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

важнее роли нашего Солнца. Дело не в том, что он поддерживает рост такого же количества биомассы, как Солнце, – растения, безусловно, в этом соревновании выигрывают. Дело в том, что без серпентинизации в нашем мире, возможно, вообще никогда не было бы растений.

Серпентинизация происходит тогда, когда породы из верхнего слоя мантии и нижних слоев океанической коры выталкиваются наверх и оказываются на глубине не более десяти километров под поверхностью Земли, где они взаимодействуют с водой. В этой реакции образуются минералы лизардит и серпентинит (отсюда и термин). В результате серпентинизации все становится текучим, поэтому грязевые вулканы перемещаются и переносят химические вещества под поверхностью Земли. Однако для жизни важно скорее то, что в ходе этих реакций выделяется огромное количество водорода – а это почти универсальная пища для микробов. Кроме того, водород может взаимодействовать с диоксидом углерода с образованием метана и многих других органических молекул, которыми питаются различные микробы. Таким образом, серпентинизация обеспечивает все необходимое для жизни, а для нее самой требуются лишь вода, горные породы и умеренно повышенная температура. Этот процесс столь прост, что многие исследователи полагают: именно он стимулировал появление первых форм жизни на Земле5. Более того, он еще может быть источником жизни на других планетах, астероидах или спутниках планет.

Однако, хотя серпентинизация чрезвычайно полезна для жизни, у нее есть побочный эффект. В ходе этих химических реакций значение pH повышается до 10 или 12. Иными словами, серпентинизация действительно обеспечивает бесплатный шведский стол, но только залитый отбеливателем[35]. Впрочем, жизнь нашла способы с этим справляться. Борьба со щелочью в какой-то степени аналогична борьбе с кислотой. В щелочных условиях микробам не нужно строить преграды, чтобы избавляться от протонов, им нужно строить преграды, чтобы предотвратить их утечку6. Микробы постоянно закачивают протоны в клетку взамен ионов натрия, которые выкачивают наружу. Аналогично ацидофилам, алкалофилы (микробы, предпочитающие щелочные условия) вынуждены были согласиться, чтобы pH внутри их клеток был повышенным, больше 8.

В результате многие такие организмы оказываются не в состоянии жить при нейтральных значениях pH, ведь им пришлось приспособиться к иному образу жизни. Однако главная проблема таких клеток – получение энергии. Вспомним, что большинство форм жизни используют протон-движущую силу, специально выкачивая протоны из клетки для создания градиента. Но если вы живете при pH = 12, то выкачивание протонов из клеток наружу – проигрышный вариант. Поскольку среда в целом лишена протонов, как только вы выталкиваете протон наружу, он тут же исчезает в щелочи и уже никогда не вернется, не поможет синтезировать АТФ. Алкалофилы никак не могут создавать такой протонный градиент, который направляет выработку энергии в клетках большинства остальных обитателей Земли. Одно хитроумное решение заключается в том, чтобы построить внутренние мембраны, что позволяет алкалофилам закачивать протоны в контролируемое пространство. Но вот клетки без внутренних мембран вынуждены рассчитывать лишь на небольшое количество энергии от электрического градиента, возникающего при выкачивании ионов натрия. Хотя серпентинизация создает энергетически богатую среду, обитающие здесь микробы не чувствуют этого изобилия. Из-за высокого значения pH они не могут извлечь много энергии из всего того водорода, который при серпентинизации выделяется. Как будто у них в кишечнике завелся ленточный червь.

Впрочем, мы пока еще не очень хорошо понимаем, как микробы живут при высоком значении pH. Рассмотрим в качестве примера некультивируемый тип микроорганизмов NPL-UPA2, недавно обнаруженный в подземных источниках с чрезвычайно высоким значением pH, где происходит серпентинизация7. Этот организм напоминает гибрид бактерии и археи, и геном у него довольно странный. Пока мы не знаем, как он выживает при таком высоком pH. Поскольку этот микроб находится на другой ветви древа жизни, отдельно от всех известных культур, вероятно, он освоил какие-то новые, причудливые способы адаптации к подобным условиям – такие, о которых мы пока даже не догадываемся.

Еще больше гадостей

Кислота, щелочь и нестабильные условия – далеко не все факторы стресса при жизни в вулканах, будь они настоящие или грязевые. Тепло, соль, токсичные металлы, холод, обезвоживание, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение, давление – все это тоже мощные разрушители живых клеток. Для противостояния всем этим воздействиям микробы используют похожие методы борьбы, основанные на одном общем принципе: делай все, что можешь, чтобы удерживать вредные элементы вне клетки[36], а полезные – внутри, и учись переносить небольшой стресс, если не в силах избавиться от него полностью. И в отношении каждого стрессового фактора микробы показывают нам, что жизнь существует в гораздо, гораздо более разнообразных условиях, нежели способны переносить животные и растения.

Большинство наших знаний о том, как микробы выживают в неблагоприятной среде, получено из экспериментов с отдельными культурами, которые мы помещаем в соответствующие условия, наблюдая, что при этом происходит. Но что мы знаем об одновременном влиянии нескольких факторов? Суровые условия обитания обычно характеризуются сочетанием разных пагубных воздействий. Чтобы понять, как микробы переносят одновременное влияние нескольких стрессовых факторов, нужны дополнительные исследования. Кроме того, в природе микробы почти никогда не встречаются поодиночке. В обширном сообществе, состоящем из многих типов микробов с различными способностями, клеткам может быть легче противостоять влиянию давления, температуры, солености, металлов и кислоты одновременно. Возможно, появляются места, где им удается спрятаться, или механизмы взаимопомощи между членами сообщества, о которых мы пока ничего не знаем. Специализированные ферменты, которые помогают микроорганизмам выживать в неблагоприятных средах, уже давно находят применение в промышленности и биомедицине. Готова биться об заклад, что существуют еще ферменты, которые окажутся столь же полезны для человечества, как Taq-полимераза. Этот фермент из микробов, обитающих в горячих источниках, позволяет нам проводить многочисленные исследования с ДНК[37]. Если мы больше узнаем о том, как обитатели земных недр выживают в вулканах, мы сможем обнаружить сверхстойкие ферменты или поймем, как сконструировать микробов, способных выживать в неблагоприятных условиях. И в этом смысле изучение жизни внутри вулканов поможет сделать новый технологический прорыв.

Наличие адаптаций к экстремальным условиям наводит на мысль, что обитатели земных недр живут по другим законам, нежели все остальные существа. Их семейные ветви на древе жизни поднимаются из неизведанных глубин, которые оставались невидимыми для нас, пока мы не обнаружили их благодаря последним достижениям в секвенировании ДНК. Они прекрасно существуют в таких местах, где погибло бы большинство других организмов. И выживают на одних только горных породах и воде. Означает ли это, что они подрывают фундаментальные законы, на которых строятся наши представления о том, что такое живое существо?

Глава 6

Дышим