Mikrober som bor i de briljantfärgade varma källorna i Yellowstone National Park använder främst väte för bränsle, säger forskare University of Colorado i Boulder forskare säger att det är bra för livet i extrema miljöer på andra planeter och kan öka förståelsen för bakterier i människokroppen.
Ett team av CU-Boulder-biologer under ledning av professor Norman Pace, en av världens ledande experter på molekylär evolution och mikrobiologi, publicerade sin rapport ”Hydrogen and bioenergetics in the Yellowstone geothermal system” denna vecka i onlineutgåvan av Proceedings of the National Vetenskapsakademin.
Teamets resultat, baserat på flera års forskning i parken, motbevisar den populära idén att svavel är den viktigaste energikällan för små organismer som lever i termiska funktioner.
"Det var en överraskning att väte var den viktigaste energikällan för mikrober i de varma källorna," sa Pace. ”Detta projekt är också intressant i samband med mikrobiologi eftersom det är en av de få gångerna vi har kunnat studera mikrober för att få information om ett helt ekosystem. Det har aldrig tidigare varit möjligt. "
Studien utformades specifikt för att bestämma den huvudsakliga källan till metabolisk energi som driver mikrobiella samhällen i parkfunktioner med temperaturer över 158 grader Fahrenheit. Det är inte känt att fotosyntes förekommer över den temperaturen.
En kombination av tre olika ledtrådar fick forskare att dra slutsatsen att väte var den viktigaste energikällan. Genetisk analys av de olika mikroberna som lever i varma källor samhällen avslöjade att de alla föredrar väte som energikälla. De observerade också allestädes närvarande H2 i alla de varma källorna i koncentrationer som är tillräckliga för mikrobiell bioenergetik. Termodynamiska modeller baserade på fältdata bekräftade att vätemetabolism var den mest troliga bränsleskällan i dessa miljöer.
"Detta arbete presenterar några intressanta tillhörande frågor," sade John Spear, huvudförfattare till rapporten. ”Väte är det vanligaste elementet i universum. Om det finns liv någon annanstans, kan det vara så att väte är dess bränsle, ”sade Spear. "Vi har sett bevis på vatten på Mars, och vi vet att på jorden kan väte produceras biogenetiskt genom fotosyntes och jäsning eller icke-biogenetiskt med vatten som reagerar med järnbärande berg. Det är möjligt att icke-biogena processer producerar väte på Mars och att någon mikrobiell livsform skulle kunna använda det, sade han.
Det finns många exempel på bakterier som lever i extrema miljöer - inklusive människokroppen - som använder väte som bränsle, enligt Spear. "Nyligen genomförda studier har visat att Helicobacter pylori-bakterier, som orsakar magsår, lever på väte inuti magen," sade Spear. ”Salmonella metaboliserar väte i tarmen. Det får mig att undra hur många olika typer av mikrober som finns där ute som metaboliserar väte i extrema miljöer. ”
Istället för att förlita sig på traditionella mikrobiologitekniker som använder kulturer som odlats i labbet, använde CU-Boulder-teamet metodik utvecklad av Pace för att genetiskt analysera sammansättningen av den mikrobiella samhällen som den framträdde i fältet. "Vi tittade inte på vad som växer i en kulturrätt, vi tittade på RNA för prover direkt från fältet," sade Spear.
"Vi har aldrig tidigare känt vilka mikrober som bodde i Yellowstone heta källor, och nu gör vi det," sa Pace.
En ny serie instrument användes för att samla in data, av vilka några aldrig tidigare hade samlats in. "Ingen hade mät koncentrationen av väte i de varma källorna för eftersom tekniken inte fanns förrän för cirka sju år sedan. Nu kan vi upptäcka väldigt låga nivåer av väte i vatten, förklarade Spear.
"Vi hittade massor av väte i de varma källorna - en oändlig tillgång till bakterier," sade han. Mätningar av mängden H2 i vatten registrerades i Yellowstone varma källor, bäckar och geotermiska ventiler i olika delar av parken och under olika säsonger. Alla miljöer hade koncentrationer lämpliga för energimetabolism.
Teamet använde datorgenererade termodynamiska modeller för att ta reda på om väte verkligen var den viktigaste energikällan. "Du kan lukta sulfid i luften vid Yellowstone, och den accepterade tanken var att svavel var energikällan för livet i de varma källorna," sade Spear. Inte så, enligt teamets datormodeller som bygger på fältmätningar av väte, sulfid, koncentrerad upplöst syre och andra faktorer.
Spear sa att det var svårt att utforska ett mikrobiellt ekosystem. ”Vi har tillräckligt hårt tid för att förklara vad som händer i en skog, till exempel med alla sammanflätningssystem. Vi kan inte ens se ett mikrobiellt system. "
Provutvinning var en farlig och ömtålig operation. För att noggrant kunna analysera en varm vårs hela mikrobiella samhälle, behövde Spear bara samla ungefär lika mycket material som ett blyertsgummi. Sedimentprover skopades i speciella provflaskor och frystes omedelbart i flytande kvävebehållare för att bevara den mikrobiella gemenskapen.
I fjädrar där det inte fanns något sediment samlade Spear in prover av planktoniska organismer genom att hänga en glideskiva i vattnet och låta mikroberna samlas. ”Bakterier är precis som oss. De gillar att vara tillsammans, de gillar att vara fästa vid en yta och de gillar att få maten - upplöst väte, i det här fallet - till dem. ”
Spear förklarade att varma källor färger är resultatet av interaktioner mellan mineraler och mikroberna som bor i poolerna. Varmare vatten visar vanligtvis färger från mineraler, och kallare vatten är värd för fotosyntetiska pigment.
"Baserat på vad jag har sett i denna analys, tror jag att väte förmodligen driver mycket liv i många miljöer," sade Spear. "Det är en del spekulation, men med tanke på antalet och typer av bakterier som metaboliserar väte är det förmodligen en mycket gammal form av metabolism.
Det är viktigt eftersom det berättar om livets historia på jorden, sade han. "Och om det fungerar på detta sätt på jorden, kommer det troligtvis att hända någon annanstans. När du tittar upp på stjärnorna finns det mycket väte i universum. "
Originalkälla: UCB News Release
