Существа из подземного мира
Глубоко под дном океана, куда не проникает ни один луч света и где больше нет кислорода, существует странное царство теней: исследователи называют его «глубинной биосферой». Возможно, это даже одно из крупнейших мест обитания в мире. Древние крошечные существа протискиваются сквозь узкие поры и питаются камнем. Наши привычные представления о жизни переворачиваются с ног на голову.
"Кто мог представить в своих самых смелых мечтах, что под корой нашей земли есть настоящий океан - место обитания неведомых существ?" - писал 150 лет назад Жюль Верн в своем романе "Путешествие к центру Земли". Земля". Уильям Орси из Океанографического института Вудс-Хоул (WHOI), вероятно, согласится: «Там, внизу, огромная биосфера», - убежден биолог. Однако долгое время было неясно, активны ли вообще бактерии и археи, обнаруженные на больших глубинах. Живя в замедленной съемке, достигая невообразимого возраста и редко разделяясь, они часто кажутся скорее мертвыми, чем живыми. Теперь ясно: «Большинство клеток живы, но их метаболизм чрезвычайно медленный», - объясняет Аксель Шипперс из Федерального института наук о земле и природных ресурсов в Ганновере.
Обитатели подземного мира даже более активны, чем предполагалось ранее, что Орси и его коллеги сейчас продемонстрировали с помощью нового метода [1]: они исследовали информационную РНК (мРНК) - генетический материал, несущий информацию для построения белков на рибосомах, где они собираются. В отличие от ДНК, она относительно быстро разлагается - это означает, что генетический материал не может на самом деле происходить от давно умерших микробов, сохранившихся в осадке. Исследователи обнаружили во фрагментах РНК многочисленные последовательности с инструкциями по делению клеток. «Это первое свидетельство активного деления клеток в глубокой биосфере», - говорит Орси. В образцах со всех глубин они обнаружили признаки пролиферации, особенно там, где количество клеток было самым высоким. Таким образом, отложения здесь кажутся полными жизни, потому что количество обнаруженных клеток, вероятно, тесно связано с очень активным делением.
"Там внизу огромная биосфера."(Уильям Орси)
Параллельный мир, полный жизни
Всего несколько десятков лет назад, однако, никто бы этого не ожидал. Хотя клетки были обнаружены на ранних этапах бурения нефтяных скважин, считалось, что они представляют собой ископаемые останки. Только с началом Комплексной программы океанского бурения - международного бурового проекта, который осуществляется с 2003 года - жизнь в океанической коре и вышележащих слоях отложений стала систематически исследоваться. Если учесть, что около двух третей земной поверхности покрыто отложениями, то получается огромная, почти неисследованная среда обитания, наверное, одно из последних белых пятен в биологии.
Исследователи до сих пор находили золото на глубине до двух километров ниже морского дна. Остается неясным, когда жизнь наконец станет невозможной. «Самым важным ограничивающим фактором является температура - при температуре выше 130 градусов по Цельсию микробная жизнь невозможна, поскольку жизненно важные белки разрушаются», - объясняет Орси. Глубина, на которой достигается эта критическая температура, варьируется от места к месту. Исследователи под руководством Бо Баркера Йоргенсена из Института морской микробиологии им. Макса Планка в Бремене также обнаружили, что количество клеток быстро уменьшается с глубиной: уже на глубине 400 метров ниже морского дна была обнаружена лишь тысячная часть концентрации в верхних слоях отложений [2]…
Некоторые места обитания, вероятно, особенно подходят, например срединно-океанические хребты, изрешеченные многочисленными трещинами. Здесь в верхней части земной коры циркулирует обогащенная минералами вода: гигантский рассадник микробов. Катрина Эдвардс, геомикробиолог из Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе, с удивлением обнаружила, что концентрация бактерий в океанической коре в 1000 раз выше, чем в вышележащей воде [3]. Вдали от этих оазисов жизни условия жизни, вероятно, будут намного беднее, а вместе с ними и плотность микробной популяции. Это делает серьезные оценки доли микробов подземного мира в глобальной биомассе очень проблематичными. Йенс Каллмейер из Потсдамского университета подсчитал, что 30 процентов мировой микробной биомассы находится в глубинной биосфере [4]. Это значительно меньше, чем предполагалось ранее - микробиолог Уильям Уитмен из Университета Джорджии в Афинах даже подозревал более 75 процентов всех прокариот в глубинной биосфере [5]. Предыдущие оценки, однако, в основном основывались на кернах из богатых питательными веществами местообитаний.«Примерно половина океана крайне бедна питательными веществами. Таким образом, биомасса под океанским дном была явно завышена», - объясняет Каллмейер.
Бесплодная пища
В любом случае возникает вопрос, чем питаются существа в темном параллельном мире и как работает их метаболизм, ведь фотосинтез и дыхание клеток кислородом не работают. Однако в экстремальных условиях бактерии и археи выработали альтернативные метаболические пути: «Они «дышат» сульфатом», - объясняет Орси. Они также используют метан или нитраты для преобразования органического углерода, «неперевариваемого остатка», поступающего из верхних слоев воды и со временем достигшего области глубокой биосферы, покрытой отложениями. Микробам нужны тысячи лет, чтобы преобразовать этот трудно перевариваемый органический материал [6]. Они также очень экономны: их метаболизм до 10 000 раз медленнее, чем у их наземных родственников. В свою очередь, они достигают библейского возраста: некоторым клеткам может быть "образу" миллионы лет, предполагает Катрина Эдвардс. Существам подземного мира приходится экономить на своих скудных ресурсах. Высокая скорость размножения была бы контрпродуктивной, поэтому они делятся только каждые 100-1000 лет [7]. Предположительно, в глубинной биосфере в замедленной съемке происходит не только жизнь, но и эволюция новых видов. alt="
Однако другой процесс может раздвинуть границы микробной жизни еще дальше: «Океаническая кора испещрена узкими прожилками, по которым циркулирует вода. использовать для преобразования углекислого газа в органическое вещество», - говорит микробиолог Марк Левер из Орхусского университета [8]. Этот так называемый хемосинтез делает биотические сообщества в глубинах независимыми от солнечного света.«Чем глубже мы будем бурить, тем больше водорода останется единственным источником пищи», - соглашается Стивен Д'Ондт из Университета Род-Айленда. Он подозревает, что свою роль могла сыграть естественная радиоактивность: радиолиз расщепляет воду на ее компоненты, кислород и водород. «Мы находим жизнь везде, где есть источники энергии, которые можно использовать», - говорит его коллега Бо Баркер Йоргенсен.
Несмотря на нехватку энергии и питательных веществ, не все обитатели глубинной биосферы просто дремлют. Орси и его команда также обнаружили участки мРНК, содержащие инструкции по созданию жгутиков. Чем уже становились поры горных пород, тем реже становились эти гены. «Если есть достаточно места для движения, они тоже двигаются», - заключает Орси. Крошечные существа, активно делящиеся и плавающие по поровому пространству, - это переворачивает все прежние представления о глубинной биосфере с ног на голову.
"Они "дышат" сульфатом." (Уильям Орси)
Грибы царства теней
До сих пор ученые сосредоточились на бактериях и археях, т.е. сравнительно примитивных одноклеточных организмах без клеточного ядра. Однако последние исследования показывают, что эукариоты также живут там внизу: грибы, по-видимому, растут глубоко на дне океана. Исследователи под руководством Магнуса Иварссона из Шведского музея естественной истории неожиданно наткнулись на первую подсказку в кернах с Императорской подводной горы недалеко от Гавайев: они обнаружили в базальтовой породе на морском дне нитевидные структуры, которые могут быть гифами ископаемых грибов [9].]. «Присутствие грибов в базальте со дна океана опровергает нынешнее представление о глубинной биосфере. Считалось, что здесь могут процветать только бактерии и археи - это было ошибкой», - заключает Иварссон. Анализ рибосомной РНК в кернах, проведенный исследователями под руководством Уильяма Орси, подтверждает подозрение, что грибы являются частью биотических сообществ в глубинной биосфере [10].«До недавнего времени роль грибов полностью игнорировалась», - отмечает Орси. Похоже, что они не зависят от кислорода и, как подозревают биологи, питаются мертвым органическим материалом, ферментируя его - подобно плесени при приготовлении пива и хлеба. Иварссон предполагает, что некоторые из поганок живут в симбиозе с бактериями, в то время как другие могут питаться крошечными микробами.
Там внизу могли существовать даже животные: В глубоких слоях отложений исследователи под руководством Роберто Дановаро из Политехнического университета делле Марке в Анконе (Италия) обнаружили представителей малоизвестного типа животных Loricifera, которые в настоящее время классифицируются систематиками как принадлежащие к группе кожных животных (Ecdysozoa) подсчитаны: маленькие существа размером менее миллиметра прилипают к гранулам осадка и действительно проявляют мало жизнедеятельности. Но что особенно поразило Дановаро: «Кажется, они могут прожить всю жизнь без кислорода.«Это на самом деле уникально для животного мира. И в их клетках действительно нет даже митохондрий для аэробного клеточного дыхания - вместо этого у них есть так называемые гидрогеносомы, которые вырабатывают энергию с помощью сероводорода [11]». вероятно, еще больше сюрпризов ждет под морским дном. Могут быть многоклеточные организмы, такие как нематоды, но они еще не обнаружены современными методами», - соглашается Иварссон. В земной биосфере, глубоко в южноафриканском золотом руднике, такие черви подземного мира, по крайней мере, были обнаружены [12].
"Кажется, они могут прожить всю жизнь без кислорода" (Роберто Дановаро)
Исследователи лишь медленно открывают для себя огромное разнообразие видов в этом завораживающем призрачном мире. Для нее еще многое предстоит сделать: «Существующие знания о глубинной биосфере все еще умещаются на кончике булавки», - говорит Катрина Эдвардс. Микробиолог планирует устроить на морском дне своего рода микробную лабораторию. Цель состоит в том, чтобы исследовать, как микробы химически изменяют породу в ходе своего метаболизма. Уильям Орси также хочет более точно понять влияние крошечных существ на биогеохимические материальные циклы, потому что в конце концов они преобразуют огромное количество органического углерода в течение тысячелетий. «Самый животрепещущий вопрос для меня - как жизнь в глубинной биосфере связана с глобальным углеродным циклом». Акселя Шипперса также интересует биотехнологический потенциал экзотических существ: они могут быть источником новых антибиотиков или участвовать в производстве природного газа (метана).
"Наши знания о глубокой биосфере все еще умещаются на кончике булавки" (Катрина Эдвардс)
Происхождение микробов в глубинной биосфере до сих пор является предметом споров. «Вероятно, они были отрезаны от своих кузенов из верхнего мира тысячи или миллионы лет назад», - предполагает Орси. Точные семейные отношения пока не выяснены. Но уже есть смелый тезис: жизнь могла зародиться даже в скале внизу [13]. Тому есть некоторые свидетельства: во времена первобытной земли условия жизни здесь, в темных глубинах, были, вероятно, гораздо более благоприятными для жизни, чем на поверхности, которая подвергалась постоянному воздействию метеоритного града, извержений вулканов и космической радиации.. По мнению британского астробиолога Джека О'Мэлли Джеймса из Сент-Эндрюсского университета, такая ситуация может повториться: а именно, когда через несколько миллиардов лет Солнце расширится до красного гиганта и вся жизнь исчезнет с лица поверхностная глубинная биосфера, вероятно, самое последнее пристанище земной жизни - так сказать, ирония судьбы.