Как живут там, где почти никто не живет: темная сторона биосферы

В 2009 году более тысячи ученых из 34 стран мира объединились в международном проекте по исследованию «глубинной» биосферы Земли Deep Carbon Observatory (DCO). Окончательный отчет коллаборации ожидается до конца 2019-го, однако еще год назад участники DCO представили предварительные результаты своей работы. Предложенная учеными картина богатых экосистем, существующих глубоко в недрах Земли, резко противоречит многим нашим представлениям о возможностях жизни вообще.

Участники DCO приводят в пример архей Geogemma barossii, которые спокойно размножаются в кипятке горячих геотермальных источников, при температуре выше 120 °С. Упоминают бактерии, которые извлекаются с глубины более 5 км на суше и более 2,5 км ниже морского дна, там, где давление в сотни раз превышает атмосферное. Демонстрируют микрофотографии «дьявольских червей» Halicephalobus mephisto, найденных в золотых приисках, в породе на глубине более 3,6 км – возможно, самых глубоко живущих многоклеточных существ в мире.

По их подсчетам, «темная биосфера» может насчитывать порядка 10²⁹ клеток. Объемы «подземных» экосистем достигают 2-2,3 млрд куб. км, – вдвое больше, чем у Мирового океана, и здесь встречаются представители всех трех доменов жизни, включая многоклеточных эукариот. Многие из них вовсе не нуждаются ни в Солнце, ни вообще в чем-либо, происходящем снаружи. Они – «дети подземелья», способные извлекать все необходимое прямо из недр планеты.

У поверхности жизнь подчиняется быстрым циклам и процессам – приливам и отливам, суточному и годовому вращениям Земли и т.п. «Темная биосфера» живет на других, геологических масштабах времени, здесь все происходит намного медленнее, чем у нас. Одноклеточные могут жить тысячелетиями, не спеша вырабатывая и экономно расходуя дефицитные ресурсы. Однако «имя им легион» – их много, очень много, и они расширяют наши представления о границах доступного жизни не только на Земле, но и за ее пределами. «Окончательные пределы возможностей жизни в плане температуры, давления и извлечения энергии еще предстоит установить», – пишут ученые DCO.

Еще сто лет назад казалось, что жизнь сосредоточена исключительно возле поверхности Земли, где условия комфортны, в изобилии присутствуют вода и солнечный свет. Первые признаки существования «темной» биосферы заметил микробиолог Фрэнк Грир (Frank Greer), который по просьбе геолога Эдсона Бастина (Edson Bastin) пытался выяснить, с чем связано загрязнение нефти сероводородом и гидрокарбонатами.

Насколько тогда было известно, производить эти вещества должны живые организмы. В частности, сероводород выступает побочным продуктом деятельности сульфатредуцирующих бактерий, а с гидрокарбонатами выводятся избытки угольной кислоты, которая образуется в ходе окисления сахаров и получения энергии. Однако на рубеже 1920-х, когда работали Григ и Бастин, никто и подумать не мог, что при давлениях и температурах, существующих на глубине нефтяных полей какие-либо клетки вообще способны выживать. Тем не менее, ученым удалось показать, что эти загрязнения имеют биогенную природу и производятся сульфатредукторами.

В дальнейшем исследования «темной» биосферы остановились. Добывать образцы с большой глубины слишком сложно, а работать с ними еще сложнее. Даже обычные анаэробные, с трудом переносящие кислород микробы трудно культивировать в лаборатории. А уж если они нуждаются в высокой температуре и давлении, особых (часто не очень понятных) химических условиях, вырастить их зачастую вовсе невозможно. Широкие исследования подобных организмов-экстремофилов стали возможны лишь с появлением новых современных методов – секвенирования ДНК и генетического анализа, масс-спектрометрии и т.д.

Все это позволило микробиологам обнаруживать жизнь в образцах, которые извлекались нефтяниками и геологами: пусть сами клетки при извлечении погибают, их ДНК и некоторые другие соединения еще возможно исследовать. Так их удалось обнаружить в кернах, поднятых с морского дна в ходе проекта Ocean Drilling Program. Начиная с середины 1980-х его участники пробурили около 2000 скважин, а команда Джона Паркса (John Parkes) показала, что до глубины как минимум 500 метров ниже дна живые клетки не просто присутствуют, но и процветают.

По данным ученых, их количество варьирует в пределах от 10 тыс. до 10 млн на грамм придонных пород; для сравнения, в самых богатых почвах содержится порядка 1 млрд бактерий на грамм. Тогда же появились и близкие к современным оценки масштабов «теневой» биосферы, согласно которым на нее приходится около 95 процентов всех прокариот (бактерий и архей) Земли: 55 процентов живет в нижних слоях океана и ниже морского дна, плюс еще 39 процентов – под поверхностью материков. Там, где для знакомых нам «наземных» нет ни света, ни источников энергии.

Энергетика обычной жизни опирается на два ключевых процесса. Фотосинтез использует солнечный свет, превращая воду и углекислый газ в молекулы сахаров и кислород. Затем сахара окисляются тем же кислородом, выделяя энергию в ходе реакций брожения (с образованием спирта) или клеточного дыхания (с выделением углекислого газа). На большой глубине невозможно ни то, ни другое: ни света, ни кислорода здесь нет. Однако жизнь способна совершать аналогичные превращения и без них. Более того, такие «альтернативные» реакции появились намного раньше распространенных сегодня фотосинтеза и дыхания, когда поверхность Земли была куда более похожей на ее современные глубины.

Для замены кислорода возможно использовать другие соединения, способные выступать акцепторами электронов в окислительно-восстановительных реакциях: нитраты и нитриты, оксиды железа или сероводород. Донор электрона – сахар – может заменяться другими органическими соединениями, включая метан, или просто молекулярным водородом, который выделяется из недр. Такие реакции вполне способны обеспечить клетку энергией в отсутствие света и кислорода. А уж углерода, к которому можно приложить эту энергию для синтеза новых органических молекул, в недрах предостаточно: почти весь он накоплен в глубине земной коры.

Сообщества «глубинных» микробов способны образовывать сложные экосистемы, в которых каждый из участников выполняет свою часть необходимых превращений – так же, как растения, животные и грибы сосуществуют в экосистемах на поверхности планеты. Однако подземные экосистемы могут резко от них отличаться – например, бактерии Candidatus Desulforudis audaxviator являются уникальными «экосистемами-в-клетке». Они обнаружены на глубине 2,8 км, в кислой воде золотых рудников Южной Африки. Температура здесь не падает ниже 60 °C, 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 для жизни реакций – сами себе растения, животные и грибы.

Разумеется, этот метаболизм далеко не столь эффективен, как фотосинтез и кислородное дыхание, – недаром на поверхности большая часть организмов давно перешли к этим новым реакциям. Недра вообще не отличаются изобилием ресурсов. Поэтому энергетический обмен «глубинных» микробов сильно ограничен, а биохимические превращения неторопливы – они протекают, по разным оценкам, от 10 тыс. до миллиона раз медленнее обычных для нас темпов. Теоретически, пределов времени существования отдельной клетки нет, и считается, что подземные сообщества могут развиваться сотнями или даже миллионами лет. Условия на такой глубине меняются столь же неспешно, и не требуют быстрой адаптации, характерной для нашего «поверхностного» существования.

Из глубины – и в космос

«Возникает вопрос, – говорит Роберт Хейзен (Robert Hazen) из Института Карнеги, – 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»? В самом деле, «глубинная» биосфера нашей планеты существенно расширяет доступные жизни пределы. Ее представители переносят колоссальное давление, которое, теоретически, должно замедлять протекание химических реакций. Они прекрасно себя чувствуют даже при 100 МПа – в тысячу раз больше атмосферы, – и, по некоторым данным, способны продолжать метаболизм даже при 1 ГПа – еще вдесятеро выше.

Аппараты, работающие на Марсе, уже не раз фиксировали довольно загадочные выбросы метана из-под поверхности . На Земле этот газ почти всегда связан с деятельностью человека, метаногенных бактерий и вообще жизни. Поэтому обнаружение метана заставляет задуматься о том, не сохранились ли организмы-экстремофилы под ледяной и безжизненной поверхностью Красной планеты? Эта гипотеза остается одной из главных интриг, для решения которой готовятся к полету новые космические зонды.

Нам остается дождаться их полета – и новых красивых находок «глубинной обсерватории» DCO. Лишь стороннему глазу микробное население земных недр может показаться неинтересным и непривлекательным. Для специалиста они по-настоящему прекрасны: «Эти крошечные шарики и нити могли бы украсить новогоднюю елку не хуже дорогих игрушек Swarovski, – сказала Джесс Осубель (Jesse Ausubel) из Рокфеллеровского университета, одна из участниц DCO. – Но для чего природа сделала их такими прекрасными – там, где нет ни света, ни зеркал»?..