Микробы способны выделять кислород в темноте

Кислород – это самый распространенный элемент на земле: в атмосфере его около 23%, в составе воды 89%,в человеческом организме 65%. На его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов) приходится около 47,4% массы твёрдой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 88,8% (по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95% по объёму и 23,12% по массе. Более 1500 соединений земной коры в своём составе содержат кислород.

Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. По числу атомов в живых клетках он составляет около 25%, по массовой доле — около 65%.

Общеизвестно, что на Земле не было бы кислорода, если бы не солнечный свет - ключевой элемент фотосинтеза. 

В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. Основным промышленным способом получения кислорода, является криогенная ректификация. Также хорошо известны и успешно применяются в промышленности кислородные установки, работающие на основе мембранной технологии.

Теперь исследователи сделали удивительное открытие, что кислород также может вырабатываться и без солнечного света, возможно, глубоко под поверхностью океана. В глубоких темных водах океана происходит больше, чем вы думаете: бесчисленное количество невидимых микроорганизмов живут своей повседневной жизнью в толщах воды, и теперь исследователи обнаружили, что некоторые из них производят кислород неожиданным образом.

Это важное исследование проводится под руководством Беате Крафт и Дональда Э. Кэнфилда из Университета Южной Дании, а его результаты были опубликованы в журнале Science. Соавторами выступили Нико Джемлих, Мортен Ларсен, Лаура Бристоу, Мартин Коннеке и Бо Тамдруп. Беате Крафт — доцент кафедры биологии. Ее внимание сосредоточено на микробной физиологии и биохимии, а ее исследования поддерживаются грантом Villum Young Investigator Grant. Дональд Э. Кэнфилд — профессор экологии на кафедре биологии и Датского института исследований Андванса, заведующий кафедрой биологии.

Жизненно важный для Земли кислород в основном вырабатывается растениями, водорослями и цианобактериями посредством фотосинтеза. Известно, что некоторые микробы производят кислород без солнечного света, но до сих пор они были обнаружены только в очень ограниченных количествах и в очень специфических средах обитания.

Обнаруженные в океане живые микробы Nitrosopumilus maritimus и их родственники - окисляющие аммиак археи - называли организмами призраками, которые бродят в темноте.

«Эти микробы в действительности изобилуют в океанах, где они играют важную роль в круговороте азота. Для этого им нужен кислород, поэтому долгое время оставалось загадкой, почему их также так много в водах, где нет кислорода», - говорит биолог Беата Крафт. 

Она добавляет:

"Мы подумали: они просто болтаются там без дела, это, должно быть, какие-то клетки-призраки. Но было в этом что-то загадочное".

«Эти микробы настолько распространены, что каждая пятая клетка в ведре морской воды является одним из них», — добавляет Кэнфилд, соавтор статьи.

Поэтому исследователям стало любопытно - могут ли микробы выполнять какую либо функцию.

Они производят кислород

Исследователь Беата Крафт решила протестировать обнаруженные бактерии в лаборатории. «Мы хотели посмотреть, что произойдет, если у них закончится кислород — как это происходит, когда они переходят из богатых кислородом вод в обедненные кислородом воды. Выживут ли они?», - говорит исследователь.

«Мы видели, как они израсходовали весь кислород в воде, а затем, к нашему удивлению, через несколько минут уровень кислорода снова начал расти. Это было очень захватывающе!», — вспоминает Дон Кэнфилд.

В результате исследований удалось обнаружить, что Nitrosopumilus maritimus способен производить кислород в темноте. Немного — не такое количество, чтобы это повлияло на уровень кислорода на Земле, но достаточно, чтобы поддерживать себя в рабочем состоянии.

«Если они производят немного больше кислорода, чем им нужно самим, его быстро захватят другие организмы по соседству, поэтому этот кислород никогда не покинет океан», — объясняет Беате Крафт.

Однако какое же влияние они оказывают на окружающую среду, в которой сами живут, осталось вопросом.

Новая океанская экспедиция

Исследователи уже знали, что окисляющие аммиак археи - это микроорганизмы, поддерживающие глобальный круговорот азота, но они не осознавали всей степени их возможностей. В недавно открытом Nitrosopumilus maritimus сочетается производство кислорода с производством газообразного азота. Таким образом они удаляют биодоступный азот из окружающей среды.

«Если такой образ жизни широко распространен в океанах, это, безусловно, заставляет нас переосмыслить наше нынешнее понимание морского азотного цикла», — утверждает Беата Крафт.

«Мой следующий шаг — исследовать явление, которое мы наблюдали в наших лабораторных условиях, в обедненных кислородом водах в различных точках океана по всему миру», — добавляет она. Ее исследовательская группа уже взяла образцы во фьорде Мариагер в Дании, а следующая остановка — в водах Мексики и Коста-Рики.

Это открытие особо актуально в условиях изменяющегося климата и роста выброса СО 2 в атмосферу. Кроме этого, исследование реализует некоторые задачи целей ООН по устойчивому развитию - сохранение и рациональное использование океанов, морей и морских ресурсов в интересах устойчивого развития. Изучая океан мы можем предложить обществу новые устойчивые пути его использования для решения существующих проблем и потребностей человечества.