Физические пределы жизни сдвинуты: найдены бактерии, поглощающие метан в аналоге бытового отбеливателя

Долгое время в микробиологии существовал негласный «закон»: метанотрофы — бактерии, питающиеся метаном, — не могут расти при pH выше 10.5. Считалось, что pH 11 — это теоретическая граница, за которой биологические процессы останавливаются. Новое исследование показало наличие естественного биологического «фильтра», способного потреблять метан даже в экстремальных химических условиях.

Ученые обнаружили бактерии рода Methylovulum при pH 11.6. Это контринтуитивно, поскольку такая щелочность должна буквально разъедать клетки изнутри, однако эти микробы нашли способ не просто сохранять целостность, но и активно перерабатывать метан. Новые данные расширяют известные физические границы обитаемости Земли и предоставляют астробиологам подтверждённый земной аналог для изучения процессов в океанах ледяных спутников Солнечной системы и экзопланет.

В засушливых ландшафтах Омана, в офиолитовом комплексе Самаил, протекает один из самых интересных геологических процессов на Земле — низкотемпературная серпентинизация. Когда вода вступает в реакцию с породами мантии (перидотитами), она превращается в едкий, гиперщелочной флюид, создавая среду, которая кажется абсолютно враждебной для белковой жизни. Учёные выяснили, что микробы здесь выживают не случайно, а селятся строго в зонах смешивания потоков. Идеальная энергетическая среда возникает там, где 20% едких глубинных вод соединяются с 80% поверхностных вод, богатых кислородом и сульфатами. На этом стыке возникла своеобразная «зона обитаемости», дающая микроорганизмам необходимый коктейль для выживания.

Изображение сгенерировано: Nano Banana

Отборы проб подтвердили, что наблюдаемые изотопные подписи соответствуют потреблению метана микроорганизмами. А генетический анализ выявил доминирование рода Methylovulum, который адаптировался к гиперщелочным условиям и способен потреблять метан даже в экстремальных химических условиях.

Чтобы доказать, что газ действительно перерабатывается живыми организмами, а не испаряется по физическим причинам, авторы работы применили изотопный анализ. Бактерии предпочитают разрушать химические связи с более лёгким изотопом углерода, оставляя в воде нетронутый метан, обогащённый тяжёлым изотопом. На оманских участках Кафифа и Дима этот сдвиг в сторону тяжёлого углерода достиг значения, говорящего о присутствии метанотрофов. Дальнейшее изучение образцов подтвердило, что ни механическое смешивание вод, ни дегазация не способны вызвать такое утяжеление молекул: газ меняет свой химический состав из-за поглощения биологическим фильтром.

Чтобы клетка не растворилась от избытка щелочи, бактерия использует специализированные натрий-протонные антипортеры (насосы типа NhaD). Они непрерывно выкачивают из клетки ионы натрия в обмен на дефицитные протоны водорода из внешней среды, поддерживая безопасный внутренний баланс. За само переваривание отвечает мембранный фермент метанмонооксигеназа (pMMO), который расщеплят инертный метан до метанола для дальнейшего синтеза клеточной биомассы.

Однако даже у этих экстремофилов обнаружилась критическая уязвимость перед аммиаком. Данные показали, что как только концентрация общего аммонийного азота превышает 20 микромоль на килограмм, активность бактерий резко падает. Молекулы аммиака структурно похожи на метан, поэтому они обманывают фермент pMMO, занимают его активные центры и блокируют весь цикл питания. Этот химический барьер жёстко ограничивает зоны распространения микроорганизмов в геологическом комплексе.

Результаты исследования могут повлиять на стратегии поиска внеземной жизни межпланетными аппаратами. Поскольку зонд Cassini (Кассини) ранее подтвердил протекание процессов серпентинизации в недрах спутника Сатурна Энцелада, доказанная способность бактерий выживать при экстремальной щелочности означает, что жизнь в подобных океанах может активно уничтожать метан до того, как он попадет в гейзеры и будет зафиксирован приборами зондов. Изотопный состав метана сам по себе не является «золотым билетом», подтверждающим наличие жизни. Но если рассматривать его вместе с геохимией и моделями смешивания вод, то он становятся сильным индикатором при интеграции с геохимическим моделированием. Это имеет прямое значение для интерпретации данных с Марса и планируемых миссий к океаническим спутникам, где щелочная гидротермальная активность может поддерживать аналогичные экосистемы.

В земных реалиях понимание этого механизма окажется полезным при разработке технологий хранения углекислого газа в недрах: инженерам придётся учитывать наличие естественных бактериальных фильтров, чтобы случайно не спровоцировать масштабные выбросы парниковых газов на поверхность.

©  iXBT