Открытие того, что другие факторы, кроме температуры, могут влиять на мембраны одноклеточных архей, усложняет исследования палеоклимата, которые традиционно использовали окаменелые останки микробов для реконструкции прошлых климатических условий.
Археи – одна из трех основных сфер жизни наряду с бактериями и эукариями, сфера, в которую входят животные и растения.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Environmental Microbiology, могут помочь разрешить разногласия в исследованиях палеоклимата и могут способствовать более детальному пониманию климатических систем планеты.
«Биомаркеры, как и молекулы жира, из которых состоят клеточные мембраны в нашем теле, могут быть мощными регистраторами окружающей среды, которые могут сохраняться миллиарды лет», – сказал Уильям Ливитт, доцент кафедры наук о Земле в Дартмуте. «Мотивация этого исследования заключалась в том, чтобы лучше объяснить, как археи реагируют на все основные типы стресса в окружающей их среде, и как они регистрируют этот стресс в молекулах жира, который сохраняется в течение геологического времени."
Клеточные мембраны состоят из липидов, которые защищают клетки от изменений окружающей среды, таких как температура, кислотность и доступность пищи.
Колебания этих внешних условий могут привести к тому, что организмы изменят структуру своей мембраны, чтобы помочь в выживании.
Обычные археи, обитающие в океане, реагируют на изменение температуры изменением «эффективности упаковки» своих липидных мембран. Плотность этой боковой упаковки между отдельными липидами можно регулировать, регулируя количество молекулярных колец в липидах.
Подсчет количества колец в этих консервированных липидах позволяет исследователям использовать древние отложения микроорганизмов для определения прошлой температуры океана.
В то время как большинство исследований мембран архей было сосредоточено на видах, обитающих в озерах и океанах, исследователи из Дартмута изучали термоацидофилов – кислых и теплолюбивых родственников, которые первоначально развивались в горячих источниках и процветают в некоторых из самых экстремальных природных условий на Земле. Вместо того, чтобы изучать, как микроб реагирует на изменения температуры, исследовательская группа сосредоточилась на влиянии различной доступности пищи и энергии.
"Идея о том, что доступ к пище стимулирует изменения мембран, была недавно предложена у низкотемпературных архей, обитающих в океане.
Это первая демонстрация того, что этот эффект проявляется также и у высокотемпературных кислотолюбивых микробов », – сказал Ливитт, который был старшим научным сотрудником исследования.
Лаборатория Дартмута использовала термоацидофил под названием Sulfolobus acidocaldarius для экспериментов из-за его тесной эволюционной связи с обитающими в океане архей и потому, что он был обычным явлением в экстремальных условиях на протяжении большей части прошлой истории планеты, давая исследователям возможность увидеть предыдущие условия на планете. Быстрый рост микроба также делает его полезным в лабораторных экспериментах.
Исследователи поместили организм в биореактор с постоянной температурой – 80 градусов Цельсия и уровнем pH, близким к кислоте из аккумуляторной батареи.
Контролируя количество сахара, доступного микробу, команда продемонстрировала, что уровни пищи напрямую связаны с количеством колец в мембране.
«Этот подход на основе биореактора был уникальным, потому что он позволил нам полностью изолировать эффект ограничения сахара для этих микробов», – сказала Алиса Чжоу, которая была первым автором исследования, когда она была аспирантом в Дартмуте. «Это отличается от подавляющего большинства микробиологических экспериментов, которые проводятся в периодических культурах с замкнутой системой, где множество переменных, таких как химический состав раствора и размер популяции, меняются со временем и искажают результаты."
Исследование направлено на то, чтобы помочь геологам и климатологам в их усилиях по точной настройке записей прошлых температур поверхности моря, когда они собирают воедино портреты климата Земли в прошлом.
"Очень важно, чтобы мы были максимально осторожны при интерпретации геологических данных. Довольно редко в игре задействован только один фактор. Мы должны понять все параметры, прежде чем делать общие прогнозы ", – сказал Ливитт.
По словам исследовательской группы, существующий прокси, который полагается на данные с мембран архей для определения прошлых температур, известный как TEX86, является точным в большинстве сред на поверхности моря. Однако есть заметные аномалии в таких местах, как полярные регионы, где температуры, предсказанные TEX86, могут не совпадать с фактическими измерениями.
Поскольку существуют условия, при которых текущий прокси-сервер TEX86 может привести к неубедительным результатам, есть надежда, что исследование поможет уточнить климатические данные в тех случаях, когда существуют разногласия.
Согласно исследованию, ограничение энергии – распространенное явление, которое заставляет эти микробы изменять типы и структуру производимых липидов.
Это исследование предполагает, что реакция липидов на ограничение энергии может быть универсальной для всех архей, и поэтому ее всегда следует учитывать при оценке того, какие липиды, извлеченные из древних отложений, могут говорить исследовательскому сообществу.