هذه الخلايا المكتشفة حديثًا تتنفس بطريقتين

مر أعضاء الفريق بعملية تحديد العناصر والجزيئات التي يمكن أن تنمو عليها العناصر والجزيئات. لقد عرفوا بالفعل أنه يمكن أن يستخدم الأكسجين ، لذلك اختبروا مجموعات أخرى في المختبر. عندما كان الأكسجين غائبًا ، يمكن لـ RSW1 معالجة غاز الهيدروجين والكبريت الأولي – الكيميائيات التي ستجدها تنطلق من فتحة تنفيس بركانية – وإنشاء كبريتيد الهيدروجين كمنتج. ومع ذلك ، بينما كانت الخلايا حية تقنيًا في هذه الحالة ، فإنها لم تنمو أو تكررها. كانوا يصنعون كمية صغيرة من الطاقة – بما يكفي للبقاء على قيد الحياة ، لا شيء أكثر من ذلك. وقال بويد: “كانت الخلية تجلس هناك تدور حول عجلاتها دون الحصول على أي مكاسب حقيقية في التمثيل الغذائي أو الكتلة الحيوية”.

ثم أضاف الفريق الأكسجين مرة أخرى إلى المزيج. كما هو متوقع ، نمت البكتيريا بشكل أسرع. ولكن ، لمفاجأة الباحثين ، لا يزال RSW1 أيضًا ينتج غاز كبريتيد الهيدروجين ، كما لو كان لاهوائيًا. في الواقع ، يبدو أن البكتيريا تتنفس على حد سواء الهوائية واللاهوائية في وقت واحد ، وتستفيد من طاقة كلتا العمليتين. ذهب هذا التنفس المزدوج إلى أبعد من التقارير السابقة: لم تكن الخلية تنتج الكبريتيد فقط في وجود الأكسجين ولكنها كانت تؤدي أيضًا كلتا العمليتين المتضاربات في نفس الوقت. البكتيريا ببساطة لا ينبغي أن تكون قادرة على القيام بذلك.

قال بويد: “هذا وضعنا في هذا المسار” حسنًا ، ما الذي يحدث حقًا هنا؟ “

التنفس بطريقتين

يبدو أن RSW1 يحتوي على استقلاب هجين ، يدير وضعًا قائمًا على الكبريت اللاهوائي في نفس الوقت الذي يدير فيه طريقة هوائية باستخدام الأكسجين.

وقال رانجاني مورالي ، عالم الأحياء المجهرية البيئية بجامعة نيفادا ، لاس فيجاس ، الذي لم يشارك في البحث: “لكي يكون الكائن الحي قادرًا على سد كلا الأيض فريد من نوعه”. وقالت إن الكائنات اللاهوائية عادة عندما تتعرض الكائنات اللاهوائية للأوكسجين ، فإن الجزيئات الضارة المعروفة باسم مركبات الأكسجين التفاعلية تخلق إجهادًا. “حتى لا يحدث هذا أمر مثير للاهتمام حقًا.”

لاحظ فريق بويد أن البكتيريا نمت بشكل أفضل عند تشغيل كلا الأيض في وقت واحد. قد تكون ميزة في بيئتها الفريدة: لا يتم توزيع الأكسجين بالتساوي في الينابيع الساخنة مثل تلك التي يعيش فيها RSW1. في الظروف المتغيرة باستمرار ، حيث يمكن الاستحمام في الأكسجين لحظة واحدة فقط حتى تختفي ، قد يكون التحوط في رهانات التمثيل الغذائي سمة متكيفة للغاية.

وقد لوحظت ميكروبات أخرى تتنفس طريقتين في وقت واحد: اللاهوائية مع النترات والهواء مع الأكسجين. لكن هذه العمليات تستخدم مسارات كيميائية مختلفة تمامًا ، وعند إقرانها معًا ، تميل إلى تقديم تكلفة نشطة للميكروبات. في المقابل ، فإن استقلاب الكبريت/الأكسجين في RSW1 يعزز الخلايا بدلاً من سحبها لأسفل.

قد يكون هذا النوع من التنفس المزدوج قد تهرب من الكشف حتى الآن لأنه كان مستحيلًا. قال بويد: “ليس لديك سبب للبحث” عن شيء كهذا. بالإضافة إلى ذلك ، يتفاعل الأكسجين والكبريتيد مع بعضهما البعض بسرعة ؛ وأضاف أنه ما لم تكن تشاهد الكبريتيد كمنتج ثانوي ، فقد تفوتك تمامًا.

وقال مورالي إنه من الممكن ، في الواقع ، أن الميكروبات ذات الأيض المزدوج منتشرة على نطاق واسع. وأشارت إلى العديد من الموائل والكائنات الحية الموجودة في التدرجات الضعيفة بين المناطق الغنية بالأكسجين وخالية من الأكسجين. مثال على ذلك في الرواسب المغمورة ، والتي يمكن أن تؤوي بكتيريا الكابل. توجه هذه الميكروبات الممدة نفسها بطريقة يمكن أن تستخدم إحدى طرفي أجسامهم التنفس الهوائي في الماء المؤكسج بينما يتم دفن الطرف الآخر في عمق الرواسب الأكسدة ويستخدم التنفس اللاهوائي. تزدهر بكتيريا الكابلات في تقسيمها غير المستقر عن طريق فصل جسديًا من عملياتها الهوائية واللاهوائية. لكن يبدو أن RSW1 لمداخلة متعددة أثناء التراجع في الربيع المتجول.

لا يزال من غير المعروف كيف تمكنت بكتيريا RSW1 من حماية آلاتها اللاهوائية من الأكسجين. وقالت مورالي أن الخلايا قد تخلق فائقة المواد الكيميائية داخل نفسها والتي يمكن أن تحيط وعزل و “تفكيك” الأكسجين ، كما أن استخدامها بسرعة بمجرد مواجهتها لذلك لا توجد فرصة للغاز للتدخل مع التنفس القائم على الكبريت.

وقال بويد إن RSW1 وأي ميكروبات أخرى لها استقلاب مزدوج تجعل نماذج مثيرة للاهتمام لكيفية تطور الحياة الميكروبية خلال حدث الأكسجين العظيم. وقال “يجب أن يكون ذلك وقتًا فوضويًا للميكروبات على هذا الكوكب”. باعتباره بالتنقيط البطيء من الأكسجين الذي تم ترشيحه في الغلاف الجوي والبحر ، فإن أي شكل حياة يمكن أن يتعامل مع فرشاة عرضية مع الغاز السام الجديد-أو حتى استخدامه لصالحه النشط-كان أكثر ميزة. في ذلك الوقت من الانتقال ، قد يكون الأيض أفضل من واحد.

القصة الأصلية أعيد طبعه بإذن من مجلة Quanta ، منشور مستقل تحريري لـ مؤسسة سيمونز تتمثل مهمتها في تعزيز الفهم العام للعلوم من خلال تغطية التطورات البحثية والاتجاهات في الرياضيات والعلوم المادية والحياة.