AI [Перевод] Как выглядел бы мир гигантских серных бактерий? Моё интервью изданию GazeteBilim

AI

Редактор
Регистрация
23 Август 2023
Сообщения
3 610
Лучшие ответы
0
Реакции
0
Баллы
243
Offline
#1
Гигантские серные бактерии — это крайне необычные организмы. Вы когда-нибудь задумывались, каким был бы мир, в котором они господствовали бы? Недавно я написал статью об этом гипотетическом сценарии, и мои коллеги из турецкого научного издания GazeteBilim попросили меня рассказать им некоторые дополнительные подробности. Здесь я представляю переведенную версию этого очень приятного интервью — с любезного разрешения моих турецких коллег


Гипотетические грибоподобные организмы в «гигантском серном мире». Изображение создано с помощью Midjourney

Георгий Куракин
Интервьюировала: Седеф Чакыр
Редакция GazeteBilim

Что такое гигантские серные бактерии и какой у них механизм производства энергии?

Сам вопрос «Что такое гигантские серные бактерии?» может вызвать настоящий спор. Когда я писал свою статью [1], я имел в виду представителей порядка Thiotrichales. Одной из их отличительных особенностей является их гигантский размер (по прокариотическим меркам), сопоставимый с эукариотическими клетками и небольшими многоклеточными эукариотами. Они используют неорганические сульфиды в качестве основных питательных веществ и получают энергию от их окисления.


Одной из отличительных черт этих бактерий являются их гигантские размеры, которые считаются необычными для прокариот. (Изображение создано с помощью Midjourney)

Однако через пару дней после публикации моей статьи [1] со мной связался Филип Мейсман, профессор биологического факультета Университета Антверпена. Он поделился со мной своей статьей [2], в которой рассматриваются очень похожие бактерии. Эти бактерии образуют длинные нити, как Thiotrichales, и окисляют сульфид таким же образом. Они также развили специализированные структуры, похожие на провода, для электрического соединения процессов окисления и восстановления на разных концах одной и той же нити [3]. Но они принадлежат к другой филогенетической группе: они образуют узкую кладу в семействе Desulfobulbaceae [4]. Типовым видом этого семейства является Desulfobulbus propionicus — обычная одноклеточная бактерия. Тот факт, что кабельные бактерии Candidatus Electrothrix и Candidatus Electronema являются её близкими родственниками, кажется удивительным. Но Thiotrichales демонстрируют аналогичное разнообразие морфологии и самих принципов строения.

Таким образом, я думаю, что гигантские серные бактерии не являются таксоном, это своеобразная форма жизни, встречающаяся среди бактерий, которые питаются сероводородом.

В своей статье [1] вы упоминаете, что сероводород обычно встречается только в глубоких слоях некоторых водоемов и достигает этих глубин либо через геологические источники (нефтяной газ, природный газ, вулканические газы), либо в результате разложения органического вещества. Напротив, кислород находится в верхних слоях, поскольку он диффундирует туда из атмосферы. Учитывая, что гигантским серным бактериям необходим доступ к обеим областям, какие стратегии они развивают для выживания?

Прежде всего, я должен уточнить один момент, который я опустил в своей статье [1] для простоты. Гигантские серные бактерии могут использовать в качестве окислителя не только кислород, но и нитрат. Это выглядит более экзотично, но ставит бактерии в те же сложные условия: сульфид и любой сильный окислитель всегда разделены в пространстве из-за их химической реактивности. В противном случае они бы реагировали друг с другом без участия бактерий, абиотически. Окислитель и сульфид могут сосуществовать только в водоемах со стабильными химическими градиентами этих веществ.

Это и есть основная причина гигантских размеров серных бактерий. Гигантские серные бактерии находятся под постоянным давлением отбора, что заставляет их расти в длину, чтобы преодолевать пространство между скоплениями кислорода и сульфида. По этой причине гигантские серобактерии независимо возникали в разных таксонах как минимум дважды (в таксонах Thiotrichales и Desulfobulbaceae). Более того, некоторые бактерии из порядка Thiotrichales, вероятно, являются результатом конвергентной эволюции: они образуют длинные нити, но имеют совершенно иную структуру, что делает происхождение от гигантского общего предка крайне маловероятным. Например, недавно обнаруженная Thiomargarita magnifica образует длинные нити, как Beggiatoa, но Beggiatoa — многоклеточный организм, в то время как T. magnifica — это одна гигантская клетка. Более того, близкий родственник T. magnifica, называемый Thiomargarita namibiensis, существует, не вырастая в длину. Вместо этого он пассивно перемещается между зонами, богатыми сульфидами и окислителями, и накапливает внутри себя вещества, чтобы использовать их позже в другой зоне, буквально "задерживая дыхание" [5]. Подробных филогенетических исследований всех форм гигантских серных бактерий пока нет, но, похоже, эволюция постоянно создаёт гигантские серные бактерии из обычных бактерий. И это следствие особой среды, в которой они живут, где выживают только самые длинные.

Мы знаем, что эукариотические клетки вырабатывают энергию с помощью митохондрий. Однако у прокариотических клеток нет митохондрий. Как же прокариотические клетки вырабатывают энергию?

С технической точки зрения, для производства энергии не нужны митохондрии — достаточно мембраны, на которой создается протонный градиент. По сути, митохондрии выполняют именно эту функцию, создавая протонный градиент на своих внутренних мембранах и генерируя АТФ путём его контролируемого разряда через АТФ-синтазу. Тот же механизм используется подавляющим большинством прокариот, включая гигантские серные бактерии, за исключением того, что они используют свою клеточную мембрану для формирования градиента вместо внутренней мембраны митохондрий.

Поскольку митохондрии происходят от альфа-протеобактерий, их внутренние мембраны по сути аналогичны клеточным мембранам прокариот. Митохондрии позволяют эукариотическим клеткам становиться больше и мощнее — общая поверхность их внутренних мембран значительно превышает поверхность клеточной мембраны.

В своей статье вы отмечаете, что потребление энергии зависит от объема клетки, и когда бактерия увеличивается в размерах, ее энергопотребление также увеличивается. Однако гигантские серные бактерии чрезвычайно крупные и вытянутые. Как эти бактерии справляются с такой ситуацией?

Да, гигантские серные бактерии действительно находятся под постоянным давлением отбора, что объясняется простой математикой. Площадь поверхности пропорциональна квадрату линейных размеров, а объем клетки — кубу линейных размеров. Таким образом, когда бактерия увеличивается в длину (как в случае с гигантскими серными бактериями), её объём растёт быстрее, чем площадь поверхности мембраны. Однако количество доступных АТФ-синтаз прямо пропорционально площади мембраны. Это фундаментальный фактор, ограничивающий размер бактериальных клеток, и именно поэтому обычные бактериальные клетки такие маленькие. Гигантские серные бактерии (некоторые из которых видны невооруженным глазом) неизбежно сталкиваются с этим ограничением. И что они потенциально могут сделать?

Если прокариоту необходимо вырасти и преодолеть это ограничение, у него есть два возможных способа сделать это. Первый способ — стать многоклеточным. Каждая клетка останется маленькой, но их общее количество не ограничено, и из этих клеток можно построить нить любой длины. Я назвал эту стратегию «мультицеллюляризацией» — и это относится к бактериям Beggiatoa, Thioploca и кабельным бактериям.

Второй вариант — стать гигантской клеткой, внутри которой находится множество «мини-клеток» — небольших мембранных отсеков с АТФ на мембране. Это относится к эукариотам — наши мини-клетки называются митохондриями. Но не только эукариоты используют этот вариант — гигантская серная бактерия Thiomargarita magnifica, о которой я упоминал ранее, также полагается на этот лайфхак. И надо сказать, успешно полагается — это самый большой прокариот из известных нам.

Его «мини-клетки» представляют собой пепины — мембранные везикулы внутри клетки, которые содержат АТФ-синтазы на своей мембране и копии ДНК всего генома внутри них [6]. Таким образом, пепины одновременно заменяют митохондрии и выполняют роль ядра. Это может показаться странным, но это настолько похоже на эукариотические клетки, что я назвал эту вторую стратегию «эукариотизацией», а не просто «компартментализацией».

Оказалось, что среди гигантских серных бактерий неоднократно возникали различные и уникальные формы сложности, позволяющие преодолевать ограничения по размеру. Это дало мне основание для осторожного предположения, что гигантские серные бактерии могли бы в конечном итоге сформировать настоящие эукариотические клетки или эволюционировать в сложные многоклеточные организмы (или даже реализовать оба варианта!). В этом весьма гипотетическом сценарии они могли бы эволюционировать в настоящую сложную жизнь, подобную современным растениям, грибам и животным.

Давайте представим себе такой сценарий. Как бы выглядел "гигантский серный мир" с вашей точки зрения?

Здесь мы вступаем на зыбкую почву альтернативной эволюции, но я считаю её необходимой, чтобы представить эволюционный потенциал гигантских серных бактерий и понять их мир — даже реальный — как единое целое. Итак, давайте немного пофантазируем — именно это я и сделал в своей статье [1].

Наиболее очевидная структура, которая могла бы возникнуть из тонких нитей гигантских серных бактерий, напоминала бы мицелий, поэтому у нас есть хорошие шансы увидеть грибоподобные организмы в этом «гигантском серном мире» (Рис. 1). Под микроскопом они бы продемонстрировали одну интересную особенность — внутри они содержали бы гранулы серы, как настоящие гигантские серные бактерии.


Рис. 1. Наиболее очевидными структурами, которые могли бы возникнуть из тонких нитей гигантских серных бактерий, были бы разновидности мицелия. Так что вероятность увидеть грибоподобные организмы в этом «гигантском серном мире» была бы довольно высока. Изображение создано MindTheGraph AI.

Вероятны и другие формы многоклеточной жизни — скорее всего, они были бы основаны на нитевидных структурах и были бы клональными (это означает, что весь организм развивается из одной клетки, как растения и животные развиваются из одной зиготы). Растения соответствуют этой модели, поэтому мы могли бы также увидеть леса из организмов, похожих на растения. Но они не фотосинтезировали бы, а вместо этого накапливали бы желтую элементную серу в процессе хемосинтеза (Рис. 2a,b). Представляете себе вечную золотую осень на всей планете?


Рис. 2a. Наземные древеcные организмы, которые могли бы развиться из гигантских серных бактерий. Изображение создано с помощью Midjourney

Рис. 2b. Подводные древесные организмы, которые могли бы развиться из гигантских серных бактерий. Изображение создано Google Gemini

Существуют и другие сложности, связанные с многоклеточностью — клональная многоклеточность с подвижными клетками (как у животных) и агрегативная многоклеточность (как у слизевиков). Но многоклеточность, подобная животной, необычна даже в нашем мире — она возникла лишь однажды, в то время как нитевидные клональные организмы, такие как слизевики, появлялись многократно. Некоторые биологи, специализирующиеся на изучении многоклеточности, даже называют появление многоклеточности "животного" типа эволюционным «черным лебедем» [7]. А от "чёрных лебедей" не застрахован ни один мир. Даже воображаемый «гигантский серный мир». По крайней мере, там ожидаемы неподвижные организмы, похожие на кораллы. С желтыми включениями серы, конечно (Рис. 3).


Рис. 3. Кораллоподобный организм, который мог бы существовать в "гигантском серном мире". Изображение создано Midjourney

Наш мысленный эксперимент показывает, что в целом потенциал «гигантского серного мира» в плане эволюции сложных многоклеточных организмов мало отличается от нашего мира. Конечно, гигантские серные бактерии не эволюционировали в сложные многоклеточные организмы, поскольку сероводород на Земле встречается редко, а условия их обитания были слишком стабильными. Но если бы что-то на древней Земле пошло не так, наши гигантские серные аналоги сейчас бы готовили интервью о потенциальной возможности эндосимбиотического эукариогенеза в гигантском серном мире…

– Спасибо за уделённое время!

– Вам спасибо!

Литература


  1. Куракин Г. (2025) Альтернативная эволюция: сложные формы жизни на основе гигантских серных бактерий. Биомолекула. URL: https://biomolecula.ru/articles/alternativnaia-evoliutsiia-slozhnye-formy-zhizni-na-osnove-gigantskikh-sernykh-bakterii


  2. Meysman F. J. (2018) Cable bacteria take a new breath using long-distance electricity. Trends in Microbiology, 26(5), 411-422. https://doi.org/10.1016/j.tim.2017.10.011


  3. Service R.F. (2025) Metal scaffolds turn bacteria into live wires. Science. https://doi.org/10.1126/science.zxf8htw


  4. Trojan D., Schreiber L., Bjerg J. T., Bøggild A., Yang T., Kjeldsen K. U., Schramm A. (2016) A taxonomic framework for cable bacteria and proposal of the candidate genera Electrothrix and Electronema. Systematic and Applied Microbiology, 39(5), 297-306. https://doi.org/10.1016/j.syapm.2016.05.006


  5. Schulz H. N. (2002) Thiomargarita namibiensis: Giant microbe holding its breath. ASM News, 68 , 122-127, https://doi.org/10.1128/AEM.68.11.5746-5749.2002


  6. Volland J. M., Gonzalez-Rizzo S., Gros O., Tyml T., Ivanova N., Schulz F., Goudeau D., Elisabeth N. H., Nath N., Udwary D., Malmstrom R. R., Guidi-Rontani C., Bolte-Kluge S., Davies K. M., Jean M. R., Mansot J. L., Mouncey N. J., Angert E. R., Woyke T., Date S. V. (2022) A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles. Science, 376 , 1453-1458, https://doi.org/10.1126/science.abb3634


  7. Ruiz-Trillo I., Kin K., Casacuberta E. (2023) The origin of metazoan multicellularity: a potential microbial black swan event. Annual Review of Microbiology, 77 (1), 499-516. https://doi.org/10.1146/annurev-micro-032421-120023
Примечания


Исходная версия интервью была опубликована в издании GazeteBilim. Для цитирования интервью нужно использовать следующую ссылку:


Gazetebilim.com.tr – (2026, Ocak 12). Dev kükürt bakterileri dünyası neye benzer? Gazetebilim.com.tr. 22.01.2026 tarihinde erişim adresi:https://gazetebilim.com.tr/dev-kukurt-bakterileri-dunyasi-neye-benzer/

Эта публикация является адаптированным переводом оригинального интервью на русский язык и распространяется с разрешения GazeteBilim. В рамках адаптации ссылки на некоторые материалы заменены ссылками на их русские переводы.
 
Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru
Сверху Снизу