Как выглядел бы мир гигантских серных бактерий? Моё интервью изданию GazeteBilim

Гигантские серные бактерии — это крайне необычные организмы. ​Вы когда-нибудь задумывались, каким был бы мир, в котором они господствовали бы? Недавно я написал статью об этом гипотетическом сценарии, и мои коллеги из турецкого научного издания GazeteBilim попросили меня рассказать им некоторые дополнительные подробности. Здесь я представляю переведенную версию ​этого очень приятного интервью ​— с любезного разрешения моих турецких коллег

Георгий Куракин
Интервьюировала: Седеф Чакыр
Редакция GazeteBilim

Что такое гигантские серные бактерии и какой у них механизм пр��изводства энергии?

Сам вопрос ​​«Что такое гигантские серные бактерии?» ​​может вызвать настоящий спор. ​Когда я писал свою статью [1], я имел в виду представителей порядка ​​Thiotrichales. ​Одной из их отличительных особенностей является их гигантский размер (по прокариотическим меркам), сопоставимый с эукариотическими клетками и небольшими многоклеточными эукариотами. Они используют неорганические сульфиды в качестве основных питательных веществ и получают энергию от их окисления.

Однако через пару дней после публикации моей статьи [1] со мной связался Филип Мейсман, профессор биологического факультета Университета Антверпена. ​​Он поделился со мной своей статьей [2], в которой рассматриваются очень похожие бактерии. ​​Эти бактерии образуют длинные нити, как ​​Thiotrichales, и окисляют сульфид таким же образом. ​​Они также развили специализированные структуры, похожие на провода, для электрического соединения процессов окисления и восстановления на разных концах одной и той же нити [3]. Но они принадлежат к другой филогенетической группе: они образуют узкую кладу в семействе ​​Desulfobulbaceae ​​[4]. ​​Типовым видом этого семейства является ​​Desulfobulbus propionicus ​​— обычная одноклеточная бактерия. ​​Тот факт, что кабельные бактерии ​​Candidatus ​​Electrothrix и ​​Candidatus ​​Electronema являются её близкими родственниками, кажется удивительным. ​​Но ​Thiotrichales ​​демонстрируют аналогичное разнообразие морфологии и самих принципов строения.

Таким образом, я думаю, что гигантские серные бактерии не являются таксоном, это своеобразная форма жизни, встречающаяся среди бактерий, которые питаются сероводородом.

В своей статье [1] вы упоминаете, что сероводород обычно встречается только в глубоких слоях некоторых водоемов и достигает этих глубин либо через геологические источники (нефтяной газ, природный газ, вулканические газы), либо в результате разложения органического вещества. ​Напротив, кислород находится в верхних слоях, поскольку он диффундирует туда из атмосферы. ​Учитывая, что гигантским серным бактериям необходим доступ к обеим областям, какие стратегии они развивают для выживания?

Прежде всего, я должен уточнить один момент, который я опустил в своей статье [1] для простоты. ​Гигантские серные бактерии могут использовать в качестве окислителя не только кислород, но и нитрат. ​Это выглядит более экзотично, но ставит бактерии в те же сложные условия: сульфид и любой сильный окислитель всегда разделены в пространстве из-за их химической реактивности. ​В п��отивном случае они бы реагировали друг с другом без участия бактерий, абиотически. ​Окислитель и сульфид могут сосуществовать только в водоемах со стабильными химическими градиентами этих веществ.

Это и есть основная причина гигантских размеров серных бактерий. ​Гигантские серные бактерии находятся под постоянным давлением отбора, что заставляет их расти в длину, чтобы преодолевать пространство между скоплениями кислорода и сульфида. ​По этой причине гигантские серобактерии независимо возникали в разных таксонах как минимум дважды (в таксонах ​Thiotrichales ​и ​Desulfobulbaceae). ​Более того, некоторые бактерии из порядка Thiotrichales, вероятно, являются результатом конвергентной эволюции: они образуют длинные нити, но имеют совершенно иную структуру, что делает происхождение от гигантского общего предка крайне маловероятным. Например, недавно обнаруженная ​Thiomargarita magnifica ​образует длинные нити, как ​Beggiatoa, но ​Beggiatoa ​— многоклеточный организм, в то время как ​T. magnifica ​— это одна гигантская клетка. ​Более того, близкий родственник ​T. magnifica, называемый ​Thiomargarita namibiensis, существует, не вырастая в длину. Вместо этого он пассивно перемещается между зонами, богатыми сульфидами и окислителями, и накапливает внутри себя вещества, чтобы использовать их позже в другой зоне, буквально "задерживая дыхание" [5]. ​Подробных филогенетических исследований всех форм гигантских серных бактерий пока нет, но, похоже, эволюция постоянно создаёт гигантские серные бактерии из обычных бактерий. ​И это следствие особой среды, в которой они живут, где выживают только самые длинные.

Мы знаем, что эукариотические клетки вырабатывают энергию с помощью митохондрий. Однако у прокариотических клеток нет митохондрий. Как же прокариотические клетки вырабатывают энергию?

С технической точки зрения, для производства энергии не нужны митохондрии — достаточно мембраны, на которой создается протонный градиент. По сути, митохондрии выполняют именно эту функцию, создавая протонный градиент на своих внутренних мембранах и генерируя АТФ путём его контролируемого разряда через АТФ-синтазу. Тот же механизм используется подавляющим большинством прокариот, включая гигантские серные бактерии, за исключением того, что они используют свою клеточную мембрану для формирования градиента вместо внутренней мембраны м��тохондрий.

Поскольку митохондрии происходят от альфа-протеобактерий, их внутренние мембраны по сути аналогичны клеточным мембранам прокариот. Митохондрии позволяют эукариотическим клеткам становиться больше и мощнее — общая поверхность их внутренних мембран значительно превышает поверхность клеточной мембраны.

В своей статье вы отмечаете, что потребление энергии зависит от объема клетки, и когда бактерия увеличивается в размерах, ее энергопотребление также увеличивается. ​Однако гигантские серные бактерии чрезвычайно крупные и вытянутые. ​Как эти бактерии справляются с такой ситуацией?

Да, гигантские серные бактерии действительно находятся под постоянным давлением отбора, что объясняется простой математикой. ​Площадь поверхности пропорциональна квадрату линейных размеров, а объем клетки — кубу линейных размеров. ​Таким образом, когда бактерия увеличивается в длину (как в случае с гигантскими серными бактериями), её объём растёт быстрее, чем площадь поверхности мембраны. ​Однако количество доступных АТФ-синтаз прямо пропорционально площади мембраны. ​Это фундаментальный фактор, ограничивающий размер бактериальных клеток, и именно поэтому обычные бактериальные клетки такие маленькие. ​Гигантские серные бактерии (некоторые из которых видны невооруженным глазом) неизбежно сталкиваются с этим ограничением. ​И что они потенциально могут сделать?

Если прокариоту необходимо вырасти и преодолеть это ограничение, у него есть два возможных способа сделать это. ​Первый способ — стать многоклеточным. ​Каждая клетка останется маленькой, но их общее количество не ограничено, и из этих клеток можно построить нить любой длины. ​Я назвал эту стратегию «мультицеллюляризацией» — и это относится к ​бактериям Beggiatoa, ​Thioploca ​и кабельным бактериям.

Второй вариант — стать гигантской клеткой, внутри которой находится множество «мини-клеток» — небольших мембранных отсеков с АТФ на мембране. ​Это относится к эукариотам — наши мини-клетки называются митохондриями. ​Но не только эукариоты используют этот вариант — гигантская серная бактерия ​Thiomargarita magnifica, о которой я упоминал ранее, также полагается на этот лайфхак. ​И надо сказать, успешно полагается — это самый большой прокариот из известных нам.

Его «мини-клетки» представляют собой ​пепины ​— мембранные везикулы внутри клетки, которые содержат АТФ-синтазы на своей мембране и копии ДНК всего генома внутри них [6]. ​Таким образом, пепины одновременно заменяют митохондрии и выполняют роль ядра. ​Это может показаться странным, но это настолько похоже на эукариотические клетки, что я назвал эту вторую стратегию ​«эукариотизацией», а не просто ​«компартментализацией».

Оказалось, что среди гигантских серных бактерий неоднократно возникали различные и уникальные формы сложности, позволяющие преодолевать ограничения по размеру. ​Это дало мне основание для осторожного предположения, что гигантские серные бактерии могли бы в конечном итоге сформировать настоящие эукариотические клетки или эволюционировать в сложные многоклеточные организмы (или даже реализовать оба варианта!). ​В этом весьма гипотетическом сценарии они могли бы эволюционировать в настоящую сложную жизнь, подобную современным растениям, грибам и животным.

Давайте представим себе такой сценарий. Как бы выглядел "гигантский серный мир" с вашей точки зрения?

Здесь мы вступаем на зыбкую почву альтернативной эволюции, но я считаю её необходимой, чтобы представить эволюционный потенциал гигантских серных бактерий и понять их мир — даже реальный — как единое целое. Итак, давайте немного пофантазируем — именно это я и сделал в своей статье [1].

Наиболее очевидная структура, которая могла бы возникнуть из тонких нитей гигантских серных бактерий, напоминала бы мицелий, поэтому у нас есть хорошие шансы увидеть грибоподобные организм�� в этом «гигантском серном мире» (Рис. 1). Под микроскопом они бы продемонстрировали одну интересную особенность — внутри они содержали бы гранулы серы, как настоящие гигантские серные бактерии.

Вероятны и другие формы многоклеточной жизни — скорее всего, они были бы основаны на нитевидных структурах и были бы клональными (это означает, что весь организм развивается из одной клетки, как растения и животные развиваются из одной зиготы). Растения соответствуют этой модели, поэтому мы могли бы также увидеть леса из организмов, похожих на растения. Но они не фотосинтезировали бы, а вместо этого накапливали бы желтую элементную серу в процессе хемосинтеза (Рис. 2a,b). Представляете себе вечную золотую осень на всей планете?

Существуют и другие сложности, связанные с многоклеточностью — клональная многоклеточность с подвижными клетками (как у животных) и агрегативная многоклеточность (как у слизевиков). Но многоклеточность, подобная животной, необычна даже в нашем мире — она возникла лишь однажды, в то время как нитевидные клональные организмы, такие как слизевики, появлялись многократно. Некоторые биологи, специализирующиеся на изучении многоклеточности, даже называют появление многоклеточности "животного" типа эволюционным «черным лебедем» [7]. А от "чёрных лебедей" не застрахован ни один мир. Даже воображаемый «гигантский серный мир». По крайней мере, там ожидаемы неподвижные организмы, похожие на кораллы. С желтыми включениями серы, конечно (Рис. 3).

Наш мысленный эксперимент показывает, что в целом потенциал «гигантского серного мира» в плане эволюции сложных многоклеточных организмов мало отличается от нашего мира. Конечно, гигантские серные бактерии не эволюционировали в сложные многоклеточные организмы, поскольку сероводород на Земле встречается редко, а условия их обитания были слишком стабильными. Но если бы что-то на древней Земле пошло не так, наши гигантские серные аналоги сейчас бы готовили интервью о потенциальной возможности эндосимбиотического эукариогенеза в гигантском серном мире…

– Спасибо за уделённое время!

– Вам спасибо!

Литература

1. Куракин Г. (2025) Альтернативная эволюция: сложные формы жизни на основе гигантских серных бактерий. Биомолекула. URL: https://biomolecula.ru/articles/alternativnaia-evoliutsiia-slozhnye-formy-zhizni-na-osnove-gigantskikh-sernykh-bakterii

2. Meysman F. J. (2018) Cable bacteria take a new breath using long-distance electricity. Trends in Microbiology, 26(5), 411-422. https://doi.org/10.1016/j.tim.2017.10.011

3. Service R.F. (2025) Metal scaffolds turn bacteria into live wires. Science. https://doi.org/10.1126/science.zxf8htw

4. Trojan D., Schreiber L., Bjerg J. T., Bøggild A., Yang T., Kjeldsen K. U., Schramm A. (2016) A taxonomic framework for cable bacteria and proposal of the candidate genera Electrothrix and Electronema. Systematic and Applied Microbiology, 39(5), 297-306. https://doi.org/10.1016/j.syapm.2016.05.006

5. Schulz H. N. (2002) Thiomargarita namibiensis: Giant microbe holding its breath. ASM News, 68 , 122-127, https://doi.org/10.1128/AEM.68.11.5746-5749.2002

6. Volland J. M., Gonzalez-Rizzo S., Gros O., Tyml T., Ivanova N., Schulz F., Goudeau D., Elisabeth N. H., Nath N., Udwary D., Malmstrom R. R., Guidi-Rontani C., Bolte-Kluge S., Davies K. M., Jean M. R., Mansot J. L., Mouncey N. J., Angert E. R., Woyke T., Date S. V. (2022) A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles. Science, 376 , 1453-1458, https://doi.org/10.1126/science.abb3634

7. Ruiz-Trillo I., Kin K., Casacuberta E. (2023) The origin of metazoan multicellularity: a potential microbial black swan event. Annual Review of Microbiology, 77 (1), 499-516. https://doi.org/10.1146/annurev-micro-032421-120023

Примечания

Исходная версия интервью была опубликована в издании GazeteBilim. Для цитирования интервью нужно использовать следующую ссылку:

Gazetebilim.com.tr – (2026, Ocak 12). Dev kükürt bakterileri dünyası neye benzer? Gazetebilim.com.tr. 22.01.2026 tarihinde erişim adresi:https://gazetebilim.com.tr/dev-kukurt-bakterileri-dunyasi-neye-benzer/

Эта публикация является адаптированным переводом оригинального интервью на русский язык и распространяется с разрешения GazeteBilim. В рамках адаптации ссылки на некоторые материалы заменены ссылками на их русские переводы.