Ученые открыли новые горизонты для жизни на дне океана

В странном мрачном мире океанского дна в подводных трещинах, называемых гидротермальными жерлами, можно обнаружить необычные формы жизни. Эти трещины изрыгают раскаленные жидкости в чрезвычайно холодную морскую воду, создавая химические условия, необходимые для жизни мелких организмов, населяющих эту экстремальную среду.

В недавно опубликованном исследовании биогеологи Джеффри Дик и Эверетт Шок определили, что некоторые гидротермальные среды морского дна обеспечивают уникальную среду обитания, в которой могут процветать определенные организмы. Тем самым они открыли новые возможности для жизни на океанском дне на Земле, а также во всей Солнечной системе.

На суше организмы получают энергию из пищи. Они делают это посредством клеточного дыхания, при котором происходит окисление углеводов, липидов и аминокислот до углекислого газа и воды, а также образование энергии.

С биологической точки зрения молекулы в нашей пище нестабильны в присутствии кислорода, и именно эта нестабильность используется нашими клетками для роста и размножения. Но для организмов, живущих на морском дне, условия жизни кардинально иные.

«На суше, в богатой кислородом атмосфере Земли создание молекул жизни требует энергии. В противоположность этому, вокруг гидротермальных жерл на морском дне горячие жидкости смешиваются с чрезвычайно холодной морской водой, создавая условия, при которых молекулы жизни высвобождают энергию», – Эверетт Шок.

Предыдущее исследование, проведенное профессором Шоком, показало, что биосинтез основных клеточных строительных блоков, таких как аминокислоты и сахара, особенно благоприятен в тех областях, где жерла состоят из вулканических и мета-магматических пород с очень низким содержанием кремнезема – ультрабазитах. Именно такие породы производят больше всего водорода.

Помимо основных строительных блоков, таких как аминокислоты и сахара, клеткам необходимо образовывать более крупные молекулы или полимеры, также известные как биомакромолекулы. Белки являются наиболее распространенными из этих молекул в клетках, и сама реакция полимеризации (когда небольшие молекулы объединяются для образования более крупной биомолекулы) требует энергии почти во всех мыслимых средах.

«Другими словами, там, где есть жизнь, есть вода, но вода должна быть вытеснена из системы, чтобы полимеризация стала благоприятной. Итак, есть два противоположных потока энергии: высвобождение энергии путем биосинтеза основных строительных блоков и энергия, необходимая для полимеризации», – Джеффри Дик.

Ученые решили выяснить, что произойдет при складывании противоположных потоков энергии и можно ли в этих условиях получить белки, общий синтез которых действительно благоприятен в зоне смешивания. Для ответа на этот вопрос они использовали уникальное сочетание теоретических и практических данных. 

С теоретической точки зрения они использовали термодинамическую модель белков, называемую «групповой аддитивностью», которая учитывает конкретные аминокислоты в белковых последовательностях, а также энергии полимеризации. Для получения практических данных они использовали все последовательности белков во всем геноме хорошо изученного организма из рода архей под названием Methanocaldococcus jannaschii.