Обитатели земных глубин. О самых странных существах на планете - Карен Ллойд

И все же вода в смертоносном озере на вулкане Поас, куда я опустила свой pH-метр, кишела микробами, и им там, судя по всему, было очень хорошо. Как микробы умудряются выживать почти в чистой кислоте? Вообще говоря, у них для этого есть две возможности. Первая – создавать такие биомолекулы, которые настроены на pH = 0,85 и нормально функционируют только в кислоте. В таком мире нити ДНК удерживались бы вместе за счет каких-нибудь новых типов связи, которые столь устойчивы к действию протонов, что разрушались бы при нейтральном значении pH. И действительно, есть удивительное направление органической химии, в рамках которого ученые пытаются создать новые биомолекулы, функционирующие в подобных жестких условиях. Однако на момент написания этих строк никто еще не обнаружил ничего подобного в реальном мире. Микробы, предпочитающие кислую среду, должны поддерживать внутри клеток более низкое значение pH, чем все остальные существа2, однако, судя по всему, это значение не опускается ниже 4,6.

Вторая возможность – победить кислоту. Для этого микробы перекрывают все поры, через которые протоны проникают в клетку. Ацидофилы (микроорганизмы, предпочитающие кислые среды) – своего рода танки. Благодаря специфическим липидам и очень мелким белковым порам на мембране в клетки проникает крайне скудное число протонов. Кроме того, в клетках ацидофилов содержатся буферные молекулы, связывающие все проникающие внутрь протоны. А с помощью запаса белков шаперонов клетки быстро осуществляют репарацию биомолекул, поврежденных проникшими внутрь протонами. Если этот подход срабатывает, микробы сохраняют внутри себя достаточно высокий уровень pH, чтобы биомолекулы не разрушались, и поддерживают градиент pH и электрического заряда на мембране.

Некоторые ацидофилы изобрели еще более мощные средства борьбы против кислоты. Они умеют обращать разность зарядов на своей мембране. У всех остальных форм жизни электрический заряд на внутренней стороне мембраны отрицательный, а на внешней – положительный. А вот некоторые ацидофилы поддерживают на внутренней стороне мембраны положительный заряд. Как им удается сохранять положительный заряд внутри, когда снаружи целая армия настойчивых положительно заряженных частиц готова в любой момент хлынуть через мембрану? Они создают положительный заряд без помощи протонов. В водном растворе многие химические элементы заряжены положительно: к примеру, калий, натрий, кальций или магний. Накапливая внутри клетки положительные заряды другого типа, микробы вооружаются этими градиентами, чтобы препятствовать проникновению протонов.

А какие-то ацидофилы и вовсе отказываются от использования протон-движущей силы. Поскольку протоны слишком трудно контролировать, их неудобно использовать для поддержания жизненно важных клеточных функций. Поэтому некоторые ацидофилы в качестве движущей силы для синтеза АТФ и реализации клеточных функций используют вместо градиента протонов градиент положительно заряженных ионов натрия. Вместо того чтобы пытаться испечь пирог с напалмом, они просто переходят на тесто. Конечно, им все равно приходится иметь дело с напалмом (они им окружены), но, по крайней мере, они не должны укрощать его ради своего жизнеобеспечения.

Это весьма эффективные меры, но обычно их недостаточно. Иногда микробам приходится спасаться, как матросам с тонущего корабля3. Они с сумасшедшей скоростью выбрасывают протоны из клетки с помощью транспортных белков. Каждая транспортная молекула расходует уйму энергии, и поэтому жизнь в вулканическом озере обходится дорого. К счастью, такая среда делает микробам щедрый подарок: химические реакции между восстановленной серой, извергнутой вулканом, и кислородом воздуха – настоящее лакомство. Они дают столько энергии, что клетки могут постоянно сбрасывать излишек протонов.

Забавно во всем этом то, что высокая кислотность среды поддерживается самими микробами. Окисляя вулканическую серу, они производят серную кислоту, которая и ставит их в трудное положение. Наверное, они поглядывают на людей, провоцирующих изменения климата, и качают головой: “Эх, дилетанты!..” Ведь эти крохи отравляют собственную среду обитания уже миллиарды лет.

Конечно, кислота – лишь одна угроза для жизни на дне вулкана. Еще ведь существует опасность, что вулкан в любой момент взорвется. И что же происходит с микробами при извержении? Об этом мы знаем гораздо меньше. Из понятных соображений люди стараются не ставить эксперименты внутри действующих вулканов. Гораздо безопаснее обрызгивать кислотой растущие в лаборатории культуры, чем спускаться в вулкан непосредственно перед извержением или сразу после него, чтобы посмотреть, как там себя чувствуют микробы. Однако два человека такие эксперименты проделали: Брайан Хайнек из Колорадского университета и Гильермо Альварадо из Университета Коста-Рики. Они достаточно часто на протяжении многих лет брали образцы на вулкане Поас и пытались понять, как микроорганизмы реагируют на извержения. Иногда они находили в вулканическом озере разнообразие микробов. Некоторые не были похожи на ацидофилов и, возможно, попадали в озеро во время дождя. В моих образцах содержался аналогичный набор микробов: некоторые были родственниками известных ацидофилов, а другие походили на туристов, случайно забредших в неблагополучный район города. А иногда Брайан и Гильермо обнаруживали, что в озере присутствует лишь один вид ацидофилов, вытеснивший всех остальных4. Наверное, стерилизующий эффект таких событий, как извержение вулкана, выражается в изменении условий обитания, так что этот микроорганизм получает преимущество и распространяется почти как чистая культура. На основании подобных результатов можно предположить, что состояние микробного сообщества в вулканических озерах меняется от богатого разнообразия до монокультуры после каждого извержения, оказывающего стерилизующее действие. Однако сама я не планирую проводить в вулкане много времени, чтобы проследить за сезонными изменениями.

Жизнь в отбеливателе

Если микробы способны выживать при очень низком pH, близком к нулю, что происходит на другом краю спектра: могут ли они существовать в щелочной среде, при очень высоком значении pH? Нам повезло, поскольку под поверхностью Земли есть места, которые позволяют ответить на этот вопрос. Грязевые вулканы (я упоминала о них в главе 1) называются вулканами, хотя, вообще говоря, выплевывают они не лаву или перегретый пар, а грязь и жидкость, и их извержения бывают спровоцированы не перемещениями расплавленной мантии, как в случае обычных вулканов. Обитатели многих грязевых вулканов сталкиваются с противоположной проблемой, нежели микробы из вулкана Поас. Они вынуждены справляться с очень высокими показателями pH.

Может показаться, что среды с таким уровнем pH, как в растворах чистящих средств, встречаются редко – в каких-то очень специфических геологических условиях. Однако планете безразлично, что мы с вами считаем нормой. Под поверхностью Земли среды с высоким уровнем pH – обычное дело, особенно если речь о первозданной планете. Сегодня среды с высоким pH распространены благодаря повсеместности серпентинизации – процесса, приводящего к образованию химических соединений, из которых хемолитоавтотрофы создают клеточную биомассу. Если хемолитоавтотрофы – это “растения” подземного мира, то серпентинизация – их “солнце”. Пожалуй, роль этого процесса для развития жизни даже