Mikroorganizmy z Antarktydy jak pingwiny w tropikach

Antarktyda przez pół roku pogrążona jest w ciemności, a jednak jej gleby tętnią życiem. Nowe badania pokazują, że mikroorganizmy mogą czerpać energię bezpośrednio z atmosfery

Zima na Antarktydzie jest długa i ciemna. Temperatury utrzymują się znacznie poniżej zera. W wielu miejscach Słońce zachodzi w kwietniu i nie wznosi się ponownie ponad horyzont aż do sierpnia. Bez światła słonecznego organizmy fotosyntetyzujące – takie jak rośliny, mchy i glony – nie mogą wytwarzać energii. Nie oznacza to jednak, że wszelkie życie się zatrzymuje.

W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie The ISME Journal moi współpracownicy i ja pokazujemy, że mikroorganizmy antarktyczne mogą wytwarzać energię z powietrza w temperaturach sięgających nawet –20 st. C. Odkrycie to pogłębia nasze rozumienie tego, jak życie przetrwa w ekstremalnych temperaturach Antarktydy oraz jak zmiana klimatu może wpłynąć na ten ważny proces.

Jak wytwarzać energię z powietrza

W 2017 r. naukowcy wykazali, że duża liczba antarktycznych mikroorganizmów może wytwarzać energię z gazów atmosferycznych występujących w bardzo niskich stężeniach.

Proces ten nazywa się aerotrofią. Dzięki enzymom bardzo precyzyjnie „wywąchującym” wodór i tlenek węgla w atmosferze mikroorganizmy te znalazły sposób na pozyskiwanie energii bezpośrednio z powietrza – co stanowi ogromną przewagę w ubogich w składniki odżywcze, pustynnych glebach Antarktydy.

Do tej pory nie było jednak wiadomo, jakie są temperaturowe granice tego procesu. Czy aerotrofia może zasilać społeczności mikroorganizmów glebowych na kontynencie przez całą zimę?

Zabierając laboratorium na południe

Pomiar tempa, w jakim mikroorganizmy zużywają tak niewielkie ilości „paliwa”, jest trudny. W latach 2022–2024 pobraliśmy próbki powierzchniowej gleby z różnych miejsc Antarktydy Wschodniej i przeanalizowaliśmy je w naszym laboratorium. Mierzyliśmy, jak szybko mikroorganizmy wykorzystują gazy atmosferyczne. Wyizolowaliśmy także całe DNA mikroorganizmów obecnych w glebie i poddaliśmy je sekwencjonowaniu. Dzięki temu mogliśmy ustalić, jakie mikroorganizmy są obecne, jakie geny posiadają i z jakich źródeł energii są zdolne korzystać.

W laboratorium zaobserwowaliśmy aerotrofię zarówno w temperaturach typowych dla lata (4 st. C), jak i zimy (–20 st. C). Oznacza to, że wodór i tlenek węgla stanowią realne źródło pożywienia nie tylko latem, ale przez cały rok. Jeszcze bardziej zaskakująca okazała się jednak górna granica temperatury.

Temperatura gleby na Antarktydzie rzadko przekracza 20 st. C. Tymczasem odkryliśmy mikroorganizmy, które wciąż wytwarzały energię z wodoru nawet w temperaturze aż 75 st. C. Wygląda więc na to, że mikroorganizmy z antarktycznych gleb są dobrze przystosowane do zimna kontynentu, ale nie są do niego ograniczone. To trochę tak, jakby zobaczyć pingwina świetnie radzącego sobie w tropikalnej dżungli.

Chcieliśmy także zobaczyć ten proces bezpośrednio na Antarktydzie, dlatego dwa lata temu zabraliśmy laboratorium na południe. Zebraliśmy świeże próbki gleby, zamknęliśmy je w szklanych fiolkach i pobraliśmy próbki gazów. Po raz pierwszy stało się jasne, że w rzeczywistych warunkach te mikroorganizmy glebowe nadal „zjadają” wodór.

Pierwotni producenci Antarktydy

Sekwencjonowanie DNA pokazało, że zdecydowana większość mikroorganizmów w antarktycznych glebach posiada geny umożliwiające pozyskiwanie energii z wodoru. Wiele z tych bakterii ma również geny pozwalające pobierać węgiel z atmosfery. Te mikroorganizmy – aerotrofy – są producentami pierwotnymi, czyli wytwarzają nową biomasę bezpośrednio z powietrza.

W większości ekosystemów lądowych podstawą łańcucha pokarmowego jest fotosynteza. W jej trakcie energia słoneczna i węgiel z atmosfery przekształcane są w związki organiczne. To właśnie dzięki temu rośliny rosną. Rośliny są producentami pierwotnymi, które zjadają roślinożercy, a te z kolei są zjadane przez drapieżniki.

W pustynnych glebach Antarktydy fotosynteza występuje stosunkowo rzadko. Dlatego stawiamy hipotezę, że w wielu miejscach rolę producentów pierwotnych pełni właśnie aerotrofia.

Ma to sens, ponieważ – w przeciwieństwie do fotosyntezy zależnej od światła słonecznego – aerotrofia może zachodzić przez cały rok. Co więcej, nie wymaga obecności ciekłej wody, podczas gdy fotosynteza jej potrzebuje.

Wodór w ocieplającym się świecie

Aerotrofia odgrywa więc wyraźnie ważną rolę w ekosystemach Antarktydy. Kolejnym krokiem było zbadanie, jak globalne ocieplenie może wpłynąć na ten proces.

W scenariuszach niskiej emisji przewidujemy wzrost tempa zużycia wodoru atmosferycznego przez aerotrofy o około 4 proc. W scenariuszach bardzo wysokiej emisji wzrost ten może sięgnąć nawet 35 proc. Podobne wartości uzyskaliśmy dla tlenku węgla. Choć sam wodór nie jest gazem cieplarnianym, odgrywa ważną rolę, ponieważ wpływa na to, jak długo niektóre gazy cieplarniane – w tym metan – pozostają w atmosferze.

Gleby (wraz z żyjącymi w nich mikroorganizmami) odpowiadają globalnie za 82 proc. całkowitego zużycia wodoru na Ziemi. Innymi słowy, stanowią one jego główny pochłaniacz. Jest to kluczowy element globalnego cyklu wodoru.

Na to, jak mikroorganizmy będą reagować na zmianę klimatu, wpływa wiele czynników. Temperatura jest tylko jednym z nich. To badanie stanowi ważny element układanki, dzięki któremu naukowcy próbują zrozumieć, jak odporne są unikalne mikrobiologiczne ekosystemy Antarktydy.

Artykuł Microbes in Antarctica survive the freezing and dark winter by living on air ukazał się w service The Conversation. 

• aktualności
• Nauki biologiczne i rolnicze