Mikroben, die in den farbenprächtigen heißen Quellen des Yellowstone-Nationalparks leben, verwenden hauptsächlich Wasserstoff als Brennstoff. Laut einer Entdeckung der Universität von Colorado in Boulder ist dies ein gutes Zeichen für das Leben in extremen Umgebungen auf anderen Planeten und könnte das Verständnis der Bakterien im menschlichen Körper verbessern.
Ein Team von CU-Boulder-Biologen unter der Leitung von Professor Norman Pace, einem der weltweit führenden Experten für molekulare Evolution und Mikrobiologie, veröffentlichte diese Woche seinen Bericht „Wasserstoff und Bioenergetik im geothermischen System von Yellowstone“ in der Online-Ausgabe der Proceedings of the National Akademie der Wissenschaften.
Die Ergebnisse des Teams, die auf mehrjähriger Forschung im Park basieren, widerlegen die beliebte Idee, dass Schwefel die Hauptenergiequelle für winzige Organismen ist, die in thermischen Merkmalen leben.
"Es war eine Überraschung, dass Wasserstoff die Hauptenergiequelle für Mikroben in den heißen Quellen war", sagte Pace. „Dieses Projekt ist auch im Kontext der Mikrobiologie interessant, da es eines der wenigen Male ist, dass wir Mikroben untersuchen konnten, um Informationen über ein gesamtes Ökosystem zu erhalten. Das war noch nie möglich. "
Die Studie wurde speziell entwickelt, um die Hauptquelle für metabolische Energie zu bestimmen, die mikrobielle Gemeinschaften in Parkmerkmalen mit Temperaturen über 158 Grad Fahrenheit antreibt. Es ist nicht bekannt, dass die Photosynthese oberhalb dieser Temperatur stattfindet.
Eine Kombination aus drei verschiedenen Hinweisen führte die Forscher zu dem Schluss, dass Wasserstoff die Hauptenergiequelle ist. Die genetische Analyse der in den Gemeinden der heißen Quellen lebenden Mikrobenarten ergab, dass sie alle Wasserstoff als Energiequelle bevorzugen. Sie beobachteten auch allgegenwärtiges H2 in allen heißen Quellen in Konzentrationen, die für die mikrobielle Bioenergetik ausreichen. Thermodynamische Modelle basierend auf Felddaten bestätigten, dass der Wasserstoffmetabolismus in diesen Umgebungen die wahrscheinlichste Kraftstoffquelle war.
"Diese Arbeit wirft einige interessante Fragen auf", sagte John Spear, Hauptautor des Berichts. „Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum. Wenn es anderswo Leben gibt, könnte es sein, dass Wasserstoff sein Treibstoff ist “, sagte Spear. „Wir haben Hinweise auf Wasser auf dem Mars gesehen und wissen, dass Wasserstoff auf der Erde biogenetisch durch Photosynthese und Fermentation oder nicht biogenetisch durch Wasser erzeugt werden kann, das mit eisenhaltigem Gestein reagiert. Es ist möglich, dass nicht-biogene Prozesse auf dem Mars Wasserstoff produzieren und dass eine mikrobielle Lebensform dies nutzen könnte “, sagte er.
Laut Spear gibt es viele Beispiele für Bakterien, die in extremen Umgebungen - einschließlich des menschlichen Körpers - leben und Wasserstoff als Kraftstoff verwenden. "Jüngste Studien haben gezeigt, dass Helicobacter pylori-Bakterien, die Geschwüre verursachen, von Wasserstoff im Magen leben", sagte Spear. „Salmonellen metabolisieren Wasserstoff im Darm. Ich frage mich, wie viele verschiedene Arten von Mikroben in extremen Umgebungen Wasserstoff metabolisieren. “
Anstatt sich auf traditionelle Techniken der Mikrobiologie zu stützen, die im Labor gezüchtete Kulturen verwenden, verwendete das CU-Boulder-Team die von Pace entwickelte Methodik, um die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft, wie sie auf dem Gebiet auftrat, genetisch zu analysieren. "Wir haben nicht untersucht, was in einer Kulturschale wächst, sondern die RNA von Proben direkt vom Feld", sagte Spear.
"Wir haben noch nie zuvor gewusst, welche Mikroben in den heißen Quellen von Yellowstone lebten, und jetzt tun wir das", sagte Pace.
Eine neuartige Instrumentensuite wurde verwendet, um Daten zu sammeln, von denen einige noch nie zuvor gesammelt worden waren. „Bisher hatte noch niemand die Wasserstoffkonzentration in den heißen Quellen gemessen, da die Technologie erst vor etwa sieben Jahren existierte. Jetzt können wir sehr niedrige Wasserstoffkonzentrationen in Wasser nachweisen “, erklärte Spear.
"Wir haben in den heißen Quellen viel Wasserstoff gefunden - ein endloser Vorrat an Bakterien", sagte er. Messungen der H2-Menge im Wasser wurden in heißen Quellen, Bächen und geothermischen Quellen von Yellowstone in verschiedenen Teilen des Parks und zu verschiedenen Jahreszeiten aufgezeichnet. Alle Umgebungen hatten Konzentrationen, die für den Energiestoffwechsel geeignet waren.
Das Team verwendete computergenerierte thermodynamische Modelle, um herauszufinden, ob Wasserstoff tatsächlich die Hauptenergiequelle ist. "In Yellowstone kann man Sulfid in der Luft riechen, und die akzeptierte Idee war, dass Schwefel die Energiequelle für das Leben in den heißen Quellen ist", sagte Spear. Nicht so laut den Computermodellen des Teams, die auf Feldmessungen von Wasserstoff, Sulfid, gelöster Sauerstoffkonzentration und anderen Faktoren basieren.
Spear sagte, es sei schwierig, ein mikrobielles Ökosystem zu erforschen. „Es fällt uns schwer genug zu erklären, was beispielsweise in einem Wald mit allen Interlacing-Systemen vor sich geht. Wir können nicht einmal ein mikrobielles System sehen. "
Die Probenentnahme war eine gefährliche und heikle Operation. Um die gesamte mikrobielle Gemeinschaft einer heißen Quelle genau zu analysieren, musste Spear nur etwa so viel Material wie ein Radiergummi sammeln. Sedimentproben wurden in spezielle Probenfläschchen geschaufelt und sofort in Kanistern mit flüssigem Stickstoff eingefroren, um die mikrobielle Gemeinschaft zu erhalten.
In Quellen, in denen kein Sediment vorhanden war, sammelte Spear Proben planktonischer Organismen, indem er einen Objektträger in das Wasser hängte und die Mikroben ansammeln ließ. „Bakterien sind genau wie wir. Sie mögen es, zusammen zu sein, sie mögen es, an einer Oberfläche befestigt zu sein, und sie mögen es, wenn ihnen ihre Nahrung - in diesem Fall gelöster Wasserstoff - gebracht wird. “
Spear erklärte, dass die Farben der heißen Quellen das Ergebnis von Wechselwirkungen zwischen Mineralien und den in den Pools lebenden Mikroben sind. Heißes Wasser zeigt normalerweise Farben von Mineralien und kühleres Wasser beherbergt photosynthetische Pigmente.
"Basierend auf dem, was ich in dieser Analyse gesehen habe, denke ich, dass Wasserstoff in vielen Umgebungen wahrscheinlich viel Leben antreibt", sagte Spear. "Es handelt sich um Teilspekulationen, aber angesichts der Anzahl und Art der Bakterien, die Wasserstoff metabolisieren, handelt es sich wahrscheinlich um eine sehr alte Form des Stoffwechsels.
Das ist wichtig, weil es uns etwas über die Geschichte des Lebens auf der Erde erzählt “, sagte er. "Und wenn es auf der Erde so funktioniert, wird es wahrscheinlich woanders passieren. Wenn Sie zu den Sternen aufblicken, gibt es im Universum viel Wasserstoff. “
Originalquelle: UCB-Pressemitteilung
