Чему микробы могут научить нас, как адаптироваться к изменению климата

Как в эпоху изменения климата жизнь будет развиваться в быстро меняющейся среде? Что еще более важно, смогут ли люди достаточно быстро адаптироваться? Эти вопросы волнуют многих, поскольку негативные последствия изменения климата, такие как аномальные погодные условия, повышение температуры, усиление штормов и наводнений, становятся все более очевидными. Изменение климата влияет на каждый живой организм на Земле, от людей до крошечных водорослей зооксантелл, обитающих в коралловых рифах.Тем не менее, это не первый раз, когда планета меняется — каким-то образом некоторые вирусы, бактерии и археи сохраняются в экстремальных и меняющихся условиях более 3 миллиардов лет.

«Для такой сложной проблемы, как изменение климата, нам нужно думать по-другому. Нам могут понадобиться новые подходы, новые инструменты и нестандартное мышление», — Артуро Касадевалл, доктор медицинских наук, председатель попечителей Академии.

С меньшими геномами и быстрыми циклами воспроизводства микроскопические формы жизни часто имеют большое преимущество перед более сложными организмами, когда дело доходит до адаптации к новым условиям, от глубоководных гидротермальных жерл до ледниковых льдов. Организмы, которые выживают в этих экстремальных условиях, часто способны осуществлять биохимические реакции — создавать или разрушать минералы, преобразовывать элементы из одной формы в другую и производить соединения — которые резко изменяют непосредственное окружение микроба и воздействуют на всю планету.

«Микробы живут на нашей планете миллиарды лет и пережили множество планетарных изменений», — сказала Джемма Регера, доктор философии, научный сотрудник Академии и главный редактор журнала. Прикладная и экологическая микробиология. «Что меня поражает, так это то, что микробы всегда находят способ адаптироваться. И несмотря на все изменения, которые мы вносим на нашу планету, микробы сохраняются и даже успевают расти».

В то время как некоторые микробы полезны для сдерживания изменения климата, выступая в качестве основных движущих сил циклов элементов (например, углерода, азота и фосфора) или потребляя парниковые газы, такие как метан и двуокись углерода, другие могут способствовать повышению уровня метана, двуокиси углерода или закиси азота в воздухе. окружение. Еще менее желательно то, что некоторые патогенные бактерии, грибки и вирусы находят способы процветать в новых средах при меняющихся климатических условиях.

Регера надеется, что уроки, извлеченные как из полезных, так и из вредных микробов, могут послужить надеждой на будущее.«Узнать о том, как они растут, очень важно, потому что коллективная деятельность этих микробов фактически преображает Землю», — сказала она. «Учась [у них], мы можем использовать эти действия для решения проблем устойчивого развития».

«В новом отчете коллоквиума Академии подтверждается, что в поисках решений проблемы изменения климата у людей появляются новые возможности использовать микробы в своих интересах», — сказал Нгуен К. Нгуен, доктор философии, директор Американской академии микробиологии, почетная руководящая группа и научный аналитический центр ASM.

Мы можем исследовать альтернативные источники топлива

Микробы умеют использовать различные соединения и методы в качестве источников энергии. Фактически, микробы ответственны за большую часть фотосинтеза на Земле, процесса, который удаляет углерод из атмосферы и генерирует кислород в качестве побочного продукта. Изучение хемоавтотрофов, которые используют метан и другие вредные парниковые газы в качестве источников энергии, может также дать представление о том, как человечество может имитировать эти процессы, чтобы найти альтернативные способы использования выбросов углерода.

Микроорганизмы используются для производства биотоплива, такого как биоэтанол, биодизель и метан, из побочных продуктов сельскохозяйственного и промышленного секторов. Благодаря технологии преобразования микробной энергии микроорганизмы преобразуют химическую энергию биомассы органических материалов в химическую энергию в виде этанола или водорода. Кроме того, микробы могут преобразовывать солнечную энергию в водород, который можно сжигать для получения электрической энергии или, в случае двигателей внутреннего сгорания, кинетической энергии для питания автомобиля.

Еще одна технология, относящаяся к преобразованию микробной энергии, — это микробный топливный элемент, биореактор, в котором бактерии преобразуют химическую энергию биомассы непосредственно в электрическую энергию. Например, ученые участвовали в многочисленных совместных проектах, в результате которых сахаромицеты церевисиае дрожжи, которые могут эффективно производить целлюлозный этанол.Точно так же исследования показали, что арктические водоросли, выращенные при низких температурах, используя только свет, углекислый газ и несколько минералов, могут быть расщеплены для производства биодизеля и биоэтанола для использования в качестве топлива во многих различных двигателях внутреннего сгорания. «Источники энергии, управляемые микробами, могут стать более экологичной и устойчивой альтернативой ископаемому топливу», — говорится в отчете Академии.

Мы можем использовать глобальный подход

Некоторые из наиболее распространенных болезнетворных микробов успешны, потому что они приспособились к процветанию при температуре тела человека или хозяина. По мере потепления климата районы, когда-то слишком холодные для существования этих микробов или их переносчиков, становятся подходящей альтернативой. Более теплая среда может также отбирать патогены, которые лучше выживают при нормальной и повышенной температуре тела, что затрудняет их выведение хозяином, как в случае с теплоадаптированными микроорганизмами. Кандида золотистый. Патогены животных и растений также могут быть разрушительными для диких животных или сельскохозяйственных культур, у которых отсутствует приобретенный иммунный ответ на чужеродные микробы. Например, вирус денге, возбудитель лихорадки денге, переносимой комарами болезни, обычно наблюдаемой только в тропических районах, наблюдался к северу от своего обычного ареала, в том числе в Соединенных Штатах. Точно так же экстремальные погодные явления, такие как ураганы, наводнения и лесные пожары, могут еще больше повлиять на распространение микробов, нарушая и перенося организмы, ранее спящие в почве или льду.

Изменения климата влияют на многие типы местообитаний и связанные с ними функции экосистем. Изменения сезонности привели к более частым и продолжительным явлениям «красного прилива» в прибрежных сообществах в летние месяцы, а также к увеличению зарегистрированных случаев вибриоза, вызванного морской бактерией. вибрион виды Чрезмерный рост цианобактерий, фотосинтезирующих бактерий, обитающих в теплой, богатой питательными веществами среде, включая пресноводные источники питьевой воды, приводит к концентрации токсинов, которые вредны для окружающей среды и людей.Даже в холодных ледниковых условиях повышенная микробная активность может вносить дополнительный вклад в петли обратной связи, которые улавливают солнечное излучение и способствуют усиленному росту микробов.

Мы можем работать вместе

Изменение климата еще больше влияет на сообщества и экосистемы, создавая условия, невыносимые для местных микробов. Коралловые рифы, которые являются важным источником пищи, дохода и защиты побережья для миллионов людей во всем мире, зависят от симбиотических микробных сообществ, частично состоящих из фотосинтезирующих водорослей. Кораллы, как правило, извергают своих симбионтов при повышении температуры и повышении кислотности океана, вызывая изменения в микробиоме кораллов, делая организм менее устойчивым к болезням и приводя к обесцвечиванию кораллов. Текущие исследования показывают, что пересадка симбионтов от более термостойких кораллов может передать термостойкость более уязвимым особям. Понимание факторов, которые делают микробиом одного коралла более устойчивым, чем другой, может дать ключ к спасению этих экосистем.

Почвенный микробиом является неотъемлемым фактором, определяющим влияние изменения климата на сельское хозяйство и обеспечение продовольствием растущего населения планеты. Микробы в почве разлагают разложившиеся органические вещества растений на топливо и углерод для нижней ризосферы, в которой корни многих растений получают необходимые питательные вещества. Продовольственная и сельскохозяйственная организация (ФАО) прогнозирует, что из-за деятельности человека и изменения климата эрозия почвы может привести к снижению урожайности сельскохозяйственных культур на 20-80%. Чтобы решить эту проблему, ученые используют естественную способность некоторых микробов улавливать углерод и изучают использование микробных вмешательств для регенерации почвы или повышения устойчивости растений. Например, при внесении в почву некоторые грибы могут помочь растениям повысить их засухоустойчивость, что важно во времена усиливающейся засушливости.Бактериальные обработки также смогли повысить устойчивость растений к тепловому стрессу за счет снижения количества активных форм кислорода, повышения иммунитета растений и оказания помощи при засушливом стрессе.

Покрытие семян является эффективным методом доставки многих полезных микробов и, как было показано, улучшает здоровье растений. Некоторые исследования показывают, что микробные симбионты растений могут адаптироваться к потеплению и давать растениям больше питательных веществ, поскольку растения увеличивают скорость фотосинтеза из-за повышения концентрации углерода (хотя и в ограниченной степени). Стимулирующие рост растений ризобактерии, азотфиксирующие бактерии и микоризные грибы являются ценными факторами изменения экосистемы и могут способствовать восстановлению деградированных земель.

Мы можем убрать за собой

Микробы играют важную роль в сельском хозяйстве и окружающей среде, разлагая органические отходы. На протяжении веков микробные сообщества очищали воду на очистных сооружениях. Недавние исследования показали, что эти способности к разложению распространяются на токсичные вещества, взрывчатые вещества и даже пластмассы. Многие микробы обладают схожими способностями «фиксировать» углерод или азот, превращая непригодные вещества в пригодную для использования форму.

Океан и почва, являющиеся домом для обширных микробных сообществ, не случайно являются местом, где происходит большинство преобразований углерода на Земле. Зоны с низким содержанием кислорода в океане населяют производящие метан археи, которые генерируют энергию, превращая метан и сульфат в карбонат и сульфид. Другие анаэробные микробы в окружающей среде потребляют большую часть этого метана, препятствуя его попаданию в атмосферу. На суше ученые из Великобритании недавно разработали способ преобразования атмосферного CO₂ используя спроектированный кишечная палочка. Аналогичным образом, исследование, проведенное после разлива нефти на платформе Deepwater Horizon, показало многообещающий потенциал микробных сообществ, поедающих нефть, для разложения сложной углеводородной смеси нефти.

Климатическое будущее

Многие специалисты, работающие с микробами, разделяют схожую точку зрения: независимо от того, как меняется климат, микробы почти гарантированно адаптируются, чтобы выжить. Хотя люди не обладают такими же возможностями, как микробы, в отношении физиологии, скорости размножения и приспособляемости, общество может учиться на их примере и адаптироваться к изменяющейся среде. Научное сообщество работает над тем, чтобы понять методы выживания и адаптации микробов, чтобы подготовить всю жизнь на планете к неизбежным последствиям изменения климата.

В течение следующих 5 лет Академия сосредоточится на продвижении понимания взаимосвязи между микробами и изменением климата и создании научной основы для информирования политики в области изменения климата и рыночных инноваций. «Исчисление было изобретено по необходимости, чтобы помочь решить сложные физические проблемы и изменить нашу жизнь. Для такой сложной проблемы, как изменение климата, нам нужно думать по-другому. Нам могут понадобиться новые подходы, новые инструменты и нестандартное мышление», — сказал Артуро Касадеваль, доктор медицинских наук, председатель попечителей Академии и член руководящего комитета, организовавшего коллоквиум.

Науки о микробах могут дать ценную информацию в различных областях, где потребуется адаптация, от разработки альтернативных видов топлива до предотвращения распространения патогенов. «Работая вместе с микробами, люди могут научиться приспосабливаться к изменяющемуся климату и строить более здоровое, более устойчивое и устойчивое будущее», — говорится в отчете.

• Изменение климата
• Политик
• Исследователь
• Энергия и окружающая среда
• Статья
• Прикладная наука и наука об окружающей среде
• Экология, эволюция и биоразнообразие
• Адвокация