Многим видам животных для жизни необходим кислород. И главная причина того, что наша атмосфера богата кислородом, заключается в механизме фотосинтеза, на который способны растения, водоросли и цианобактерии. Этот механизм не мог бы происходить без солнечного света. Однако недавно исследователи обнаружили морской микроб (Nitosopumilus maritimus) - архею, окисляющую аммиак, обитающую в глубинах океана, — который способен вырабатывать небольшое количество кислорода в аноксических условиях без доступа света.
Аммиачно-окисляющие археи (АОА) являются одной из наиболее распространенных групп микробов в Мировом океане и ключевыми участниками азотного цикла — процесса, в котором аммиак (NH3) окисляется до нитритов (NO2-), а затем до других азотистых форм. Для этого процесса необходим кислород, однако AOA обычно живут в бедной кислородом среде. Исследователи из Университета Южной Дании обнаружили, что при отсутствии кислорода эти микроорганизмы способны сами производить кислород, необходимый для реакции, из нитритов.
Известны и другие микробы, способные производить кислород без света, но они обычно существуют только в ограниченных количествах и в очень специфической среде. Рассматриваемая здесь архея, Nitosopumilus maritimus, является не только одним из самых маленьких известных живых организмов (около 200 нанометров), но и особенно распространена в океанах. "Эти микробы настолько распространены, что каждая пятая клетка в ведре морской воды является одной из них", — говорит Дон Кэнфилд, профессор экологии Университета Южной Дании и соавтор исследования, в котором сообщается об этом открытии.
Небольшое количество, но достаточное для выживания
Эти микроорганизмы очень распространены в океанах и выживают даже там, где не хватает кислорода, что очень заинтриговало ученых. Поскольку их энергетический метаболизм требует кислорода, какова может быть причина их присутствия в этих аноксических средах? Была ли у них какая-нибудь функция? Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи взяли образцы этих микробов для изучения их поведения в лаборатории в зависимости от уровня кислорода в окружающей среде.
Помещенные в богатую кислородом воду, микробы естественным образом понемногу потребляли весь доступный кислород. Но как только уровень кислорода был полностью исчерпан, уровень кислорода начал расти, когда микробы погружались во тьму: археи производили собственный кислород — вероятно, путем дисмутации оксида азота, говорят исследователи. При этом микробы даже производили диазот. "Изотопная маркировка соединений азота выявила ряд реакций, превращающих нитрит, ожидаемый конечный продукт метаболизма, превращается в оксид азота, закись азота и, в конечном итоге, в азот", — пишут исследователи в журнале .
Хотя эта способность впечатляет, ученые отмечают, что количество производимого кислорода относительно невелико и не может повлиять на уровень кислорода на нашей планете. Тем не менее это позволяет этим микроорганизмам выживать и даже помогать другим организмам. "Если они производят немного больше кислорода, чем им нужно, он будет быстро поглощен другими организмами поблизости, так что этот кислород никогда не покинет океан", — объясняет Беате Крафт, доцент кафедры биологии и соавтор исследования.
Но главное в этом открытии не только то, что Nitosopumilus maritimus способен производить азот и кислород, но и то, что он вносит значительный вклад в удаление биодоступного азота из окружающей среды.
Ранее неизвестная часть азотного цикла
Азот является основным компонентом органических веществ и используется в составе аминокислот и нуклеиновых оснований ДНК. Таким образом, для всех живых организмов азотный цикл, происходящий на суше и в океане, так же важен, как и фотосинтез. Сначала азотфиксирующие бактерии производят аммиак из атмосферного азота; затем другие бактерии в присутствии кислорода превращают аммиак (NH3) в нитрит (NO2–), а затем в нитрат (NO3–). Наконец, другие микроорганизмы отвечают за восстановление этих нитритов и нитратов последовательно в оксид азота (NO), оксид азота (N2O) и затем в азот (N2), который в конечном итоге возвращается в атмосферу.
Цепь реакций, инициируемых Nitosopumilus maritimus, кажется, несколько иной, потому что производство кислорода связано с производством газообразного азота. "Метаболический путь не полностью решен, но, вероятно, включает оксид азота и закись азота в качестве ключевых промежуточных продуктов", — отмечают исследователи. Известно, что АОА поддерживают глобальный азотный цикл, но исследователи не ожидали обнаружить такие механизмы. И если этот образ жизни более распространен в океанах, чем они думают, это поставит под сомнение их понимание морского азотного цикла.
Следующий шаг — изучение этого явления в лаборатории в водах с пониженным содержанием кислорода в различных океанических точках по всему миру. Исследовательская группа уже взяла образцы из Мариагер-фьорда в Дании и вскоре будет изучать воды у берегов Мексики и Коста-Рики.