Se, a seguito di un cataclisma globale, non è rimasto ossigeno nell'atmosfera terrestre, uno dei pochi organismi sopravvissuti sarà l'Escherichia coli. La sua carta vincente principale è la capacità di respirare qualsiasi cosa e ovunque: in superficie, nel suolo, nello stomaco umano, e non necessariamente con l'ossigeno. Insieme a E. coli, sul pianeta rimarranno diverse centinaia di specie di antiche creature, capaci di respirare zolfo, ferro, uranio e persino arsenico.
Aria avvelenata
Nel 2010, Felisa Wolf-Simon, ricercatrice presso il Dipartimento di Astrobiologia della NASA, mentre studiava il salato Lago Mono della California, ha scoperto batteri insoliti. Vivevano in acqua, dove la concentrazione di alcali superava 80 volte l'indicatore corrispondente nell'oceano. I microbi usavano l'arsenico per la respirazione, un veleno per la maggior parte degli organismi viventi.
In laboratorio, il reperto, denominato "ceppo GFAJ-1", è stato posto in una soluzione nutritiva con un normale contenuto di zuccheri e vitamine, ma completamente priva di fosfati - composti in cui il fosforo proviene dall'ambiente. Invece, i microrganismi sono stati piantati con arsenati (composti dell'arsenico).
Si è scoperto che in un ambiente privo di fosforo, i batteri non solo respirano l'arsenico, ma sanno anche come incorporarlo nelle molecole di DNA e RNA invece del fosforo. In termini di proprietà chimiche, questi elementi sono simili: gli enzimi nella cellula potrebbero non distinguere il fosfato dall'arseniato, e questo accade abbastanza spesso. È vero, una tale sostituzione di solito termina con la morte e la pietrificazione dei batteri, ma non nel caso del ceppo GFAJ-1.
“I microrganismi anaerobici (quelli che non hanno bisogno di ossigeno per la vita o sono mortali. - Ndr) sono in grado di ridurre l'arsenico, utilizzandolo nella respirazione come accettore di elettroni. Inoltre, gli anaerobi sono in grado di respirare solfati, ferro, manganese, uranio, selenio, nitrati. Stiamo parlando solo di microbi che non hanno un nucleo formalizzato: procarioti, inclusi batteri e archaea. Ci sono funghi che crescono in modo anaerobico, ma questo è raro, e tra gli eucarioti (organismi con un nucleo formato) questa è l'eccezione piuttosto che la regola , dice Olga Karnachuk, capo del Dipartimento di Fisiologia Vegetale e Biotecnologie presso l'Istituto Biologico della Tomsk State University, a RIA Novosti.
A sinistra - Felisa Wolf-Simon, che ha scoperto i microrganismi che utilizzano il fosforo come materiale da costruzione per le cellule. A destra - batteri ceppo GFAJ-1 in una soluzione nutritiva contenente vitamine, zuccheri e arseniati.
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Antico e tenace
Più di tre miliardi di anni fa, i primi organismi viventi sulla Terra si nutrivano di molecole di idrogeno e zolfo.
“Il respiro anaerobico più antico è il respiro solforico. Lo zolfo, come l'idrogeno molecolare, proveniva dai vulcani. Questo tipo di metabolismo veniva utilizzato quando tutta la vita consisteva solo di batteri e archaea , afferma Olga Karnachuk.
Con la comparsa dei cianobatteri, il cui prodotto metabolico era l'ossigeno, la composizione dell'atmosfera terrestre iniziò a cambiare gradualmente. Circa 850-600 milioni di anni fa, c'era già molto O2 nell'aria. Per i microrganismi antichi, questo significava un disastro: l'ossigeno è tossico per loro quanto il gas cloro lo è per gli esseri umani. Pertanto, alcuni si estinsero, altri (i cosiddetti anaerobi obbligati) fuggirono in luoghi anossici, ad esempio sottoterra. C'erano anche quelli che sono riusciti ad adattarsi e hanno imparato a neutralizzare i gas tossici.
Nel tempo, alcuni microrganismi hanno "capito": l'ossigeno è un forte accettore di elettroni e ossidando con esso le molecole organiche, è possibile ottenere molta energia necessaria alla vita. Ciò significa che la dimensione della cellula aumenta, quindi, più DNA viene inserito in essa e la struttura diventa più complessa: è così che c'è la possibilità di diventare multicellulare.
Animali che non possono respirare
“Piante, animali, persone: tutti respirano ossigeno. Questo è il modo più efficace per ottenere energia, quindi, quando è comparsa la respirazione aerobica, si è aperta la prospettiva per gli organismi viventi di formare forme superiori, compresi gli esseri umani. Anche i microbi anaerobici sono in grado di evolversi, ma in una direzione diversa. Molti di loro hanno intrapreso la strada della combinazione dei due tipi di respirazione. Ad esempio, E. coli (Escherichia coli) respira ossigeno e quando entra nel corpo umano (in un ambiente anaerobico) - nitrati. Se le condizioni sono completamente cattive, il batterio è in grado di non respirare affatto, vaga: questo è un tipo di metabolismo completamente diverso. Non ci sono praticamente tali opportunisti tra le forme superiori , osserva l'esperto.
Tuttavia, c'è un'eccezione: il topo talpa nudo. Questo mammifero, che vive in tane sotterranee, costa ore con un livello molto basso di ossigeno e completamente senza aria durerà fino a 18 minuti (per confronto: la morte cerebrale umana si verifica in media dopo cinque minuti in un ambiente privo di ossigeno).
Quando c'è poco O2 nell'aria, la talpa nuda passa alla decomposizione anaerobica del fruttosio, a causa del fatto che i canali GLUT5, responsabili del rilascio di fruttosio nel sangue, vengono sintetizzati in diversi tessuti. In altri mammiferi, vengono prodotti solo nell'intestino.
Talpa nuda - l'unico mammifero capace di degradazione anaerobica del fruttosio.
Per aiutare una persona
"Ci sono molti organismi sulla Terra che possono fare a meno dell'ossigeno, perché le condizioni anaerobiche si creano facilmente, ad esempio in un vaso di fiori, un cumulo di compost o un sedimento costiero, anche nel nostro stesso corpo", continua il ricercatore.
Mentre alcuni anaerobi causano gravi infezioni da colpi di arma da fuoco o coltellate, la maggior parte avvantaggia gli esseri umani. Ad esempio, scienziati dell'Università della California a San Diego hanno insegnato al batterio Salmonella enterica a distruggere i tumori del cancro: alcune salmonelle hanno sintetizzato una tossina che crea buchi nelle membrane delle cellule tumorali, la seconda una proteina speciale che attiva il sistema immunitario, e altri ancora hanno prodotto una molecola che innesca un programma di autodistruzione nelle cellule tumorali.
Gli archeobatteri metanogeni sono utilizzati nella produzione di biogas dai normali rifiuti domestici e i gruppi di riduzione dei solfati sono in grado di purificare le acque reflue dalla contaminazione.
“Oggi molte miniere vengono chiuse a causa dell'elevata concentrazione di solfato. Quando il carbone viene estratto, viene generata una grande quantità di acque reflue che, dopo la purificazione, sfocia nei fiumi. Se i solfati non vengono eliminati, i pesci e altri biota acquatici possono essere uccisi in inverno. Purifichiamo le acque reflue della miniera da questi composti nocivi utilizzando microrganismi coltivati nel nostro laboratorio. Creiamo condizioni nelle miniere in modo che la respirazione dei solfati sia possibile lì e tutto il solfato venga rimosso con l'aiuto di batteri. Questa tecnologia è già utilizzata nella pratica nel Regno Unito, negli Stati Uniti e in Germania. Ora stiamo solo creando biotecnologie in grado di funzionare nelle condizioni climatiche della Russia con temperature medie annuali basse , conclude l'esperto.
Alfiya Enikeeva
