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Microbial genesis, life and death in glacial ice

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Abstract:

Arguments are given that terrestrial RNA and DNA may have originated in a frozen environment more than 4 billion years ago. Scenarios are developed for atmospheric transport of microbes onto glacial ice, their adaptation to subzero temperatures in the ice, and their incorporation into one of three habitats - liquid veins, mineral grain surfaces, or isolated inside 1 of the crystals that make up polycrystalline ice. The Arrhenius dependence of microbial metabolic rate on temperature is shown to match that required to repair damage owing to spontaneous DNA depurination and amino acid racemization. Even for the oldest glacial ice, microbial lifetime is shown not to be shortened by radiation damage from 238U, 232Th, or 40K in mineral dust in ice, by phage-induced lysis, or by penetrating cosmic radiation. Instead, death of those cells adapted to the hostile conditions in glacial ice is probably due to exhaustion of available nutrients. By contrast, in permafrost microbial death is more likely due to α-particle radiation damage from U and Th in the soil and rocks intermixed with ice. For residence times in ice longer than a million years, spore formers may be unable to compete in longevity with vegetative cells that are able to repair DNA damage via survival metabolism.

Des arguments en faveur de l’hypothèse voulant que l’ARN et l’ADN terrestres puissent provenir d’un environnement glacé il y a plus de 4 milliards d’année sont présentés. Des scénarios ont été développés quant au transport atmosphérique des microbes à la surface de la glace de l’ère glaciaire, à leur adaptation aux températures sous zéro de la glace et à leur incorporation dans un des trois habitats : les veines liquides, les surfaces des grains de minerai ou isolés à l’intérieur d’un des cristaux constituant la glace polycristalline. La dépendance d’Arrhenius du taux métabolique microbien envers la température correspond celle qui est requise pour réparer le dommage causé par la dépurination spontanée de l’ADN et par la racémisation des acides aminés. Même dans le cas de la glace de l’ère glaciaire la plus vieille, la longévité microbienne n’est pas diminuée par les dommages causés par la radiation du 238U, 232Th ou du 40K de la poussière de minerai de la glace, par la lyse induite par des phages ou par les radiations cosmiques pénétrantes. La mort de ces cellules adaptées aux conditions hostiles de la glace de l’ère glaciaire est plutôt due à l’épuisement des nutriments disponibles. Par contre, la mort des microbes du pergélisol est probablement due aux dommages causés par la radiation des particules alpha de l’U et du Th du sol et de la pierre mélangés à la glace. Si la période de séjour dans la glace est supérieure à un million d’années, il est possible que les cellules formant des spores puissent avoir été incapables d’être compétitives quant à la longévité avec les cellules végétatives qui sont capables de réparer les dommages à l’ADN via un métabolisme de survie.

Document Type: Research Article

Publication date: 2009-01-01

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  • Published since 1954, this monthly journal contains new research in the field of microbiology including applied microbiology and biotechnology; microbial structure and function; fungi and other eucaryotic protists; infection and immunity; microbial ecology; physiology, metabolism and enzymology; and virology, genetics, and molecular biology. It also publishes review articles and notes on an occasional basis, contributed by recognized scientists worldwide.
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