Как постичь главную тайну океана (часть I)
Мириады и мириады крошечных существ, невидимых человеческому глазу, благоденствуют в Мировом Океане. Тайны их жизни пока неизвестны науке, ведь они не могут жить в отрыве от природного окружения. Кроме того, они по большей части безымянны - ведь им удалось скрыться даже от глаз ученых.
Эти таинственные организмы - морские бактерии. Они, как полагают ученые, составляют до 70% океанической биомассы. Микробы занимают особое место в представлениях человека о жизни. Если они не затрагивают нас напрямую - например, во время болезни, то мы не обращаем на них никакого внимания. И это при том, что вся жизнь на Земле в значительной степени зависит от этих микроскопических созданий, обитающих во всех средах. Любящие тепло бактерии благоденствуют в горячих источниках, кишечная палочка обитает в пищеварительном тракте практически всех животных, помогая им переваривать пищу, а устойчивые к радиации формы живут в токсичных отходах, перерабатывая вредоносные материалы в безвредные соединения.
Ученые, естественно, прекрасно осведомлены о существовании бактерий, хотя бы потому, что могут наблюдать их в микроскоп. Но все попытки разведения в лабораторных условиях большинства видов этих микроорганизмов наталкиваются на непреодолимую преграду - они гибнут. Так как же исследователям поймать и удержать эти неуловимые существа достаточное время для того, чтобы понять, что они делают? Над этим вопросом Эд ДеЛонг, биолог из института водных исследований залива Монтерей, размышляет на протяжение всей своей научной карьеры. ДеЛонг использует простой метод. Он выделяет один вид микроорганизмов и расшифровывает отдельные последовательности его генетического кода. Таким образом, он постепенно разрешает загадку, связанную с тем, что те или иные микроорганизмы делают в океане, не связываясь с выращиванием бактерий в лабораторных условиях. ДеЛонг за многие годы работы обнаружил, что значительная часть морских бактерий, подобно растениям, использует солнечный свет для выработки энергии. Это открытие пролило свет на многие аспекты океанографии и биологии, потому что ранее никто и не предполагал, что так много организмов использует для жизни свет, бескорыстно даримый Солнцем.
Фотосинтезирующие бактерии развиваются так же, как и все клетки. Гены рибосомной РНК (рРНК) являются кодами частей огромной молекулы, называемой рибосомой. Рибосома - это своего рода фабрика по производству белков, существующая во всех клетках, от бактериальных до человеческих. Она работает как молекулярный сборочный конвейер, создавая белковые цепочки из органических веществ, находящихся в клетках. Каждая молекула рРНК важна для функционирования рибосомы. Если "конвейер" остановится, клетки могут погибнуть, потому что им будет недоставать белков, необходимых для выживания.
Небольшие изменения, происшедшие за миллионы лет, сделали рРНК хорошим маркером эволюции. Все формы жизни на Земле обладают рибосомами, все рибосомы имеют общих предков, поэтому гены рибосомных РНК можно сравнивать. На этом основании ученые десятилетиями использовали рРНК при определении положения живых организмов на эволюционном древе, названном "древом жизни". Недавно разработанные технологии позволяют ученым расшифровать весь генетический код организма. ДеЛонгу не требуется присутствие живого организма для выяснения его генетических цепочек, ему вполне достаточно ДНК. Используя аппаратуру, которая распутывает генетический код, он находит гены рРНК. У каждого организма гены рРНК несколько отличаются от других организмов, однако общая последовательность сохраняется. Сравнив рРНК вновь обнаруженного микроорганизма с рРНК уже известных видов, ДеЛонг определяет положение нового вида на древе жизни. "У нас есть база данных по организмам, которые можно вырастить в лаборатории, которые являются становым хребтом этого дерева", - поясняет ученый, - "гены рРНК играют роль штрих-кода, средства для идентификации".
Восемь лет спустя эта техника помогла ему сделать очень важное открытие: оказывается, организмы из царства archaea - древние близкие родственники бактерий, обитают в обычных океанических водах. Archaea - анаэробные простейшие организмы, обитающие, как считалось долгое время, только в экстремальных условиях, таких как источники термальных вод на океаническом дне. Сейчас многие ученые считаются их первыми живыми организмами, появившимися на Земле. ДеЛонг же обнаружил, что эти организмы составляют почти 20% всех одноклеточных организмов, живущих в океане.
Однако исследованиями изобилия микроорганизмов в океане ДеЛонг не удовлетворился. Ему хотелось знать, что они делают. Поэтому ДеЛонг вместе со своим коллегой Одедом Беджой начали серию новых исследований. ДеЛонг знал, что он может определить, с какой бактерией имеет дело, изучив ее рРНК, он также знал, что, как правило, гены в цепочках ДНК организованы в ряды. Так почему бы не пройтись по цепочкам ДНК и не выяснить, какие гены идут следом за рРНК? Может один из этих новых генов прольет свет на то, что самые неуловимые бактерии делают в воде.
Первой целью ДеЛонга и Беджи было собрать большие количества морских бактерий. Образцы океанической воды содержат миллионы различных видов бактерий. Беджа и ДеЛонг пропускали через фильтры до тысячи литров воды, чтобы получить репрезентативные образцы для исследования. Фильтр пропускает около 2 литров воды в минуту, поэтому получение необходимого числа бактерий занимает от 2 до 10 часов. Ученые отмечают, что за время подготовки к исследованию, ожидая завершение фильтрации, они съели огромное количество мороженого.
После завершения сбора образцов ученые удалили оболочки бактериальных клеток, подготовив тем самым организмы к извлечению клейкого генетического материала. Особые усилия ими приложен были к тому, чтобы сохранить целостность длинных цепочек. ДНК очень хрупка, и неосторожное обращение может легко привести к образованию разрывов. "Сначала мы не знали, что ищем", - вспоминает Беджа. Исследователи действовали вслепую, однако вскоре они обнаружили большой фрагмент, содержащий рРНК. Тогда они внимательно изучили последовательность в поисках других генов. У каждого гена есть весьма четкие отметки, указывающие на его начало и конец, поэтому выделять гены достаточно несложно. Когда они нашли первый ген, исследователи проверили его по базе данных. Выяснилось, что такой ген раньше не находили в бактериях - это была большая удача. Этот ген производит белок родопсин, причем молекулы гена активизируются под воздействием света, так что исследователи назвали его фотородопсин. Это первая светочувствительная молекула, найденная в бактериях. Поскольку для функционирования фотородопсину необходим солнечный свет, открытие является доказательством того, что большое число морских бактерий используют фотосинтез. А ведь ранее считалось, что этот процесс используют только растениях и некоторые видах archaea, и в исключительных случаях - бактерии.
(продолжение следует)
Комментарии читателей Оставить комментарий