Темная сторона биосферы: какие организмы живут на глубине нескольких километров (11 фото)
Категория: Природа
24 ноября 2021
В 2009 году более тысячи ученых с всех концов планеты объединились в проект по исследованию глубинной биосферы Земли. Проект носит название Deep Carbon Observatory (DCO). Окончательный отчет ученых о результатах работы ожидается в конце 2019 года. Однако и предварительные результаты 10 лет работы впечатляют. Обнаруженные и исследованные экосистемы, которые существуют под поверхностью Земли, резко противоречат многим нашим представлениям о возможностях жизни.
Участники проекта приводят в пример архей Geogemma barossii, которые способны размножаться в кипятке геотермальных источников, при температуре выше 120 градусов. Бактерии, живущие на глубине более 5 км над сушей и более 2,5 км под морским дном. Показывают фотографии «дьявольских червей» Halicephalobus mephisto, обнаруженных в золотых приисках, на глубине более 3,6 километров
Halicephalobus mephisto
По подсчетам DCO, объемы подземных экосистем достигают 2-2,3 млрд куб. км. – это вдвое больше, чем объем Мирового океана. И здесь встречаются всех трех доменов жизни, включая многоклеточных эукариот. Эти организмы способны извлекать все необходимое для жизни из недр планеты – им не нужен ни солнечный свет, ни что-либо еще с поверхности Земли.
Жизнь организмов на планете подчиняется быстрым циклам и процессам – приливам и отливам, суточному и годовому вращению Земли и т.д. Однако «темная биосфера» живет в других масштабах времени, здесь все происходит намного медленнее, чем на поверхности. Одноклеточные, к примеру, могут жить тысячелетиями, не спеша вырабатывая и расходуя дефицитные ресурсы. И этих организмов очень много. И что самое главное, - они расширяют наши представления о границах доступного не только на Земле, но и на других планетах. «Окончательные пределы возможностей жизни в плане температуры, давления и извлечения энергии еще предстоит установить», — пишут ученые DCO.
Нефть и вода
Еще каких-то сто лет назад ученые были уверены, что жизнь существует только возле поверхности нашей планеты. И это было разумно, ведь солнечный свет и вода, которые находятся здесь в изобилии – основа жизни.
Первые признаки существования глубинной биосферы обнаружил микробиолог Фрэнк Грир. Он по просьбе геолога Эдсона Бастина пытался выяснить, с чем связано загрязнение нефти сероводородом и гидрокарбонатами. Тогда было известно, что эти вещества производят живые организмы. В частности, сероводород – побочный продукт деятельности сульфатредуцирующих бактерий, а гидрокарбонатами выводятся избытки угольной кислоты, образующихся в ходе окисления сахаров и получения энергии. Но в 1920-х годах, когда работали Григ и Бастин, никто и предположить не мог, что при давлениях и температурах, существующих на глубине нефтяных полей, какие-либо клетки в принципе способны выживать. Но ученым удалось доказать, что эти загрязнения имеют биогенную природу и производятся сульфатредуцирующими бактериями.
Керн, извлеченный учеными DCO с глубины 2,5 километра ниже океанского дна
Впоследствии изучения «темной» биосферы остановились, так как добывать образцы из глубин довольно сложно, а работать с ними еще сложнее. Даже аэробные бактерии, которые с трудом переносят кислород, в лаборатории культивировать трудно. А если некоторые организмы нуждаются в определенном давлении, температуре и особых, до сих пор не совсем понятных химических условиях, то вырастить их в лабораторных условиях и вовсе невозможно. Исследования подобных организмов-экстремофилов стали возможны лишь совсем недавно благодаря появлению техники и современным методам – секвенированию ДНК и генетическому анализу, масс-спектрометрии и т.д. Все это позволило ученым обнаруживать жизнь в образцах, которые извлекались нефтяниками и геологами. Да, сами клетки при этом погибают, но их ДНК и другие соединения можно изучить.
Начиная с середины 1980-х годов участники проекта Ocean Drilling Program пробурили около 2000 скважин под морским дном, и убедились, что до глубины минимум 500 метров клетки не просто присутствуют, но и процветают.
Исследовательское судно Ocean Drilling Program
По подсчетам микробиологов, их количество варьируется от 10 тысяч до 10 миллионов на грамм придонных пород. Для сравнения: в самых богатых почвах содержится около 1 миллиарда бактерий на грамм. Тогда же, в конце 80-х, и появились близкие к сегодняшним оценки масштабов глубинной биосферы, согласно которым на нее приходится около 95% всех прокариот (бактерий и архей) Земли. 55% обитает в нижних слоях океана и ниже морского дна и плюс 39% - под поверхностью материков.
Бессмертные
Энергетика привычной нам жизни опирается на два процесса. Фотосинтез использует солнечный свет, превращая воду и углекислый газ в молекулы сахаров и кислород. Затем сахара окисляются кислородом, выделяя энергию в ходе реакции брожения (с образованием спирта) или клеточного дыхания.
Нематода Poikilolaimus sp. на бактериальной биопленке. Найдена на глубине 1,4 км в шахте Копананг
Разумеется, на большой глубине оба этих процесса невозможны – нет ни света, ни кислорода. Но жизнь способна совершать те же самые процессы и без них. Более того, такие «альтернативные» реакции появились задолго до распространенных сегодня фотосинтеза и дыхания, когда поверхность Земли была более похожей на ее сегодняшние глубины.
Для замены кислорода используются другие соединения, которые способны выступать акцепторами электронов в окислительно-восстановительных реакциях: нитраты и нитриты, оксиды железа или сероводород. Сахар (донор электрона) может заменяться другими органическими соединениями, включая метан или молекулярный водород, который выделяется из недр. Такие реакции вполне способны обеспечить клетку энергией в отсутствие света и кислорода. А углерода, к которому можно приложить эту энергию для создания новых органических молекул, в недрах более чем достаточно – он почти весь накоплен в глубине земной коры.
Бактерии Candidatus Desulforudis audaxviator получают энергию, используя водород, получающийся при распаде молекул воды под действием радиации
Сообщества глубинных микробов способны образовывать сложные экосистемы, в которых каждый участник выполняет необходимую часть превращений – так же, как растения, животные и грибы сосуществуют в экосистемах на поверхности Земли. Но подземные экосистемы могут резко от них отличаться. К примеру, бактерии andidatus Desulforudis audaxviator являются уникальными «экосистемами-в-клетке». Они были найдены на глубине 2,8 километров в кислой воде золотых рудников Южной Африки. Температура здесь не падает ниже 60 градусов, кислорода почти нет, но микробы заменяют его сульфатом. Азот они получают из аммиака, углерод – из углекислого газа или солей муравьиной кислоты, проводя весь набор необходимых реакций – сами себе растения, животные и грибы. Да, такой метаболизм не так эффективен, как фотосинтез и кислородное дыхание – ведь неспроста практически вся жизнь на поверхности Земли перешла к этим реакциям.
Археи Altiarchaeales, добытые из горячих источников с глубины всего 30 метров. Но микробиологи уверены, что они способны обитать намного глубже. Их тонкие нити-отростки усыпаны крючками, которые позволяют намертво крепиться к породе
Недра не отличаются обилием ресурсов. Поэтому энергетический обмен сильно ограничен, а биохимические превращения медленны – по разным оценкам, они протекают от 10 тысяч до миллиона раз медленнее обычных для нас темпов. В теории, пределов времени существования отдельной клетки не существует, поэтому учеными предполагается, что подземные экосистемы могут развиваться сотнями или даже миллионами лет. Ведь условия на глубине меняются неспешно и не требуют быстрой адаптации, характерной для нашего «поверхностного» существования.
Космос
Если мы так мало знаем о глубинных экосистемах родной планеты, то какие сюрпризы нас ждут на других?
«Возникает вопрос, если уж жизнь на Земле может настолько отличаться от всего, что мы ожидали, то сколько же странного ждет нас в ходе поисков жизни в других мирах»? — говорит Роберт Хейзен (Robert Hazen) из Института Карнеги.
В самом деле, глубинная биосфера Земли серьезно расширяет представления о возможных пределах жизни. Некоторые организмы способны переносить колоссальное давление, которое, теоретически, должно замедлять протекание химических реакций. Они прекрасно себя чувствуют при 100 Мпа (что в тысячу раз больше атмосферы), а по некоторым данным, способны продолжать метаболизм даже при 1 Гпа – еще вдесятеро выше.
Аппараты, работавшие на Марсе, уже не раз фиксировали загадочные выбросы метана из-под поверхности Красной планеты. На Земле этот газ практически всегда связан с деятельностью человека, метаногенных бактерий и жизни в целом. Поэтому обнаружение метана заставляет задуматься о том, не сохранилась ли организмы-экстремофилы под ледяной и безжизненной поверхностью Марса. Именно эта гипотеза остается одной из самых главных интриг, которые толкают ученых готовить и посылать на Красную планету новые зонды.
