Microben die in de schitterend gekleurde warmwaterbronnen van Yellowstone National Park leven, gebruiken voornamelijk waterstof als brandstof, een ontdekking. Onderzoekers van de Universiteit van Colorado in Boulder zeggen dat het een goed voorteken is voor het leven in extreme omgevingen op andere planeten en dat ze het begrip van bacteriën in het menselijk lichaam kunnen vergroten.
Een team van CU-Boulder-biologen onder leiding van professor Norman Pace, een van 's werelds toonaangevende experts op het gebied van moleculaire evolutie en microbiologie, publiceerde deze week hun rapport' Waterstof en bio-energetica in het geothermische systeem van Yellowstone 'in de online editie van de Proceedings of the National Academie van Wetenschappen.
De bevindingen van het team, gebaseerd op jarenlang onderzoek in het park, weerleggen het populaire idee dat zwavel de belangrijkste energiebron is voor kleine organismen die in thermische kenmerken leven.
'Het was een verrassing dat waterstof de belangrijkste energiebron was voor microben in de warmwaterbronnen,' zei Pace. "Dit project is ook interessant in de context van microbiologie, omdat het een van de weinige keren is dat we microben hebben kunnen bestuderen om informatie te krijgen over een heel ecosysteem. Dat is nooit eerder mogelijk geweest. "
De studie was specifiek ontworpen om de belangrijkste bron van metabole energie te bepalen die microbiële gemeenschappen in parkkenmerken met temperaturen boven 158 graden Fahrenheit aandrijft. Fotosynthese is niet bekend boven die temperatuur.
Een combinatie van drie verschillende aanwijzingen bracht onderzoekers tot de conclusie dat waterstof de belangrijkste energiebron was. Genetische analyse van de soorten microben die in de warmwaterbronnen leven, toonde aan dat ze allemaal de voorkeur geven aan waterstof als energiebron. Ze observeerden ook alomtegenwoordige H2 in alle warmwaterbronnen bij concentraties die voldoende waren voor microbiële bio-energetica. Thermodynamische modellen op basis van veldgegevens bevestigden dat waterstofmetabolisme de meest waarschijnlijke brandstofbron was in deze omgevingen.
"Dit werk levert een aantal interessante bijbehorende vragen op", zegt John Spear, hoofdauteur van het rapport. 'Waterstof is het meest voorkomende element in het universum. Als er ergens anders leven is, kan het zijn dat waterstof de brandstof is, 'zei Spear. "We hebben water gezien op Mars en we weten dat waterstof op aarde biogenetisch kan worden geproduceerd door fotosynthese en fermentatie of niet-biogenetisch door water dat reageert met ijzerhoudend gesteente. Het is mogelijk dat niet-biogene processen waterstof produceren op Mars en dat een of andere microbiële levensvorm dat zou kunnen gebruiken, 'zei hij.
Er zijn veel voorbeelden van bacteriën die in extreme omgevingen leven - inclusief het menselijk lichaam - die waterstof als brandstof gebruiken, aldus Spear. "Recente studies hebben aangetoond dat Helicobacter pylori-bacteriën, die zweren veroorzaken, op waterstof in de maag leven", aldus Spear. 'Salmonella metaboliseert waterstof in de darmen. Ik vraag me af hoeveel verschillende soorten microben er waterstof metaboliseren in extreme omgevingen. ”
In plaats van te vertrouwen op traditionele microbiologische technieken die gebruikmaken van in het laboratorium gekweekte culturen, gebruikte het CU-Boulder-team de door Pace ontwikkelde methodologie om de samenstelling van de microbiële gemeenschap zoals die in het veld verscheen genetisch te analyseren. "We hebben niet gekeken naar wat er in een kweekschotel groeit, we hebben gekeken naar het RNA van monsters rechtstreeks uit het veld", zei Spear.
"We hebben nooit eerder geweten welke microben in de warmwaterbronnen van Yellowstone leefden, en nu doen we dat," zei Pace.
Een nieuwe reeks instrumenten werd gebruikt om gegevens te verzamelen, waarvan sommige nog nooit eerder waren verzameld. "Niemand had eerder de waterstofconcentratie in de warmwaterbronnen gemeten omdat de technologie pas ongeveer zeven jaar geleden bestond. Nu kunnen we zeer lage concentraties waterstof in water detecteren ”, legt Spear uit.
'We vonden veel waterstof in de warmwaterbronnen - een eindeloze voorraad bacteriën', zei hij. Metingen van de hoeveelheid H2 in water werden geregistreerd in de warmwaterbronnen, beken en geothermische ventilatieopeningen van Yellowstone in verschillende delen van het park en gedurende verschillende seizoenen. Alle omgevingen hadden concentraties die geschikt waren voor het energiemetabolisme.
Het team gebruikte computergegenereerde thermodynamische modellen om erachter te komen of waterstof inderdaad de belangrijkste energiebron was. 'Bij Yellowstone ruik je sulfide in de lucht, en het aanvaarde idee was dat zwavel de energiebron was voor het leven in de warmwaterbronnen,' zei Spear. Niet zo, volgens de computermodellen van het team die zijn gebouwd op veldmetingen van waterstof, sulfide, opgeloste zuurstofconcentratie en andere factoren.
Spear zei dat het moeilijk was om een microbieel ecosysteem te verkennen. "We hebben het moeilijk genoeg om uit te leggen wat er bijvoorbeeld in een bos gebeurt met alle interlacing-systemen. We kunnen zelfs geen microbieel systeem zien. "
Monsterextractie was een gevaarlijke en delicate operatie. Om de volledige microbiële gemeenschap van een hete lente nauwkeurig te analyseren, hoefde Spear slechts ongeveer zoveel materiaal te verzamelen als een potloodwisser. Sedimentmonsters werden in speciale monsterflesjes geschept en onmiddellijk ingevroren in bussen met vloeibare stikstof om de microbiële gemeenschap te behouden.
In bronnen waar geen sediment was, verzamelde Spear monsters van planktonorganismen door een glasplaat in het water te hangen en de microben te laten ophopen. 'Bacteriën zijn net als wij. Ze vinden het leuk om samen te zijn, ze hechten zich graag aan een oppervlak en ze willen graag dat hun voedsel - in dit geval opgeloste waterstof - naar hen wordt gebracht. ”
Spear legde uit dat de kleuren van de warmwaterbronnen het resultaat zijn van interacties tussen mineralen en de microben die in de baden leven. Heet water vertoont meestal kleuren van mineralen en koeler water is de gastheer voor fotosynthetische pigmenten.
"Op basis van wat ik in deze analyse heb gezien, denk ik dat waterstof waarschijnlijk veel leven in veel omgevingen drijft," zei Spear. "Het is deels speculatie, maar gezien het aantal en de soorten bacteriën die waterstof metaboliseren, is het waarschijnlijk een zeer oude vorm van metabolisme.
Dat is belangrijk omdat het ons vertelt over de geschiedenis van het leven op aarde '', zei hij. "En als het op aarde op deze manier werkt, gebeurt het waarschijnlijk ergens anders. Als je naar de sterren kijkt, zit er veel waterstof in het universum. '
Oorspronkelijke bron: UCB News Release
