Кислотолюбивый микроб может улучшить понимание климата прошлого

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.