Seznamte se s nekromasou. Bakteriální 'mrtvolky' udržují při životě nejpomalejší ekosystém na Zemi

- Příroda autor: Jan Toman

Termín biomasa – souhrn všech látek tvořících těla organismů – úspěšně pronikl mezi běžně používaná česká slova. Co je to ale taková nekromasa? Navzdory svému sugestivnímu názvu tento novější a méně známý biologický termín neoznačuje metalovou kapelu ani zbytky nemrtvých. Podle definice se jedná o hmotu náležející odumřelému organismu či organismům. Taková hmota přitom může být zajímavá hned z několika hledisek.

Bakterie ze skupiny archea

Bakterie ze skupiny archea,zdroj: Wikimedia Commons

Ukazuje se například, že buňky mrtvého organismu mohou aktivně používat své geny a přepisovat podle nich bílkoviny ještě mnoho hodin po smrti. Možná ještě zajímavější je ale poznatek, že nekromasa – konkrétně pozůstatky stovky, tisíce a miliony let starých mikrobů – mohou představovat jedno z nejrozšířenějších prostředí na Zemi.

Odumřelá biomasa tvoří značnou část všech přirozených ekosystémů, půdou počínaje a lesy konče. V pralese nebo na haldě kompostu dochází k jejímu průběžnému obměňování, takže mají místní rozkladači více než dost materiálu k vlastní obživě.

Na Zemi ale nalezneme i taková prostředí, která jsou od okolí takřka úplně izolovaná. Výraznější přísun nového biologického materiálu v nich odpadá a místní obyvatelé se musí přizpůsobit šetřivému způsobu života. Jednou z takových extrémních oblastí jsou vrstvy usazenin na dně moře, a zvláště potom jejich hlubší vrstvy.

Fungování na mrtvé buňky svých předků?

Místní mikrobiální společenstva – žádné větší a složitější organismy zde ani nenajdeme – musí vyjít s výrazně omezenými zdroji živin a energie. Z velké části jsou nucena spoléhat jen na mrtvé buňky vlastních předků. Jak může podobný ekosystém fungovat? Čím se vyznačují jeho obyvatelé? A může nám jeho výzkum pomoci při hledání života ve vesmíru?

Podobné otázky stály na počátku výzkumu, o jehož výsledcích nedávno referovala trojice amerických výzkumníků ve vědeckém časopisu Journal of Geophysical Research: Biogeosciences.

Jak autoři článku připomínají, hlubokomořské usazeniny mohou představovat vůbec nejrozšířenější prostředí na Zemi. Podle odhadů zabírají stovky milionů kilometrů krychlových, takže se jim svým objemem vyrovná snad jen hypotetická soustava puklin a dutinek uvnitř zemské kůry.

Není žádným tajemstvím, že koncentrace mikrobů v mořských usazeninách s hloubkou klesá. Drtivá většina živin přichází shora spolu s potápějícími se mršinami, odumřelými buňkami a fekálními pelety (neboli výkaly). Dno a první centimetry pod jeho povrchem tak zdroji ve srovnání s hlubšími vrstvami přímo přetékají.

Ve vrstvách, které se nacházejí mnoho metrů pode dnem, a které se ukládaly před mnoha miliony let, koncentrace živin drasticky padá. Tyto hluboké vrstvy tak dokáží uživit jen omezený počet živých buněk. Právě díky menším populačním hustotám by zde ale mikrobi mohli dlouhodobě přežívat.

Nejpomalejší ekosystém na Zemi

Laboratorní experimenty ukázaly, že bakterie a srovnatelně jednoduché ale nepříbuzné organismy ze skupiny archea dokáží dlouhodobě přežívat s extrémně omezenými zdroji. I na pouhých několika mrtvých buňkách mohou vegetovat mnoho let.

Není to, pravda, žádná sláva. Běžně se například nemnoží a jejich metabolismus zůstává extrémně zpomalený. Dokáží ale udržovat svou buňku v celku, opravovat vznikající poškození a čekat na lepší časy. Mezi vědci navíc panuje přesvědčení, že v opravdu drsných přirozených prostředích dokáží mikrobi zpomalit své fungování ještě výrazněji než v laboratoři.

Důkladný průzkum hlubokomořských usazenin a místních mikrobiálních společenstev bohužel doposud nikdo neprovedl. Alespoň přibližnou představu o místních ekosystémech by nám ale mohl dát počítačový model bioenergetických vztahů pod dnem moře. Právě ten se rozhodli naprogramovat američtí vědci. Vyšli přitom z údajů o koncentraci organické hmoty, jejím přísunu z vodního sloupce, koncentraci kyslíku a dalších plynů ve vodě a dynamice mikrobiálních populací.

V první verzi modelu se výzkumníci pokusili simulovat prostředí pod jihopacifickým gyrem, na živiny velice chudým uzavřeným systémem proudů v Tichém oceánu. Výsledky ukázaly, že energetická výtěžnost nekromasy dosahuje nejvyšších hodnot těsně pod povrchem dna. Zde žije z celého dna nejvíce mikrobů, mají relativně rychlé životní cykly a zanechávají tak po sobě nejvíce mrtvých buněk.

Kvůli velké koncentraci mikrobů v této vrstvě ale může rozkládání nekromasy pokrýt jen malý zlomek energetických požadavků místních organismů, který ani v nejoptimističtějším případě nepřesahuje 40 procent. Realističtější odhady dokonce mluví o pouhém zlomku procenta.

Jedna mrtvá buňka za 42 tisíc let

Tento podíl se podle modelu navíc i přes klesající koncentraci mikrobů dále snižuje s narůstající hloubkou. Zatímco celková energetická náročnost společenstev klesá s hloubkou asi o tři řády, energie získaná rozkladem nekromasy o celých pět řádů. Není se vlastně čemu divit. V sedimentech starých 75 milionů let umírá průměrně v jednom krychlovém centimetru hmoty pouhá jedna buňka za 42 tisíc let. To opravdu není vydatný zdroj energie!

Jediné "štěstí" jihopacifických mikrobů žijících pod dnem patrně spočívá v tom, že je jejich metabolismus tak pomalý a jejich koncentrace tak nízké, že nestačí vyčerpat všechen přítomný kyslík. I v těch nejhlubších vrstvách tak mohou rozkládat mrtvé buňky v okysličeném prostředí, a tedy poměrně efektivně.

Stabilní a zaručená energie

Celkově ale platí, že ve všech vrstvách získávají mikrobiální společenstva více energie rozkladem organického materiálu, který kdysi napadal shora a uložil se v sedimentech. Podle výpočtů mikrobi nevyčerpají tyto zásoby ani v geologických časových měřítkách. Vydatnějším zdrojem energie než nekromasa by v podobně šetřivém prostředí mohlo být dokonce i využívání vodíku vznikajícího vzácným rozštěpováním molekul vody. V hloubkách pod 18 metrů by tento způsob obživy mohl dokonce dominovat.

V globálním měřítku se podle modelu projevují srovnatelné trendy. Bohatší oblasti by mohly hostit více mikrobů a nekromasa by v nich mohla představovat o něco výraznější zdroj obživy. Kvůli větší metabolické aktivitě zde ale zase klesá koncentrace kyslíku, takže se mikrobi při rozkladu organické hmoty musí uchylovat k alternativním a méně energeticky výhodným metabolickým drahám. I globálně navíc klesá potenciál nekromasy pro obživu s hloubkou sedimentu.

Nekromasa očividně není hlavním energetickým zdrojem hlubokomořských mikrobů. Vlastně by to ani nebylo možné. I při zcela bezztrátovém fungování by na podobném základu bez přísunu dalších živin mikrobi mohli maximálně udržovat své populace. Důležitost nekromasy spočívá v něčem jiném.

Podle počítačového modelu sice její rozklad dodává mikrobiálním společenstvům jen zlomek celkové energie, zároveň se ale jedná o energii stabilní a zaručenou. Jedna jediná mrtvá bakteriální buňka uživí za přítomnosti kyslíku po jeden rok až 92 mikrobů. Pokud mrtvou buňku využívá jen jedna bakterie nebo archea, může jí vystačit na celé dekády či v případě opravdu šetřivého metabolismu až tisíciletí. Bez kyslíku se výtěžnost snižuje asi čtyřnásobně, i tak ale může být využívání bakteriálních "mrtvolek" velmi výhodné.

Bez dalších zdrojů sice populace mikrobů nemohou růst, po tisíce, statisíce a miliony let jim ale nekromasa může stačit na pomalý údržbový mechanismus. I když by na povrchu Země právě teď s lusknutím prstů vymřel všechen život, díky nekromase mohou mikrobi hlubokomořských usazenin přečkat celá geologická období.

Nekromasa tak mohla hrát důležitou roli v počátečních etapách života na Zemi, kdy byl povrch značně nehostinný a jeho podmínky se měnily každým okamžikem. Mrtvý organický materiál také dost možná představuje poslední útočiště pro mikroby (nebo jejich obdoby) na planetách, jejichž podmínky nejsou pro život tak výhodné jako ty pozemské. Díky němu mohou přežívat a čekat na možné zlepšení. Pokud by Země se svou environmentální stabilitou a příhodností pro život představovala světlou vesmírnou výjimku, nekromasa by mohla představovat nejčastější útočiště mimozemského života vůbec.

Zdroj: Bradley JA, Amend JP & LaRowe DE (2018): Necromass as a limited source of energy for microorganisms in marine sediments. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 123.

Tagy: bakterie mikroorganismy věda a poznání