До недавних пор «предсказание погоды миллиардлетней давности» оставалось уделом геологов, основывавших свои выводы на анализе химического и изотопного состава древнейших горных пород. Глубокая детализация далекого прошлого нашей планеты во многом была обязана лишь интересу и любознательности ученых: практическую выгоду из находок палеонтологов и реконструкций эволюционистов практически невозможно извлечь.
Однако, с учётом последних климатических изменений, история может помочь если и не справиться с потеплением, то хотя бы понять, как на изменения климата отреагирует биосфера.
Идея проста — если знать, какими особенностями обладают живущие в то или иное время организмы, можно сделать обоснованные выводы не только о температуре, но и о влажности, химическом и газовом составе атмосферы и гидросферы. Раньше подобные исследования ограничивались исключительно анализом биологических отложений и строения древних организмов.
Объединив геологию с генетикой и эволюцией, ученые получили новый инструмент для подобных предсказаний.
Достижения генетики, а главное — большое количество накопившихся данных о геномах одноклеточных, позволяют пойти другим путем, и судить не только об обмене веществ, но и о принципиальных чертах строения наших очень далеких одноклеточных родственников.
Принцип, предложенный американскими учеными, опубликовавшими результаты своей работы в Nature, — «у детей природы нет ничего лишнего». И если бактерии обладали той или иной регуляторной системой, значит, она им была нужна для лучшего приспособления к условиям окружающей среды.
В данном случае — это устойчивость к повышенным температурам. В отличие от многих других организмов, для бактерий «потолок» переносимых температур определяется только устойчивостью биополимеров — белков и нуклеиновых кислот. И если у многоклеточных существуют сложные системы терморегуляции, защищающие содержимое отдельных клеток от жары, превышающей 42 градуса, то белки бактерий остаются с теплом «один на один».
В случае подъема отметки термометра выше 42oC, белки денатурируют — поочередно теряют сначала третичную (объемную) структуру, потом вторичную, а затем, когда рвутся ковалентные связи между аминокислотами, и первичную, причем уже необратимо.
Определяющей в таком случае становится система синтеза и восстановления разрушенных связей между аминокислотами, за которую ответственны белки элонгации (elongation factor thermo-unstable, EF-Tu). За счет высокой энергии связей в этих белках они самостоятельно могут оставаться устойчивыми к высоким температурам и при этом восстанавливать другие, термостабильность которых практически не менялась многие миллионы лет.
Архейский эон, архей — геологический период перед протерозоем, закончившийся 2,5 миллиарда лет назад. Временные границы этого периода не базируются на исследованиях пород и отложений, а просто определены хронометрически. Нижней границей архея считается отметка в 3,8 миллиарда лет назад (завершение гадея), хотя она и не признана Международной стратиграфической комиссией.
Археи (Archaea, старое название — архебактерии, Archaebacteria) — особый домен (по трёх-доменной системе Карла Вёзе наряду с эубактериями и эукариотами). Оценки учёных позволяют утверждать, что суммарная биомасса архей на планете (1014 тонн) превышает посчитанную до этого биомассу всех остальных форм жизни— 2,4×1012<\sup> тонн.
Археи — одноклеточные прокариоты, на молекулярном уровне заметно отличающиеся как от бактерий, так и от эукариотов. Отличия наблюдаются в компонентах синтеза белка, структуре клеточной стенки, биохимии (только среди архей есть метаногены) и устойчивости к факторам внешней среды (большая часть — экстремофилы). Большая их часть автотрофы.
Археи широко распространены в окружающем мире, занимая, в том числе, и такие экологические ниши, которые недоступны другим живым организмам. В горячих источниках живут археи-термофилы, устойчивые к температурам +45...+113 °С; психрофилы способны к размножению при сравнительно низких температурах (-10... +15 °С); ацидофилы живут в кислотных средах (pH 1—5); алкалифилы, наоборот, предпочитают щелочи (pH 9—11). Барофилы выдерживают давление до 700 атмосфер, галофилы живут в соляных растворах с содержанием NaCl 25—30%. Ксерофилы выживают при минимальном уровне влаги.
Далее учёные опять обратились к компьютерам. Современные средства моделирования позволяют с высокою точностью воссоздать структуру и свойства белка по последовательности аминокислот. Для подтверждения модельных выводов эти последовательности даже были синтезированы и внедрены в живущих ныне бактерий.
Для контроля метода ученые использовали современные кишечную палочку (Eisherichia Coli) и термофильную Thermus thermophilus. Как и предполагалось, оптимальные температурные условия для них чётко определяются температурами плавления белков EF-Tu — для жизни им идеально подходят температуры в 40oC и 74oC, а предел температуры среды обитания составляет 42,8oC и 76,7oC соответственно.
Итоги компьютерного анализа показали: средняя температура плавления белков бактерий-предшественников, живших в архейском эоне, была на 30–40 градусов больше, чем сейчас.
Спорным остается вопрос о глобальности обнаруженных биологами изменений в окружающей среде, ведь эти бактерии могли обитать в горячих источниках и лишь потом переселяться в мировой океан.
Причиной массового вымирания видов в конце палеозоя могли стать бактерии. Массовое вымирание на границе пермского и триассового периодов около 250 миллионов лет назад было крупнейшим в истории Земли. Тогда на планете исчезло около 85% видов морских и 65% наземных животных.
Как считают бостонские ученые, виной тому - бактерии. Причём сценарий уничтожения земной жизни существенно отличался от «Войны миров» — бактерии не паразитировали на крупных организмах, а отравили жизнь, буквально «испортив воздух», ну а заодно и воду.
Ученые считают, что этот период совпал с временем интенсивного роста фотосинтезирующих сульфобактерий, которые вместо кислорода в своей цепи окисления-восстановления используют серу, и образуя при этом весьма неприятный на запах, а в больших количествах – токсичный газ сероводород. Возможно, его стало настолько много, что на планете остались лишь те, кто мог жить в таких поистине экстремальных условиях.
Такой вывод микробиологи сделали исходя из содержания других метаболитов этих баткрий – изопреноидов в породах Западной Австралии, Восточной Гренландии и в Южном Китае.
Так что за жизнь даже в случае настолько глобального потепления переживать не стоит — прокариоты не просто сохранятся, но и будут чувствовать себя неплохо и в таких экстремальных условиях. А вот судьбе эукариот, даже одноклеточных, не позавидуешь — ведь за сложноустроенный генетический аппарат и цитоскелет нам пришлось пожертвовать способностью существовать при высоких (больше 42 градусов) температурах.
