Ученые обнаружили бактерии, которые поглощают метан в отбеливателе

Это меняет стратегии поиска биомаркеров на Энцеладе и Марсе

На протяжении долгого времени в микробиологии существовал неофициальный «закон»: метанотрофы — бактерии, использующие метан в качестве источника питания, — не могут развиваться при pH выше 10.5. Считалось, что pH 11 — это теоретический предел, за которым биологические процессы прекращаются. Новое исследование выявило наличие естественного биологического «фильтра», способного усваивать метан даже в экстремальных химических условиях.

Исследователи обнаружили бактерии рода Methylovulum при pH 11.6. Это вызывает удивление, так как такая высокая щелочность должна буквально разрушать клетки изнутри, однако эти микробы нашли способ не только сохранять целостность, но и активно перерабатывать метан. Новые данные расширяют известные физические пределы обитаемости на Земле и предоставляют астробиологам подтверждённый земной аналог для изучения процессов в океанах ледяных спутников Солнечной системы и экзопланет.

В засушливых ландшафтах Омана, в офиолитовом комплексе Самаил, происходит один из наиболее интересных геологических процессов на Земле — низкотемпературная серпентинизация. Когда вода реагирует с породами мантии (перидотитами), она становится едким, гиперщелочным флюидом, создавая среду, которая кажется абсолютно враждебной для белковой жизни. Учёные выяснили, что микробы здесь выживают не случайно, а сосредотачиваются исключительно в зонах смешивания потоков. Идеальные энергетические условия формируются там, где 20% едких глубинных вод соединяются с 80% поверхностных вод, насыщенных кислородом и сульфатами. На этом стыке возникла особая «зона обитаемости», предоставляющая микроорганизмам необходимый коктейль для существования.

Отборы проб подтвердили, что наблюдаемые изотопные сигнатуры соответствуют потреблению метана микроорганизмами. Генетический анализ показал преобладание рода Methylovulum, который адаптировался к гиперщелочным условиям и способен усваивать метан даже в экстремальных химических условиях.

Чтобы подтвердить, что газ действительно перерабатывается живыми организмами, а не испаряется по физическим причинам, авторы исследования использовали изотопный анализ. Бактерии предпочитают разрушать химические связи с более лёгким изотопом углерода, оставляя в воде нетронутый метан, обогащённый тяжёлым изотопом. На оманских участках Кафифа и Дима этот сдвиг в сторону тяжёлого углерода достиг значений, свидетельствующих о присутствии метанотрофов. Дальнейшее изучение образцов подтвердило, что ни механическое смешивание вод, ни дегазация не могут вызвать такое утяжеление молекул: газ меняет свой химический состав благодаря поглощению биологическим фильтром.

Чтобы клетка не разрушилась от избытка щелочи, бактерия использует специализированные натрий-протонные антипортеры (насосы типа NhaD). Они постоянно выкачивают из клетки ионы натрия в обмен на дефицитные протоны водорода из внешней среды, поддерживая безопасный внутренний баланс. За переваривание отвечает мембранный фермент метанмонооксигеназа (pMMO), который расщепляет инертный метан до метанола для дальнейшего синтеза клеточной биомассы.

Тем не менее, даже у этих экстремофилов была обнаружена критическая уязвимость к аммиаку. Данные показали, что как только концентрация общего аммонийного азота превышает 20 микромоль на килограмм, активность бактерий резко падает. Молекулы аммиака структурно схожи на метан, поэтому они обманывают фермент pMMO, занимая его активные центры и блокируя весь цикл питания. Этот химический барьер значительно ограничивает зоны обитания микроорганизмов в геологическом комплексе.

Результаты исследования могут изменить подходы к поиску внеземной жизни межпланетными аппаратами. Учитывая, что зонд Cassini (Кассини) ранее подтвердил протекание процессов серпентинизации в недрах спутника Сатурна Энцелада, подтверждённая способность бактерий выживать при экстремальной щелочности предполагает, что жизнь в подобных океанах может активно уничтожать метан до того, как он попадет в гейзеры и будет зафиксирован приборами зондов. Изотопный состав метана сам по себе не является «золотым билетом», подтверждающим наличие жизни. Однако если рассматривать его в сочетании с геохимией и моделями смешивания вод, он становится мощным индикатором при интеграции с геохимическим моделированием. Это имеет прямое значение для интерпретации данных с Марса и планируемых миссий к океаническим спутникам, где щелочная гидротермальная активность может поддерживать аналогичные экосистемы.

В земных условиях понимание этого механизма окажется полезным при разработке технологий хранения углекислого газа в недрах: инженерам придется учитывать наличие естественных бактериальных фильтров, чтобы случайно не спровоцировать масштабные выбросы парниковых газов на поверхность.