Эксперименты с экзотическими бактериями объяснили происхождение полосчатых железных руд
Chlorobium phaeoferrooxidans связывается с железосодержащими частицами в гораздо меньшей степени, чем другие фотосинтезирующие бактерии.
Если бы побочные продукты фотосинтеза увлекали клетки Chlorobium phaeoferrooxidans на дно, этот микроб не был бы пелагическим: он просто не смог бы долго оставаться в толще воды. Так что главный вывод исследования можно было вывести чисто логически, рассуждая примерно так: «только пелагические микробы могли создать BIFs - эти микробы не были бы пелагическими, если бы к ним приставал образующийся преципитат - значит, он к ним не приставал - следовательно, в BIFs не должно быть много органики». Однако найти реального живого пелагического фотоферротрофа и показать, что преципитат к нему действительно не пристает - это совсем другой уровень доказательности.
Дополнительные эксперименты показали, что склонность железосодержащих частиц прилипать к бактериальным клеткам зависит, с одной стороны, от свойств клеточной поверхности, с другой - от наличия в среде кремния и фосфора. Чем больше в воде любого из этих двух элементов, тем слабее положительный заряд на поверхности железосодержащих частиц, поскольку анионы кремния и фосфора встраиваются в них. При достаточно больших концентрациях Si или P частицы преципитата становятся отрицательно заряженными. В этом случае они намного слабее прилипают к отрицательно заряженной поверхности клеток. Это справедливо для всех трех бактерий, однако Chlorobium phaeoferrooxidans при любых концентрациях Si и P успешнее остается на плаву, чем C. ferrooxidans и Synechococcus.
В архейском океане, по сравнению с современным, было мало фосфора, но много кремния. При тех концентрациях Si и P, которые предположительно были характерны для архейского океана, частицы преципитата заряжены отрицательно. Они практически не пристают к клеткам Chlorobium phaeoferrooxidans и не тянут его на дно, так что почти все клетки остаются в толще воды. В тех же условиях у C. ferrooxidans на дне оказалось (после переворачивания колбы с культурой) около 30% клеток, у Synechococcus - порядка 40%.
Эти различия связаны с химическими свойствами клеточной поверхности, в частности, с числом анионных функциональных групп, обладающих высоким сродством к Fe3+. Это влияет на заряд клеточной поверхности. У пелагического Chlorobium phaeoferrooxidans в «архейских» условиях поверхность клетки несет сильный отрицательный заряд, и частицы преципитата от нее отталкиваются. У донного C. ferrooxidans в тех же условиях поверхностный заряд почти отсутствует, поэтому частицы преципитата прилипают к нему сильнее. Авторы отмечают, что химия клеточной поверхности Chlorobium phaeoferrooxidans довольно типична для грамотрицательных бактерий (в отличие от донного C. ferrooxidans, который в этом отношении является «уклоняющейся» формой). Поэтому вполне возможно, что древние архейские фотоферротрофы были похожи на Chlorobium phaeoferrooxidans по своей способности отталкивать частицы преципитата.
Таким образом, исследование показало, что если за формирование полосчатых железных руд ответственны пелагические фотоферротрофы, то в этих рудах не должно быть много органики. Тяжелые железосодержащие частицы быстро тонули и захоранивались отдельно от биомассы, которая тонет на 4-5 порядков медленнее. Поэтому BIFs формировались там, где активно шел «железный» фотосинтез - прежде всего в зонах апвеллинга, где закисное железо Fe(II) из донных гидротермальных источников активно поступало в фотическую зону. Органика, носимая течениями, захоранивалась где-то в других местах. Действительно, в течение всего архея шло образование богатых органикой сланцев, никак не связанных с BIFs.
В заключительной части статьи авторы описывают модель, выстроенную ими на основе новых данных (о захоронении железа отдельно от биомассы) и призванную в самых общих чертах охарактеризовать круговорот железа и углерода в архейской биосфере. Исследователи постарались учесть все основные количественные параметры (площадь континентов, скорость течений, интенсивность апвеллингов и гидротермального притока Fe(II) в океан, химический состав атмосферы и гидросферы и т. д.). К сожалению, многие из этих параметров для архея известны лишь приблизительно, а некоторые вообще не известны, так что их можно реконструировать лишь из общих соображений и по аналогии с современной ситуацией. О высокой точности таких реконструкций говорить не приходится. Но всё же некоторые тенденции модель, скорее всего, описывает верно.
Для создания фотоферротрофами всех архейских полосчатых железных руд всего необходимого хватает с большим запасом (гидротермального притока закисного железа, скорости течений, продуктивности самих фотоферротрофов, дефицитного фосфора и т. д.). Нужно только, чтобы заметная часть биомассы не захоранивалась вместе с железом.
Такую возможность авторы как раз наглядно продемонстрировали в своих экспериментах.
Если признать, что часть биомассы подвергалась микробной деградации не в осадках с высоким содержанием Fe3+ (где бескислородное окисление органики сопровождалось бы восстановлением железа), а где-то еще, то это должно было сопровождаться выделением большого количества метана.
Археи-метаногены используют в качестве источника углерода либо CO2 (в этом случае им нужен молекулярный водород, образующийся при сбраживании органики анаэробными бактериями), либо простейшие органические соединения (формиат, ацетат, метанол, метиламины и др.). Побочным продуктом жизнедеятельности метаногенов является метан, который при остром дефиците подходящих окислителей (кислорода, сульфатов, нитратов) едва ли мог кем-то эффективно окисляться.
Полностью
https://elementy.ru/novosti_nauki/433577/Eksperimenty_s_ekzoticheskimi_bakteriyami_obyasnili_proiskhozhdenie_poloschatykh_zheleznykh_rud/t2584639/Mikrobiologiya
Если бы побочные продукты фотосинтеза увлекали клетки Chlorobium phaeoferrooxidans на дно, этот микроб не был бы пелагическим: он просто не смог бы долго оставаться в толще воды. Так что главный вывод исследования можно было вывести чисто логически, рассуждая примерно так: «только пелагические микробы могли создать BIFs - эти микробы не были бы пелагическими, если бы к ним приставал образующийся преципитат - значит, он к ним не приставал - следовательно, в BIFs не должно быть много органики». Однако найти реального живого пелагического фотоферротрофа и показать, что преципитат к нему действительно не пристает - это совсем другой уровень доказательности.
Дополнительные эксперименты показали, что склонность железосодержащих частиц прилипать к бактериальным клеткам зависит, с одной стороны, от свойств клеточной поверхности, с другой - от наличия в среде кремния и фосфора. Чем больше в воде любого из этих двух элементов, тем слабее положительный заряд на поверхности железосодержащих частиц, поскольку анионы кремния и фосфора встраиваются в них. При достаточно больших концентрациях Si или P частицы преципитата становятся отрицательно заряженными. В этом случае они намного слабее прилипают к отрицательно заряженной поверхности клеток. Это справедливо для всех трех бактерий, однако Chlorobium phaeoferrooxidans при любых концентрациях Si и P успешнее остается на плаву, чем C. ferrooxidans и Synechococcus.
В архейском океане, по сравнению с современным, было мало фосфора, но много кремния. При тех концентрациях Si и P, которые предположительно были характерны для архейского океана, частицы преципитата заряжены отрицательно. Они практически не пристают к клеткам Chlorobium phaeoferrooxidans и не тянут его на дно, так что почти все клетки остаются в толще воды. В тех же условиях у C. ferrooxidans на дне оказалось (после переворачивания колбы с культурой) около 30% клеток, у Synechococcus - порядка 40%.
Эти различия связаны с химическими свойствами клеточной поверхности, в частности, с числом анионных функциональных групп, обладающих высоким сродством к Fe3+. Это влияет на заряд клеточной поверхности. У пелагического Chlorobium phaeoferrooxidans в «архейских» условиях поверхность клетки несет сильный отрицательный заряд, и частицы преципитата от нее отталкиваются. У донного C. ferrooxidans в тех же условиях поверхностный заряд почти отсутствует, поэтому частицы преципитата прилипают к нему сильнее. Авторы отмечают, что химия клеточной поверхности Chlorobium phaeoferrooxidans довольно типична для грамотрицательных бактерий (в отличие от донного C. ferrooxidans, который в этом отношении является «уклоняющейся» формой). Поэтому вполне возможно, что древние архейские фотоферротрофы были похожи на Chlorobium phaeoferrooxidans по своей способности отталкивать частицы преципитата.
Таким образом, исследование показало, что если за формирование полосчатых железных руд ответственны пелагические фотоферротрофы, то в этих рудах не должно быть много органики. Тяжелые железосодержащие частицы быстро тонули и захоранивались отдельно от биомассы, которая тонет на 4-5 порядков медленнее. Поэтому BIFs формировались там, где активно шел «железный» фотосинтез - прежде всего в зонах апвеллинга, где закисное железо Fe(II) из донных гидротермальных источников активно поступало в фотическую зону. Органика, носимая течениями, захоранивалась где-то в других местах. Действительно, в течение всего архея шло образование богатых органикой сланцев, никак не связанных с BIFs.
В заключительной части статьи авторы описывают модель, выстроенную ими на основе новых данных (о захоронении железа отдельно от биомассы) и призванную в самых общих чертах охарактеризовать круговорот железа и углерода в архейской биосфере. Исследователи постарались учесть все основные количественные параметры (площадь континентов, скорость течений, интенсивность апвеллингов и гидротермального притока Fe(II) в океан, химический состав атмосферы и гидросферы и т. д.). К сожалению, многие из этих параметров для архея известны лишь приблизительно, а некоторые вообще не известны, так что их можно реконструировать лишь из общих соображений и по аналогии с современной ситуацией. О высокой точности таких реконструкций говорить не приходится. Но всё же некоторые тенденции модель, скорее всего, описывает верно.
Для создания фотоферротрофами всех архейских полосчатых железных руд всего необходимого хватает с большим запасом (гидротермального притока закисного железа, скорости течений, продуктивности самих фотоферротрофов, дефицитного фосфора и т. д.). Нужно только, чтобы заметная часть биомассы не захоранивалась вместе с железом.
Такую возможность авторы как раз наглядно продемонстрировали в своих экспериментах.
Если признать, что часть биомассы подвергалась микробной деградации не в осадках с высоким содержанием Fe3+ (где бескислородное окисление органики сопровождалось бы восстановлением железа), а где-то еще, то это должно было сопровождаться выделением большого количества метана.
Археи-метаногены используют в качестве источника углерода либо CO2 (в этом случае им нужен молекулярный водород, образующийся при сбраживании органики анаэробными бактериями), либо простейшие органические соединения (формиат, ацетат, метанол, метиламины и др.). Побочным продуктом жизнедеятельности метаногенов является метан, который при остром дефиците подходящих окислителей (кислорода, сульфатов, нитратов) едва ли мог кем-то эффективно окисляться.
Полностью
https://elementy.ru/novosti_nauki/433577/Eksperimenty_s_ekzoticheskimi_bakteriyami_obyasnili_proiskhozhdenie_poloschatykh_zheleznykh_rud/t2584639/Mikrobiologiya