Ученые выявили ранее неизвестную клеточную структуру в микробах желудочно-кишечного тракта, которая, по-видимому, является основным источником выбросов метана у крупного рогатого скота и других жвачных животных. Это открытие, опубликованное в журнале Science, указывает на конкретный биологический механизм, который может предложить новые точечные стратегии для снижения углеродного следа в сельскохозяйственном секторе.
Скрытый завод в рубце
В центре внимания этого исследования находится рубец — первая камера желудка у жвачных животных, таких как коровы, овцы и козы. Эта «ферментационная ванна» является домом для сложной экосистемы микробов, расщепляющих растительную материю. Среди этих микробов есть одноклеточные простейшие, известные как жгутиконосцы (или инфузории), покрытые волосоподобными выростами.
Хотя жгутиконосцы составляют примерно 25% популяции микробов в рубце, их исторически было сложно изучать из-за сложной генетики и склонности обмениваться ДНК с другими организмами. Чтобы преодолеть эту трудность, команда китайских исследователей выделила отдельные клетки жгутиконосцев из 100 молочных коров, что позволило им расшифровать ДНК 65 видов жгутиконосцев, 45 из которых ранее никогда не анализировались генетически.
Эта работа привела к обнаружению новой органеллы (специализированного компартмента внутри клетки), названной водородосомой (hydrogenobody).
Как водородосомы питают производство метана
Значимость водородосомы заключается в ее функции: она производит водород. В рубце этот водород не просто улетучивается; он служит топливом для другой группы микробов, называемых архее, которые потребляют водород для производства метана — мощного парникового газа.
Ранее ученые знали, что выработка водорода стимулирует создание метана, но не могли точно определить, где именно в клетке жгутиконосца генерируется этот водород. Новое исследование подтверждает, что источником являются водородосомы. Эти структуры отличаются от других органелл, вырабатывающих энергию, таких как водородосомы или митохондрии, тем, что имеют только одну мембрану, а не двойную. Они группируются у основания цилий — пушистых выростов, которые дают этим микробам их название.
Исследователи обнаружили прямую корреляцию:
* Жгутиконосцы с большим количеством водородосом производят больше водорода.
* Больше водорода приводит к повышенной активности метаногенных архей.
* Следовательно, коровы с более высокой популяцией этих конкретных жгутиконосцев выделяют больше метана.
Точечное воздействие на микробы, а не на всю популяцию
Это открытие поднимает важные вопросы о том, как снизить выбросы метана, не нанося ущерба продуктивности скота. Предыдущие попытки полностью устранить жгутиконосцев из рубца привели к снижению выбросов метана, но также вызвали значительное падение надоев и производства мяса. Это предполагает, что хотя некоторые жгутиконосцы вредны для климатических целей, другие могут играть полезную роль в пищеварении и здоровье животных.
Новые данные позволяют применить более нюансированный подход. Исследование показывает, что жгутиконосцы семейства Vestibuliferida особенно «пушисты» (имеют много цилий) и содержат больше водородосом, что делает их основными участниками производства метана. В то же время, семейство Entodiniomorphida имеет меньше цилий и вносит меньший вклад в проблему.
«Знание физиологических различий между видами простейших может помочь в разработке методов лечения, чтобы истощить определенные виды для снижения выбросов метана без ущерба для производства молока и мяса», — объясняет Тодд Каллавей, микробиолог из Университета Джорджии.
Дальнейший путь
Хотя идентификация водородосомы является прорывом, практическое применение все еще находится далеко. Полное удаление жгутиконосцев требует экстремальных мер, таких как изоляция скота в герметичных хлевах и кормление стерилизованным фуражом, что экономически и логистически неосуществимо для большинства ферм.
Вместо этого будущие исследования, вероятно, будут сосредоточены на разработке вмешательств, которые специфически подавляют рост жгутиконосцев, производящих много метана, таких как Vestibuliferida, сохраняя при этом полезные виды. Как отмечает Каллавей, это открытие — «шаг первый из, вероятно, 25», но оно предоставляет необходимую биологическую карту, необходимую для навигации к более устойчивому животноводству.
В заключение, открытие водородосомы смещает фокус с общего подавления кишечных микробов на точечное воздействие на конкретные клеточные механизмы, ответственные за избыток метана, предлагая перспективный путь к более зеленому сельскому хозяйству.
