Znajdujące się w osadach morskich bakterie sprzed 100 milionów lat zostały wskrzeszone

Statek wiercący w dnie morskim JOIDES Resolution, zebrał osad z głębi południowego Pacyfiku. Źródło: Arito Sakaguch, IODP i TAMU Wikimedia

W 2010 roku naukowcy z Integrated Ocean Drilling Program (IODP) popłynęli w głąb Południowego Pacyfiku, morskiej pustyni bardziej jałowej niż wszystkie inne miejsca na Ziemi. W pobliżu centrum żyły znajduje się Oceaniczny Biegun Niedostępności (fanom H. P. Lovecrafta lepiej znany jako dom Cthulhu), a także plama śmieci na Południowym Pacyfiku, gdzie gromadzą się cząsteczki mikroplastiku. Czasami najbliższymi ludźmi są astronauci przelatujący nad nią na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Chociaż wokół tego miejsca wirują prądy oceaniczne, w obrębie wiru woda się zatrzymuje. Dostaje się do niej niewiele składników odżywczych, a życie walczy o przetrwanie. W tym miejscu potrzeba co najmniej miliona lat, aby na dnie zebrał się metr morskiego „śniegu” - zwłok, odchodów i pyłu, które przenoszą energię z bogatych w światło górnych warstw do głębin. Jest to najmniej produktywny obszar wody na naszej planecie.

Przez tę wodę morską zespół IODP opuścił kilometry rur z wieży o wysokości ponad 60 metrów. Dwanaście pędników utrzymywało całą platformę na falującym morzu. Gdy rura uderzyła w dno, wiertło zanurzyło się na głębokość 75 metrów w pelagicznej glinie i wapiennym mule nanoskamieniałości, wiercąc w wielu różnych miejscach.

Zanim rdzenie osadów zostały wyniesione na powierzchnię, rury zawierały do 100 milionów lat historii Ziemi. Zespół chciał wiedzieć, jak długo i w jakim stanie mikroby uwięzione w tym środowisku mogą przetrwać w prawie całkowicie pustej lodówce oceanicznej. Zgodnie z oczekiwaniami, próbki osadów nie zawierały wielu komórek bakteryjnych: zaledwie 100 do 3000 na centymetr sześcienny, czyli 10 do 10 milionów razy mniej niż na równoważnych głębokościach w bardziej produktywnych wodach.

Ale kiedy naukowcy nakarmili te komórki w laboratorium, wydarzyło się coś nieoczekiwanego. Sto milionów lat głodu mogło sprawić, że komórki stały się mikrobiologicznymi „zombie” - żywymi, ale niezdolnymi do wzrostu lub zdolnymi do wzrostu, ale nie w tempie, które ludzie mogliby zmierzyć. Na początku XXI wieku kilka bakterii wyizolowanych z osadów morskich sprzed 35 milionów lat zostało namówionych do wzrostu w kulturze, ale eksperyment nie miał na celu oceny ich wzrostu. Przeprowadzone w 2017 roku badanie beztlenowych drobnoustrojów z pokładów węgla (które znalazły się w osadzie na lądzie 12 milionów do 16 milionów lat temu, ale później zalał je ocean) wykazało, że zmartwychwstałe osobniki rosły, ale bardzo powoli. Ich czasy podwojenia były rzędu miesięcy do stulecia, jedne z najwolniejszych, jakie kiedykolwiek bezpośrednio zmierzono.

Ale w tym badaniu, które zostało opublikowane w lipcu 2020 r. w Nature Communications, aż 99 procent drobnoustrojów, które zostały nakarmione, szybko „obudziło się”, zjadło i zaczęło robić to, bakterie zwykły robić. W ciągu 68 dni inkubacji ich liczba wzrosła nawet 10 000-krotnie, podwajając się mniej więcej co pięć dni. Ich potomstwo zawierało specjalnie znakowane izotopy węgla i azotu, które można było uzyskać tylko poprzez spożywanie żywności oferowanej przez naukowców.

Warto zastanowić się nad znaczeniem tych wyników. Siedemdziesiąt procent powierzchni Ziemi pokrywają osady morskie, których mikrobiologiczni mieszkańcy stanowią nawet połowę całej biomasy drobnoustrojów na naszej planecie. W tym eksperymencie komórki, które mogły osiąść na dnie oceanu, gdy plezjozaury pływały im nad głową, obudziły się i rozmnożyły. Minęły cztery okresy geologiczne, ale te mikroby, chronione przed promieniami kosmicznymi przez grubą warstwę oceanu i osadów, przetrwały. Kiedy je wyłowiono i zaproponowano im coś do przekąszenia, zachowywały się tak, jakby nie wydarzyło się nic niezwykłego.

W pewnym sensie tak było. Jeśli wydaje ci się, że od początku pandemii minęła cała wieczność, wyobraź sobie, że głodujesz w ciemności przez 100 milionów lat. Gęsty osad, który przypomina ciasto czekoladowe bez mąki, ma szacowany rozmiar porów wynoszący 0,02 mikrona. Biorąc pod uwagę, że typowa bakteria ma kilka mikronów średnicy, można dostrzec wyzwania związane z migracją w poszukiwaniu pożywienia lub nawet nadzieją, że jakieś pożywienie samo na ciebie wpadnie.

Niektóre bakterie, z których wiele jest beztlenowych, tworzą struktury zwane endosporami, które są wzmocnione i metabolicznie nieaktywne, najwyraźniej pozwalając bakteriom przetrwać trudne warunki. Zarodniki były często sugerowane jako nośnik dla emerytowanych bakterii. Kiedy jednak naukowcy zidentyfikowali komórki z osadów, badając ich DNA, zauważyli, że typy tworzące przetrwalniki były stosunkowo rzadko obecne. Okazało się, że większość ożywionych bakterii oddychała tlenem.

Jeszcze bardziej zaskakującym odkryciem była kwitnąca populacja bakterii żywiących się światłem odkryta w jednej próbce po 557 dniach inkubacji. Nazywana Chroococcidiopsis, ta cyjanobakteria ma zdolność do przetrwania tak potężną, że jest rozważana do terraformowania Marsa. Oprócz tego, że jest w stanie żyć pod półprzezroczystymi skałami w suchych, zimnych, słonych i zalanych promieniowaniem miejscach, ma niezwykłą zdolność do wykorzystywania czerwonego światła. Jak ten fotosyntetyzujący mikroorganizm zdołał rozmnażać się w ciemnej komorze laboratoryjnej, pozostaje tajemnicą.

Chociaż osad, w którym uwięzione zostały komórki, miał nawet 100 milionów lat, wiek poszczególnych komórek pozostaje niepewny. Niektóre z nich są prawdopodobnie potomkami pierwotnej społeczności, a zatem są znacznie młodsze. Rozmnażanie jest jednak kosztowne, a biorąc pod uwagę warunki, wydaje się być rzadkie. Łącząc to wszystko razem - ciasne pomieszczenia, brak zarodników i szybką reanimację - autorzy artykułu w „Nature Communications” uważają, że mikroby w tym zubożałym osadzie były żywe, ale przez cały czas pozostawały bezczynne.

Naukowcy bawili się pomysłem, że poszczególne bakterie mogą przetrwać bez reprodukcji przez wiele milionów lat. (Pozostanie to niepotwierdzone, dopóki nie opracujemy technik datowania mikrobów, a nie tylko osadów.) Kilka lat temu, kiedy pisałam o bakteriach, które zostały wskrzeszone z paleozoicznego węgla na moim blogu Scientific American, spekulowałam, że w pewnych bardzo ograniczonych, ale prawdopodobnie obfitych w pożywienie warunkach, bakterie mogą być praktycznie nieśmiertelne. Czas wydaje się zbierać żniwo: najstarsze komórki z kredowych osadów dna morskiego rozmnażały się o połowę wolniej niż ich bardziej żwawi bracia, którzy przebywali tam „tylko” kilka milionów lat. Mimo to, coraz więcej dowodów sugeruje, że możemy znajdować się na szczycie planety pełnej żywych skamieniałości, które są dosłownie tym - zarówno skamieniałościami, jak i żywymi organizmami.

Ludzie, którzy kochają dinozaury (i szczerze mówiąc, kto z nas nie jest fanem dinozaurów?) mają swoje muzea wypełnione kośćmi, zębami i śladami. Fani roślin mają swoje skamieniałe lasy i skamieniałe liście. Ale fani mikrobów mają coś jeszcze lepszego: nasze dinozaury nie są martwe.