Три четверти всего вещества во Вселенной состоит из водорода. Молодая Земля также была богата водородом благодаря интенсивной геологической и вулканической активности.
Подобно тому, как звезды сжигают водород для получения тепла и света посредством ядерных реакций, жизнь возникла путем извлечения энергии из этой простой молекулы с помощью химических реакций.
Одними из этих ранних форм жизни были археи: загадочная третья форма жизни, открытая только в 1970-х годах. (Две другие формы - бактерии и эукариоты, группа, в которую входят все животные, растения и грибы.)
Мы изучили тысячи видов архей, чтобы понять, как они процветали в течение миллиардов лет на нашей постоянно меняющейся планете. В их генетических схемах мы нашли инструкции по производству специальных ферментов (называемых гидрогеназами) для получения энергии из газообразного водорода, что позволяет им выживать в самых суровых условиях на Земле. Наше последнее исследование опубликовано в Cell и Nature Communications.
Жизнь, основанная на водороде
Археи встречаются в местах, где никакая другая жизнь выжить не может. Например, некоторые из них процветают в кипящих горячих источниках, где вода настолько кислая, что в ней растворяется железо.
Здесь в результате геотермальных процессов в земной коре постоянно образуется водород. Археи поглощают этот водород для восстановления своего организма и даже иногда растут в смертельно опасных условиях.
Мы обнаружили, что некоторые археи могут использовать небольшое количество водорода, содержащегося в воздухе, в качестве дополнительного источника пищи. Эта способность, вероятно, помогла бы им пережить перенос через атмосферу от одного богатого водородом горячего источника к другому.
Выживание в темноте
Многие археи не встречаются на поверхности, а ведут скромный образ жизни глубоко под землей. Растения и животные не могут выжить в такой среде, потому что для их поддержания нет света или кислорода.
Археи нашли решение: они расщепляют глубоко захороненные органические вещества из остатков растений или животных. Они делают это с помощью процесса, называемого “водородообразующей ферментацией”.
Подобно тому, как в процессе брожения пива дрожжи преобразуют сахар в углекислый газ, эти обитающие в темноте археи преобразуют органические вещества в газообразный водород.
Этот процесс высвобождает некоторое количество энергии, но совсем немного. Чтобы выжить, некоторые археи образуют сверхмалые клетки, чтобы свести к минимуму свои энергетические потребности. Многие из них также паразитируют на других микробах, воруя органику для собственного роста.
Археи выделяют метан
Многие археи живут в экстремальных условиях, но некоторые находят теплый приют в организме животных.
В кишечнике животных многие бактерии помогают переваривать пищу путем ферментации, образующей водород. Но группа архей, известных как метаногены, питается водородом и выделяет мощный парниковый газ - метан.
Метаногены особенно многочисленны и активны в кишечнике крупного рогатого скота, который ответственен примерно за треть антропогенных выбросов метана. Мы также работаем над способами подавления активности кишечных метаногенов, чтобы уменьшить эти выбросы.
Эти же археи также ответственны за выбросы метана из множества других источников, от термитников до таяния вечной мерзлоты и даже деревьев.
Извлекая уроки из водородной экономики архей
Поскольку наше общество пытается отказаться от ископаемого топлива, мы, возможно, сможем извлечь уроки из водородной экономики архей, которая процветала миллиарды лет.
Большая часть водорода на Земле содержится в воде. Для извлечения водорода и работы с ним промышленным предприятиям в настоящее время требуются дорогостоящие катализаторы, такие как платина. Однако существуют также биологические катализаторы водорода, ферменты, называемые гидрогеназами, которые не требуют драгоценных металлов и работают в более широком диапазоне условий.
Мы обнаружили, что некоторые археи вырабатывают высокоэффективные гидрогеназы. Эти ферменты могут стать основой для более эффективных и экономичных водородных катализаторов.
Водород и история жизни
Возможно, водород является ключом к нашей будущей энергетике. Но стоит отметить, что водород также помогает объяснить наше прошлое.
Первые эукариоты (предки всех животных, растений и грибов) появились около двух миллиардов лет назад, когда архейная клетка слилась с бактериальной клеткой.
Почему они слились? Наиболее распространенная теория, известная как “водородная гипотеза”, предполагает, что слияние двух клеток позволяет им более эффективно обмениваться газообразным водородом. Вероятный сценарий заключается в том, что архейная клетка выжила, производя водород, который затем потребляла бактериальная клетка для получения собственной энергии.
В конечном счете, за миллиард лет эволюции этот процесс привел к появлению всех эукариот. Большинство современных эукариот, включая человека, с тех пор утратили способность использовать водород.
Но следы древних архей и бактерий все еще существуют. Основа наших клеток - археи, а органеллы, вырабатывающие энергию внутри клеток, называемые митохондриями, - бактерии.
Водород, возможно, и прост, но именно он способствовал созданию большей части сложных систем на Земле.
(Авторы: Пок Ман Леунг, научный сотрудник по микробиологии Университета Монаша и Крис Грининг, профессор микробиологии Университета Монаша)
(Заявление о раскрытии информации: Крис Грининг получает финансирование от Австралийского исследовательского совета, Национального совета по здравоохранению и медицинской науке, Австралийского антарктического отдела, научной программы Human Frontier Science Program и Фонда Wellcome Trust. Пок Ман Леунг не работает, не консультирует, не владеет акциями и не получает финансирования от какой-либо компании или организации, которые могли бы извлечь выгоду из этой статьи, и не раскрывает никакой информации о своей деятельности, кроме научной)
Эта статья переиздана с сайта The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
(За исключением заголовка, этот материал не редактировался сотрудниками NDTV и опубликован на синдицированном канале).
