Микробы повсюду: от почвы и воздуха до арктических льдов, океанов, озер и рек, не говоря уже о вашем теле, телефоне или компьютере, которыми вы сейчас пользуетесь.
«Редко можно найти место, где нет микробов», — говорит Джеффри Дж. Марлоу, доцент кафедры биологии Колледжа искусств и наук Бостонского университета.
Но есть исключения: экстремальные условия — горячая расплавленная лава, струи кипящей воды из глубоководных жерл — где отсутствие микробов дает Марлоу и его команде возможность изучить, как эти организмы выживают и изменяются с течением времени. Сколько времени, например, требуется микробам, чтобы заселить остывающий кусок расплавленной породы, и откуда они вообще берутся?
Микробы — одноклеточные организмы, такие как бактерии и археи, — помогают поддерживать жизнь на Земле, управляя круговоротом питательных веществ, расщепляя органические вещества и химические вещества и производя кислород. Они также могут вызывать инфекции, но подавляющее большинство из них нейтральны. Понимание этих невидимых, но незаменимых сообществ может помочь ученым раскрыть происхождение жизни на Земле — самые старые окаменелости, датируемые 3,5 миллиардами лет, являются следами микробов — и послужить ориентиром для поиска жизни на других планетах.
«Жизнь пронизывает Землю, быстро изменяя новые места обитания. Однако никто никогда не наблюдал подробностей того, как и как быстро микробы берут под контроль новую среду в течение продолжительных интервалов времени», — говорит Питер Шредл, доктор философии. студент программы BU по экологии, поведению и эволюции, работает в лаборатории Марлоу.
В течение прошлого года Марлоу, Шредл и другие сотрудники лаборатории закладывали основу для проекта, документирующего обитание микробов на новообразованной породе. Вместе со студентами Эрин Фрейтс и Диланом Манкелем они отправились в одно из самых экстремальных мест в мире: к действующему вулкану.
В 2021 году началось новое извержение вулкана Фаградальсфьялль в Исландии после 781 года покоя. А затем в августе 2022 года он снова извергся. Местные жители и туристы, конечно же, бросились на место происшествия, чтобы сделать эпические фотографии. Но для исследователей это предоставило редкую возможность собрать свежие образцы горных пород и внимательно изучить расплавленные внутренности нашей планеты. Марлоу и его команда студентов отправились на место вулкана всего за несколько недель до второго извержения, когда земля была еще горячей, а лава все еще стекала под землю от первого извержения.
«Джефф взял кусок камня, который мы отбирали, положил его в пакет, и пакет начал таять», — говорит Фрейтс.
Она и ее товарищи по команде пересекли край лавового поля вдали от туристов, откалывая куски затвердевшей базальтовой породы.
В течение той недели, когда они были там, команда собрала образцы, инкубировала и сохранила их, а затем привезла обратно в Бостон, при этом следя за тем, чтобы они не загрязнились.
Как только лава остывает и превращается в камень, в него могут проникнуть микробы, но сколько времени это занимает? И кто они? Откуда они? Марлоу и его команда хотят увидеть, какой тип микробных сообществ появляется, и, в конечном итоге, какие конкретные экологические и биологические факторы заставляют кусок вулканической породы становиться на путь превращения в лес или другую развитую экосистему.
«Тот факт, что жизнь может и активно проводит химические реакции сам по себе, удивителен; это похоже на волшебство», — говорит Фрейтс. «Микробы — крошечные химики».
По словам Марлоу, в прошлом исследователи обнаружили, что микробам требуется менее четырех месяцев, чтобы переместиться во вновь образованную породу, но подробности, кроме этого, не были хорошо задокументированы. В лаборатории горные породы, мерцающие зелеными и синими крапинками, ожидают анализа ДНК и минерального состава. Это позволит выяснить, какие микробы присутствовали в момент обнаружения пород через 10 месяцев после их образования. У команды также есть образцы, которым всего несколько дней или недель, благодаря партнерству с сотрудником Соланж Дюамель из Университета Аризоны. Исследователи планируют вернуться к вулкану, чтобы взять еще одну партию образцов, чтобы увидеть, как изменилось микробное сообщество за год, прошедший с момента их посещения.
«Наша работа дает возможность понять, как микробы вырывают контроль над абиотической средой, используя продолжающееся извержение вулкана в качестве идеальной естественной лаборатории», — говорит Шредл.
«Рев — это не преувеличение», — говорит Шредл. «Это редкая привилегия — лично поближе познакомиться с извергающимся вулканом, уважая вулкан и чтя то, что редкость лично для меня имеет первостепенное значение».
Всего через несколько недель после похода вокруг исландского вулкана Марлоу оказался в другой экстремальной среде. Тем же летом он отправился на глубину более 5000 метров в Карибское море на борту подводного аппарата Alvin Океанографического института Вудс-Хоул, который недавно достиг исторической глубины 6500 метров. Марлоу отправился в двухнедельный круиз с учеными со всего мира, чтобы проверить научные возможности подводного аппарата. Он также собрал образцы из Центра спрединга Среднего Каймана, области срединно-океанических хребтов, где две тектонические плиты медленно расходятся, а материал извергается изнутри, превращая его в горячую точку гидротермальных жерл.
Ученые считают, что гидротермальные источники, которые в основном представляют собой подводные вулканы, были питательной средой для первых микробов. Эти жерла представляют собой коктейль из химических веществ, отложений и горячей жидкости из глубин Земли, смешанной с прохладной океанской водой. несколько дюймов. Марлоу хочет найти порог, при котором микробы могут выжить в таких условиях.
Во время своего пребывания на подводной лодке он исследовал водные глубины на наличие новой тектонической активности, в то время как другие погружения извлекли куски труб гидротермальных источников, в основном состоящие из меди, серы и других металлов.
Вернувшись в лабораторию, Марлоу смешал исходные материалы, такие как углерод, азот или аминокислоты, с материалом образца, чтобы отследить микробы, поедающие и расщепляющие добавленные компоненты, что дало ключ к разгадке численности и активности микробов. На данный момент образец вентиляционного отверстия запечатан и ожидает изучения. Его особенно интересуют микробы, метаболизирующие метан, называемые анаэробными метанотрофами. В статье 2021 года Марлоу и группа ученых изучили четыре различных морских выхода метана, то есть места утечки метана из донных отложений, в Мексиканском заливе, на атлантической окраине США, в бассейне Гуаймас и у побережья Калифорнии. Они обнаружили, что предыдущие исследования сильно недооценивали потребление метана каменными метанотрофами.
«Метан — очень сильный парниковый газ, и есть водные микробы, которые поедают метан до того, как он попадет на поверхность», — говорит Марлоу. По его словам, около 80 процентов метана, выделяемого под водой, поглощается микробами, что предотвращает попадание этого газа в атмосферу.
«Микробы — лучшие химики в мире, и когда мы работаем с ними, мы можем совершать поистине впечатляющие подвиги», — говорит Шредл.
Если бы не открытие 1966 года, у нас не было бы тестов на COVID-19, в которых используется фермент, впервые обнаруженный в термостойком микроорганизме, обнаруженном в Йеллоустонском озере. Когда дело доходит до сокращения выбросов парниковых газов, Марлоу считает, что метанотрофы потенциально могут быть изучены как способ улавливания и регулирования метанового газа.
За пределами нашей планеты ученые используют микробы, обнаруженные в экстремальных условиях, в качестве шаблонов для поиска одноклеточной жизни на других планетах и спутниках, поскольку пустыни, вулканы и жерла на морском дне — это места, которые больше всего аналогичны Марсу и самому большому спутнику Сатурна, Титану. Это широко называется астробиологией, областью, которая стремится найти возможную внеземную жизнь, изучая системы Земли. Продолжая охоту на первые микробы в самых суровых местах, Марлоу и его команда надеются внести больший вклад в понимание жизни здесь и за ее пределами.
«То, что происходит, даже когда это кажется вне поля зрения, по-прежнему напрямую влияет на всю планету», — говорит Фрейтс. «В исследовании есть неотъемлемая ценность».
