produce biocombustibili, oamenii de știință trebuie să descompună plantele în zaharuri. Aceste zaharuri pot fi apoi transformate în combustibili, cum ar fi etanolul (un tip de alcool). Reacțiile chimice care descompun plantele necesită ajutor de la enzime. Acestea sunt molecule care pornesc sau accelerează reacțiile chimice.

enzimele utilizate în prezent pentru a produce biocombustibili sunt scumpe. De asemenea, nu funcționează bine, spune Singer. De aceea, cercetătorii din întreaga lume caută enzime care ar putea reduce costurile și accelera producția de biocombustibili.

și-a îndreptat căutarea spre grămada de compost. Acolo, comunitățile bacteriene au fost greu la locul de muncă de rupere jos putrezire fructe și legume.

Singer a luat o mică mostră de compost înapoi la laboratorul său. Acolo, a lăsat bacteriile din compost să crească într-un pahar. Mai târziu, el a colectat enzime pe care aceste bacterii le-au făcut și le-a testat pe alte bucăți de plante. A funcționat: enzimele au descompus plantele în zaharuri.așa cum bacteriile din aluat au nevoie de prietenii lor pentru a funcționa, Singer a descoperit că acești microbi au produs enzimele utile numai atunci când făceau parte din comunități robuste de diferite bacterii de compost. Singer își extinde acum proiectul. Echipa sa cultivă bacterii în cuve uriașe numite Bioreactoare. După ce produce o mulțime de enzime noi, el poate testa dacă funcționează mai bine decât cele existente pentru transformarea deșeurilor vegetale în combustibili.”a lua ceva din mediul înconjurător și a încerca să-ți dai seama cum funcționează este una dintre cele mai bune părți ale unui microbiolog”, spune Singer.

Meta microbii

Singer își studiază noile enzime fără să știe ce bacterii le produc. Acest lucru nu este atât de neobișnuit. Bacteriile sunt invizibile cu ochiul liber. Chiar și cu un microscop, diferențierea a două specii poate fi dificilă. Nu arată la fel de diferit ca două specii de păsări sau flori.

oamenii de știință aveau nevoie de un mod diferit de a distinge bacteriile și de a ști când au dat peste altele noi. Cheia acestui detectiv: ADN-ul.

toate organismele au vărsat puțin ADN în mediul lor. „Este ca o amprentă. Fiecare este unic”, explică Kelly Ramirez. Studiază bacteriile la Institutul Olandez de Ecologie din Wageningen.tamponează-ți blatul din bucătărie și s-ar putea să găsești ADN uman (de la tine și de la părinții tăi). S-ar putea să existe niște ADN de plante (din legumele pe care tocmai le-ați tăiat) și dintr-o ciupercă sau două. S-ar putea să existe chiar și un ADN de câine sau pisică dacă aveți un animal de companie. Veți obține, de asemenea, o grămadă de ADN bacterian, deoarece, bine, bacterii a peste tot!

toți biții genetici eliminați sunt cunoscuți sub numele de ADN de mediu sau eDNA.

oamenii de știință pot folosi aceste amprente genetice pentru a descoperi noi bacterii, notează Ramirez. Trebuie doar să aducă puțină murdărie sau apă de mare sau compost într-un laborator și să verifice ce este în el.suma întregului material genetic dintr-un mediu se numește metagenom (met-uh-GEE-noam). Gândește-te la asta ca la o supă de ADN. Toate moleculele folosite pentru a construi genele diferitelor organisme sunt amestecate împreună.

oamenii de știință folosesc computerele pentru a dezlega mizeria.

ca o sită, programele de calculator filtrează supa. Ei caută modele familiare cunoscute sub numele de secvențe genetice. Ele formează amprenta ADN a unui organism. Dacă oamenii de știință găsesc o amprentă pe care nu o recunosc, ar putea fi pentru că provine de la unele specii noi.

oamenii de știință pot compara aceste tipare cu amprentele bacteriilor familiare pentru a vedea unde se încadrează noile bacterii în arborele vieții. „Acum putem descoperi noi microbi fără să-i vedem vreodată”, explică Biddle de la Universitatea din Delaware.

membrul bacterian al Arborelui Vieții încolțește lăstari și ramuri noi mai repede decât în orice moment din istorie. Acum treizeci de ani, toate organismele unicelulare cunoscute de pe planetă se încadrează într-o duzină de grupuri majore. Acum există aproximativ 120 de grupuri cunoscute, sau phyla (FY-lah). Și numărul de bacterii numite din fiecare grup crește zilnic.

viață mică, date mari

ce obții când aduni secvențele ADN a milioane de bacterii noi? O mulțime de date.

vă puteți gândi la planetă ca la o mașină și la toate ecosistemele de pe Pământ ca la părțile mașinii, spune Jack Gilbert. Toate aceste date despre ADN-ul bacterian sunt esențiale pentru „înțelegerea părților care alcătuiesc mașina și modul în care acestea funcționează împreună”, spune el. Gilbert este microbiolog la Argonne National Laboratory lângă Chicago, Ill.

echipa sa încearcă să organizeze aceste date într-un catalog virtual al tuturor bacteriilor de pe Pământ. Se numește Proiectul microbiomului Pământului. Peste 1.000 de oameni de știință din întreaga lume ajută la colectarea probelor. Ei caută într-o serie de medii diferite, apoi le testează pentru ADN bacterian.

până în prezent, cercetătorii au colectat 100.000 de probe. Au catalogat bacteriile din cel mai adânc ocean. Au găsit bacterii pe Stația Spațială Internațională, la aproximativ 350 de kilometri (220 mile) deasupra pământului. Au descoperit bacterii în locuri exotice precum pădurea tropicală amazoniană și în locuri obișnuite precum toaletele publice.

descoperirea bacteriilor care se ascund acolo — și de ce — este primul pas spre înțelegerea modului în care diferite ecosisteme conduc vasta mașină pe care o gândim ca viață pe Pământ. Învățarea despre bacterii ne poate ajuta să răspundem la întrebări despre modul în care funcționează planeta noastră, spune Gilbert. Bacteriile pot explica de ce recifele de corali din ocean sunt pline de viață. Sau ar putea explica de ce solurile din preeria nord-americană sunt atât de bune pentru plantarea culturilor.

De aceea această căutare este atât de importantă, spune el: „Aceasta este cunoașterea care ne poate ajuta să avem mai multă grijă de planetă.”