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

процессов. Водород – побочный продукт жизнедеятельности многих подземных организмов, так что он производится постоянно. И у него есть одно свойство, которого нет у всех остальных питательных веществ: он свободно входит в клетки и выходит из них, поскольку это очень маленькая незаряженная молекула. И поэтому микробы расхватывают его, как продукты на дегустации в супермаркете.

Сульфатредукторы – крупные микробы, и они могли бы просто забирать весь водород, заставляя конкурентов голодать. Но поскольку молекулы водорода маленькие и незаряженные, никто не умеет физически ограничивать их перемещение. Они плавают туда-сюда через клетки, как привидения проникают сквозь стены. Микробы не могут запасать водород. Но сульфатредукторы, как термодинамические лайфхакеры, прибегают к более хитрому трюку. Поскольку все организмы в их среде существуют вблизи абсолютного минимума энергии, им всем требуется примерно одинаковое количество общей энергии ΔG.

Однако сульфатредукторы исходно имеют большее значение ΔG0, чем все остальные, и поэтому могут играть со второй частью уравнения – RTlnQ. Никто – ни люди, ни сульфатредукторы – не в силах изменить R, T или ln, ведь R – это константа, T – температура, а ln – натуральный логарифм, математическая операция, просто кнопка на калькуляторе. Однако сульфатредукторы могут манипулировать показателем Q.

Для расчета Q мы перемножаем активности[45] всех продуктов и делим их на активности всех реагентов, возводя каждую активность в степень, равную числу раз, которое эти вещества встречаются в уравнении химической реакции. Сульфатредукторы не могут повлиять на R, T или функцию логарифма, но способны изменить активность химических веществ в среде. Они делают это за счет потребления этих веществ с определенной скоростью, чтобы поддерживать их в удобной для себя концентрации. Поскольку сульфатредукторы имеют высокое значение ΔG0, они достигают конкретной величины ΔG при более низком соотношении реагирующих веществ и продуктов реакции (Q), чем остальные микробы. Это значит, что при максимальной эффективности сульфатредукторов концентрация водорода может стать такой низкой, что для конкурентов значение ΔG окажется положительным. А как вы помните, энергию можно получить только в ходе реакции с отрицательным значением ΔG.

Иными словами, сульфатредукторы лишают своих конкурентов способности дышать, понижая концентрацию доступного водорода. Они не выедают его полностью: он нужен еще им самим, и его продолжают вырабатывать другие микробы[46]. Сульфатредукторы просто так сильно понижают концентрацию водорода, что для микробов с более низким значением ΔG0 математика становится невыгодной. Хотя конкуренты сульфатредукторов окружены необходимой для жизни пищей, они не могут ее есть, поскольку соотношение продуктов реакции и реагирующих веществ (Q) настолько низкое, что процесс дыхания не позволяет им получать достаточное количество энергии. Как потерпевший кораблекрушение моряк погибает от обезвоживания, хотя вокруг океан воды, так и эти микробы гибнут от голода, окруженные пищей. Сульфатредукторы выигрывают соревнование, поскольку доводят всю систему до своего предела термодинамических возможностей и сталкивают всех остальных с обрыва.

Но победа сульфатредукторов не окончательная. Ил и отложения, где происходят эти термодинамические баталии, образуются за счет медленного оседания частиц из рек и океанов на дно, под которым живут сульфатредукторы. В результате эти микробы постепенно отдаляются от источников сульфата, которым питаются. Поэтому у сульфатредукторов есть лишь несколько сотен или тысяч лет, чтобы праздновать победу. Когда не будет сульфата, сульфатредукторы не смогут дышать, концентрация водорода повысится, и этой возможностью воспользуются конкуренты.

Главные соперники сульфатредукторов – метаногены, то есть микробы, производящие метан. Когда сульфат заканчивается, эти ребята могут испускать метан сколько их душе угодно, пока есть достаточно водорода и другой простой еды вроде ацетата, формиата и метилированных соединений. И хотя хочется поболеть за аутсайдера, не следует забывать, что метан – опасный парниковый газ, так что метаногенез – не очень полезный процесс. К счастью, один положительный побочный эффект этого термодинамического соревнования заключается в том, что сульфатредукторы не допускают производства метана в неглубоких отложениях, откуда ему легче было бы попадать в поверхностные слои воды и в атмосферу.

Если учесть полезный эффект сульфатредукторов, ограничивающих выделение метана в атмосферу, возникает вопрос, где на Земле этим крохотным воякам достается больше всего энергии. И именно об этом может рассказать загадочная красная вода, разлив которой мы с Джой наблюдали во фьорде на Шпицбергене. Когда ярко-красное железо, очищенное льдом, осаждается на илистое дно фьорда, оно производит регенерацию сульфатов, химически окисляя сульфиды примерно с той же быстротой, с какой они образуются. Как за несколько лет продемонстрировал мой замечательный научный руководитель Бо Баркер Йоргенсен из Орхусского университета в Дании, в таких условиях во фьордах Шпицбергена сульфатредукторы не затрачивают на дыхание весь сульфат до его полного исчерпания, а бесплатно получают его назад. Как будто у них есть доступ к самозаполняющемуся холодильнику. Бо и его многочисленные студенты и постдоки на протяжении нескольких лет показывали, что, хотя в Арктике холодно и темно, тамошние подземные жители прекрасно существуют и заряжаются энергией, высвобождающейся в ходе реакции между железом и серой1,2. В результате метан в таких местах уходит в еще более глубокие слои отложений, чем обычно, подальше от атмосферы, и не имеет возможности усиливать климатические изменения, вызванные антропогенным влиянием.

Дыхание наоборот

Однако отложения на дне арктических фьордов одаривают энергией не всех. У микробов, свалившихся в термодинамическую пропасть под натиском победителей, дела идут не так хорошо. Но вспомним: обитатели земных недр отличаются от нас с вами. Они относятся к физике творчески. И некоторые из них получают энергию, производя дыхание в обратном направлении.

Позвольте мне подчеркнуть этот тезис. В земной коре есть места, где некоторые химические реакции, обычно дающие энергию для дыхания, когда протекают в прямом направлении, начинают идти в обратном направлении и тоже сопровождаются выделением энергии. Если живые организмы способны извлекать выгоду из таких перевертышей, они сумеют получать энергию, если будут “дышать наоборот”. Во внешнем мире аналогичных процессов не существует.

Как я рассказывала выше, сульфатредукторы могут так сильно понижать концентрацию водорода, что метаногенам не удается получать энергию за счет ΔG. Но иногда в определенных условиях сульфатредукторы снижают концентрацию водорода настолько сильно, что ΔG для метаногенеза может сменить знак с минуса на плюс, и это позволяет метаногенам получать энергию от дыхания в обратном направлении. В такой ситуации метаногены потребляют обычный продукт своей жизнедеятельности – метан – и используют его для производства своих обычных субстратов: водорода и диоксида углерода. Химические вещества, которые когда-то служили им пищей, становятся их отходами, и наоборот. Такое не может происходить во внешнем мире. Это как если бы вы свалились за борт корабля, но вместо