Prochlorokokas: dydis dar ne viskas

NASA nuotr.

Mokslas Prochlorokokas: dydis dar ne viskas...

Kai minima fotosintezė, kai kalba užeina apie deguonį išskiriančius augalus, tikriausiai įsivaizduojame mums įprastus medžius, krūmus, vazonines gėles, prisimename miškus, o kai kas – galbūt net „planetos plaučiais“ vadinamus Amazonės miškus. Ir tik nedaugelis žino, o dar retesnis atsimins iš karto, jog bent pusė mūsų planetos gyvybei būtino deguonies yra išskiriama vandenynų augmenijos – kai kurie mokslininkai spėlioja, jog net iki 85 proc.

Ir toji augmenija nėra gražūs, iki keliolikos metrų užaugantys jūrų kopūstai ar paslaptingi Sargaso jūros dumbliai, į kuriuos senovėje įsipainiodavo ir pražūdavo laivai, duodami pradžią gandams apie Bermudų trikampio paslaptį. Ne, pagrindiniai vandenynų fotosintetinantys organizmai yra fitoplanktonas: mikroskopiniai dumbliai arba net bakterijos, kurių ir per paprastą šviesinį mikroskopą neįžiūrėsi – melsvabakterės, anksčiau dar vadintos melsvadumbliais. Kekviename mūsų įkvėpime yra šių smulkių vienaląsčių organizmų pagaminto deguonies.

Priminsiu beje, jog fotosintezė – tai ne tik deguonis. Fotosintetinantys organizmai iš esmės yra bazinė savarankiška gyvybės forma Žemėje: pagrindinį energijos šaltinį – Saulės energiją – jie verčia į cheminių ryšių energiją, kurią gali įsisavinti ir patys, ir kiti. Visi kiti organizmai (išskyrus kai kurias bakterijas) tiesiogiai ar netiesiogiai parazituoja ant fotosintetinančių gyvybės formų. Taigi fotosintezė visai Žemei teikia:

1. Deguonį;

2. Maistą ir kitas augalinės kilmės medžiagas;

3. Nepamirškime, jog nafta, dujos, anglis – mūsų ekonomikos „deguonis“ – irgi yra prieš dešimtis mln. metų vykusios fotosintezės produktas.

Ir bonusas: nuo spinduliuotės saugančio ozono sluoksnis.

Priešdeguoninės eros Žemė – dailininko fantazija. © Walter Myers

Šitaip fotosintezė yra gyvybės, civilizacijos bei technologijų variklis. Iki fotosintezės atsiradimo mūsų planeta buvo akmeninga dykuma su kvėpavimui netinkama atmosfera ir vandenynu, kuriame gyveno tik bakterijos, gaunančios energiją iš kai kurių cheminių medžiagų skaidymo. Su savo šiuolaikiškiausiomis saulės baterijomis tik pradėjome grubiai mokytis „savarankiškumo“ ir padarėme pirmus, dar vaikiškai netvirtus žingsnius, įvaldydami dirbtinę fotosintezę.

Bet grįžkime prie mūsų fitoplanktono. Palyginus neseniai, 1986 m., buvo atrasta melsvabakterė prochlorokokas (Prochlorococcus marinus). Tai yra gausiausia, labiausia paplitusi rūšis Žemėje: vos 0.5–0.8 μm dydžio ląstelių vandenyno laše gali būti iki 20 tūkst. Tačiau prochlorokokai yra atsakingi už 5 proc. visos Žemėje vykdomos fotosintezės. Kovo mėnesio „Science“ žurnalas rašo apie šitą ypatingą organizmą bei apie jo atradėją ir tyrimų lyderę Sallie W. (Penny) Chisholm.

Prochlorokokų genomas, kaip neretai stebima bakterijose, smarkiai varijuoja. Viršutiniuose vandens sluoksniuose, kur yra daug šviesos, gyvenančios bakterijos turi vos 1,7 tūkst. genų, minimalistinis rinkinys net bakterijai, tuo metu 200 metrų gylyje esančių tų pačių prochlorokokų genomas siekia 2,7 tūkst. genų. Apie 1,1 tūkst. genų yra bendri visiems prochlorokokų ekotipams (skirtingose sąlygose gyvenančioms atmainoms), kita dalis varijuoja.

Šios bakterijos turi prisitaikyti prie labai įvairių sąlygų: temperatūros, šviesos kiekio, vandens sudėties – juk Prochlorococcus marinus yra dominuojanti fitoplanktono rūšis nuo 40° šiaurės iki 40° pietų platumos. Per visas variacijas nustatyta iki 80 tūkst. skirtingų prochlorokokų genų. Visa genų įvairovė rūšies viduje vadinama pangenomu. Palyginimui: klasikinis mikrobiologijos objektas žarnyno lazdelė, Escherichia coli, turi apie 4,2 tūkst. genų vienai bakterijai, bet jos pangenomas yra tik 16 tūkst. genų — žarnyne sąlygų įvairovė yra žymiai mažesnė, nei vandenyne. Daugialąsčiai organizmai iš viso negali sau leisti tokios genų įvairovės. Žmonių genomas – vos 0.1 procento; 4 procentai į kairę – ir tu jau šimpanzė.

Dominuojančių fitoplanktono rūšių žemėlapis. © MIT Darwin Project ir kiti.

Prochlorokokai yra gana panašūs į chloroplastus – augalinės ląstelės organoidus, atsakingus už fotosintezę. Manoma, jog chloroplastai kilo iš evoliucinių melsvabakterių giminaičių, kurie sudarė simbiozę su vienaląsčiu, tapusiu visų augalų protėviu. Taip pat vyrauja hipotezė, jog būtent melsvabakterių, gana panašių į dabartinį prochlorokoką, gausus išplitimas ir aktyvi fotosintezė sąlygojo deguonies kaupimąsi Žemės atmosferoje. Ir tuo pačiu tapo priežastimi pirmos gyvų organizmų sukeltos globalios ekologinės katastrofos, kuri pražudė didžiąją dalį tų laikų gyvybės – deguonies netoleruojančių anaerobinių bakterijų, – bet taip pat ir sudarė sąlygas visai dabartinei gyvybei išsivystyti. Perfrazuojant Winstoną Churchillį, dar niekada evoliucijos istorijoje tokia daugybė gyvybės formų nesijautė tokia skolinga tokiems mažyliams.

Minėtame „Science“ straipsnyje ypatingas dėmėsys skiriamas mokslininkei S. Chisholm, kuri 1986 m. atrado Prochlorococcus marinus ir nuo to laiko tyrinėjo jį visais per tuos trisdešimt metų besivystančiais metodais: nuo 1990 m. išrastų metodikų, kaip atviro vandenyno bakteriją kultivuoti laboratorijos sąlygomis (iš pažiūros triviali, bet realybėje kebli problema) iki šiuolaikinio detalaus fotografavimo elektroniniu mikroskopu ir pavienių ląstelių genomo sekoskaitos.

Apžvalginis filmukas apie prochlorokokus © Science Magazine

Kam reikalingi tokie tyrimai, jeigu ne tik mokslininkų smalsumui patenkinti? Kokią naudą ūkiui atneša žinojimas, kas ten, kažkur vandenyne, plūduriuoja? Pavyzdžiui, yra mintis išnaudoti galingą vandenyno fotosintezės potencialą anglies dvideginio pertekliaus pašalinimui iš atmosferos. Juk kas riboja fitoplanktono augimą? Anglies dvideginio, kaip minėta, yra daugiau nei užtektinai, Saulės šviesos irgi netrūksta. Riboja fitoplanktoną kai kurių mikroelementų, ypač geležies, trūkumas vandenyje.

Štai entuziastai sako: patręškime vandenyną. Tegu fitoplanktonas dauginasi, suriša daugiau atmosferoje esančio anglies dvideginio ir padeda išspręsti globalaus atšilimo problemą. Bet kiti jūros biologai, tarp jų ir S. Chisholm, stojasi piestu: jokiu būdu, ar jūs pakankamai išmanote, ar sugebėtumėte numatyti visas tokio drastiško įsikišimo, vandenyno biosferos pagrindo pajudinimo pasekmes?

Tų pačių melsvabakterių būna ir toksiškų. O išmanome iš tikrųjų mažai, vos pasėmėme viršutinį vandenyno sluoksnį. Štai, visai neseniai tos pačios S. Chisholm laboratorijoje buvo atrasta, jog prochlorokokai ir kitos vandens bakterijos išskiria į aplinką membrana apsuptas pūsleles, kuriose būna DNR, RNR, fermentų. Kas tai: apsikeitimas genetine informacija, cheminė komunikacija, masalas bakterijų virusams suklaidinti? Visi variantai gali būti teisingi, pūslelių vidinė sudėtis skiriasi. O dar įmanoma, jog per jas prochlorokokai gauna ir naudojasi kitų bakterijų rūšių pagamintais fermentais, kokių patys neturi.

Pastarasis faktas gerokai keičia stereotipinį supratimą apie bakteriją, kaip savarankišką vienaląstį organizmą, kurio aklą dauginimąsi stabdo tik maistinių medžiagų trūkumas. Skirtingos bakterijos padeda viena kitai, komunikuoja, sudaro vientisą ekosistemą, kuri sudėtingumu mažai nusileidžia daugialąsčiam organizmui? O jūrininkų skersai ir išilgai, atrodytų, kartografuotas ir mįslių nebeslepiantis vandenynas – paslaptingam mąstančiam vandenynui iš fantastinės Soliario planetos? Kas sakė, jog neįmanoma? Nežinomybės vandenynas, ant kurio kranto mes stovime, visai nėra metafora, kai kalba eina apie mūsų gana apgaulingai pažįstamus Žemės vandenynus.

Techo naujienos į Jūsų el. pašo dėžutę: