Цианобактерии Chroococcidiopsis могут извлекать воду прямо из минералов

[GAS]

Рис. 1. Образец гипса из пустыни Атакама. Микроорганизмы (светло-зеленые пятна) живут под тонким слоем породы, который защищает их от солнечной радиации. Для своих нужд они используют воду, входящую в структуру минералов. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS

Считается, что жизнь невозможна без воды. Поэтому оценка потенциально обитаемых миров во Вселенной обычно начинается с поиска ответа на вопрос, возможно ли существование на других планетах воды в жидком виде. Но недавно выяснилось, что цианобактерии Chroococcidiopsis, живущие внутри гипсовой породы в пустыне Атакама, могут существовать и без жидкой воды. Американские ученые разобрались в том, как им это удается. Оказалось, что цианобактерии добывают воду прямо из кристаллов гипса, превращая его в ангидрид.

Биологи и раньше находили в пустынных безводных районах микроорганизмы — цианобактерии, актинобактерии, протеобактерии и нитчатые бактерии класса Chloroflexia, но считалось, что все эти экстремофилы просто могут очень долго обходиться без воды или используют для роста водный конденсат, образующийся по утрам на холодных камнях. Также было замечено, что фотосинтетические бактерии, которым нужен солнечный свет, обычно селятся внутри полупрозрачных пород, таких как гипс. Верхний слой пород защищает их от неблагоприятных условий внешней среды, пропуская при этом свет. Но оказалось, что бактерии выбирают гипсовую породу для жизни не только поэтому.

Американские ученые под руководством Дэвида Кисайлуса (David Kisailus), профессора материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Риверсайде опытным путем доказали, что цианобактерии Chroococcidiopsis, живущие в чилийской пустыне Атакама, способны извлекать из твердой гипсовой породы воду. Сам гипс CaSO₄·2H₂O при этом переходит в безводный аналог — ангидрит CaSO₄.

Цианобактерии Chroococcidiopsis давно привлекали внимание ученых, поскольку долгое время было непонятно, за счет чего они выживают в пустыне. Дело в том, что в течение довольно длительного периода в году относительная влажность в Атакаме находится на уровне ниже 60%, а значение 58,5% считается нижней границей метаболической активности живых существ (A. Stevenson et al., 2016. Aspergillus penicillioides differentiation and cell division at 0.585 water activity).

Эти цианобактерии даже отправляли в космос. Вместе с другими наземными микроорганизмами-экстремофилами в рамках эксперимента EXPOSE-R2 их выставляли за пределы МКС в специальном модуле, в котором имитировались условия на поверхности Марса. Chroococcidiopsis прожили в космосе 533 дня в условиях вакуума, интенсивного ультрафиолетового излучения и экстремальных колебаний температуры (J.-P. de Vera et al., 2019. Limits of Life and the Habitability of Mars: The ESA Space Experiment BIOMEX on the ISS), что говорит о том, что они в принципе могли бы жить на Марсе, продуцируя кислород и создавая первичный почвенный слой. Открытым оставался только вопрос, откуда микроорганизмы будут брать воду.

Изучая образцы гипсовой породы из пустыни Атакама, ученые заметили, что количество ангидрита (обезвоженной формы гипса) в ней коррелирует с концентрацией цианобактерий. Тогда у них и родилась гипотеза о том, что микроорганизмы могут извлекать кристаллическую воду из гипса, вызывая фазовое превращение сульфата кальция.

Вода составляет до 20,8% массы гипса. Молекулы H₂О в его кристаллической структуре располагаются между двойными слоями анионов [SO₄]²⁻ и катионов Ca²⁺, легко высвобождаясь при нагревании. Поэтому логично было предположить, что Chroococcidiopsis каким-то образом могут ее использовать. К тому же ранее уже был зафиксирован факт использования кристаллической воды пустынным растением Helianthemum squamatum, произрастающим на гипсовой породе на северо-востоке Испании (A. Escudero et al., 2014. Plant life on gypsum: a review of its multiple facets).

На первом этапе исследования авторы с помощью метода микрокомпьютерной томографии получили подтверждение того, что колонии цианобактерий локализуются в порах приповерхностной зоны гипсовой породы (рис. 1). Более детальные наблюдения на сканирующем электронном микроскопе позволили выявить детали распределения микроорганизмов. Оказалось, что бактерии внутри гипсовой породы распространяются вдоль определенных плоскостей кристаллической решетки (рис. 2).


Рис. 2. Бактерии (зеленые) проникают в гипсовую породу (фиолетовая) вдоль плоскостей кристаллической решетки. Фото сделано с помощью сканирующего электронного микроскопа. Размер по длинной стороне — около 30 мкм. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS

Результаты рентгеноструктурного анализа и инфракрасной спектроскопии показали, что области, колонизированные цианобактериями, сложены ангидритом, а вся остальная порода — гипсом. Чтобы убедиться, что Chroococcidiopsis могут извлекать кристаллическую воду из гипса, переводя его в безводный ангидрит, авторы провели лабораторный эксперимент.

Вырезанные из гипсовой породы образцы размером 0,5×0,8×0,5 мм (купоны) с посевом бактериальной культуры были помещены в условия с разной влажностью. В качестве контрольных образцов выступали купоны гипсовой породы без микроорганизмов. Через 30 дней места развития цианобактерий проявились в виде зеленого фотосинтетического пигмента (рис. 3, слева) и были подтверждены по одновременному присутствию азота и углерода, выявленному по результатам рентгеноспектрального микрокартирования и наблюдениям на сканирующем электронном микроскопе.


Рис. 3. Слева: общий вид колоний цианобактерий, выращенных в гипсовой породе в ходе эксперимента. Справа: колонии цианобактерий (голубые) и биопленки (зеленые) в пористой гипсовой породе (серая). Изображения из обсуждаемой статьи в PNAS

Несмотря на то, что микроорганизмы развились и в сухих и во влажных условиях, ангидрит был зафиксирован только вокруг колоний цианобактерий в «сухих» купонах. «Влажные» купоны и образцы без микроорганизмов были целиком сложены гипсом.

Отсюда ученые сделали вывод о том, что во влажных условиях микроорганизмы используют жидкую воду из своего окружения, а оказываясь в стрессовых условиях, переключаются на другой режим и начинают извлекать кристаллическую воду из твердой породы.

Используя модифицированный электронный микроскоп, оборудованный спектрометром комбинационного рассеяния, авторы изучили взаимодействия между организмами и твердой породой и обнаружили, что для проникновения вглубь минералов цианобактерии выделяют вокруг себя биопленку, содержащую органические кислоты, которые разъедают породу (рис. 3, справа), а распространяются микроорганизмы вдоль плоскостей кристаллической структуры, чтобы легче получить доступ к воде, находящейся между слоями ионов кальция и анионов сульфата.

Ученые наблюдали, как по мере разрастания колонии Chroococcidiopsis выделяют вокруг себя все больше кислотных биопленок, разъедающих породу, что позволяет микроорганизмам проникать дальше между слоями гипса и получать больше воды. Это заставило их предположить, что процесс перехода гипса в ангидрит происходит в два этапа. На первом этапе гипс растворяется органическими кислотами, выделяемыми цианобактериями, распадаясь на кальций, сульфат-ион и воду, а на втором этапе, уже потеряв воду, отлагается в виде ангидрита (рис. 4).


Рис. 4. Стадии преобразования гипса в ангидрит с участием цианобактерий: а — микроорганизмы образуют биопленки на поверхностях кристаллов гипса; b — растворение гипса и высвобождение кристаллической воды; с — на поверхностях кристаллов гипса появляются центры кристаллизации ангидрита; d — разрастающиеся пластинчатые кристаллы ангидрита полностью замещают гипс. Символами (011) и (010) обозначены разные грани кристаллической решетки гипса, между которыми располагается вода. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS

Проверка при помощи сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии показала, что так и есть.

В химическом выражении реакция растворения гипса выглядит следующим образом:

CaSO₄⋅nH₂O→(Ca²⁺)раствор+(SO²⁺₄)раствор+nH₂O.

Ученые считают, что результаты их исследования не только позволяют снять существенное ограничение в виде наличия жидкой воды для поиска внеземной жизни, но и могут быть использованы для создания новых способов сохранения воды в экстремальных условиях, например, при колонизации человеком других планет.

Источник: Wei Huang, Emine Ertekin, Taifeng Wang, Luz Cruz, Micah Dailey, Jocelyne Di Ruggiero, David Kisailus. Mechanism of water extraction from gypsum rock by desert colonizing microorganisms // PNAS. 2020. DOI: 10.1073/pnas.2001613117.

Владислав Стрекопытов https://elementy.ru/novosti_nauki/433659/Tsianobakterii_Chroococcidiopsis_mogut_izvlekat_vodu_pryamo_iz_mineralov