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

мы бы никогда не закончили работу. И поэтому единственные микробы, с которыми проведены добротные исследования, – это те, что растут быстро. Но теперь мы знаем о существовании гигантских ветвей, отходящих от самого основания древа жизни, представителей которых нам пока не удавалось вырастить в виде чистой культуры, поэтому, наверное, нам следует отказаться от идеи об универсальности быстрого роста микробов. Требования лабораторных экспериментов могли создать у нас ложное представление, будто большинство микробов на Земле растут быстро.

В частности, из опыта лабораторной работы мы знаем, что при отсутствии необходимых условий для роста многие микробы впадают в своеобразную спячку (например, перестают делиться, снижают скорость метаболизма или образуют эндоспоры), пока не смогут расти опять2. Зимой почвенные микроорганизмы ожидают потепления. Болезнетворные микробы, такие как возбудители туберкулеза, годами могут пребывать в наших телах в спящем состоянии, ожидая момента, когда наша иммунная система перестанет их атаковать3. Однако, как и о многом другом в микробиологии, о спящих микробах мы узнали благодаря изучению быстрорастущих клеток, у которых бывают временные периоды простоя. Если на Земле есть организмы, все время растущие очень медленно, наши современные методы получения информации не годятся для того, чтобы что-то о них узнать или чтобы понять, как заставить их осуществлять переход между состоянием медленного роста и полной его остановкой. Возможно, именно поэтому мы до сих пор их не замечали.

Доказательства сверхмедленного роста

Постепенно у нас накапливаются доказательства, что микробный мир может быть гораздо более медленным, чем мы думали. Уже давно известно, что увеличение времени инкубации природных образцов позволяет вырастить больше разных культур4. Культивируемые микроорганизмы, в изобилии присутствующие в морской воде, такие как Nitrosopumilus sp., Pelagibacter ubique или Prochlorococcus sp., удваиваются через сутки или больше, то есть один-единственный эксперимент с ними может продлиться больше месяца5. Некоторые организмы, живущие в морских отложениях, развиваются еще медленнее: период удвоения атрибактерий (Atribacteria) составляет пять дней, локиархей (Lokiarchaeota) – от четырнадцати до двадцати пяти дней, а некультивируемые представители архей Methanosarcinales, названные ANME-2, удваиваются каждые семь месяцев6. Эти культуры растут так медленно, что у нас нет возможности ставить на них эксперименты. И это лишь несколько примеров микробов, которых удалось вырастить в лаборатории. Быть может, существуют микроорганизмы, растущие еще медленнее. И о них мы совсем ничего не знаем.

Вообще, я рискну предположить, что медленный рост может быть важен и для обычных, быстрорастущих лабораторных культур, когда они находятся во внешней среде. Даже если какой-то вид в лабораторных условиях образует мощную популяцию всего за одну ночь, почти наверняка он не растет столь же быстро в своей естественной среде. Если бы микробы в природе росли хотя бы со скоростью самых медленных лабораторных культур, за несколько лет они бы удвоили массу планеты. Очевидно, что в состоянии медленного роста или при остановке роста они ведут себя иначе, чем когда плодятся со страшной скоростью в лаборатории. Даже E. coli растет помедленнее, когда находится в естественных условиях и заражает резервуары с питьевой водой. Быстрый рост – отклонение, даже для тех организмов, которые умеют быстро расти.

Подобные наблюдения заставляют нас творчески подойти к исследованиям микробов, долгие годы находящихся в спящем состоянии. Нам кажется, что они в это время ничего не делают. Аналогично и калифорнийское побережье можно считать постоянно движущимся массивом пород в геологических временных рамках, но в масштабе человеческой жизни оно сравнительно стабильно: на нем можно строить дома и оставить их внукам. Эти дома достаточно прочные и выдерживают периодические землетрясения, но им не устоять при перестройке участков земной коры, которые поворачиваются, уходят на глубину и вновь поднимаются на поверхность на протяжении нескольких миллионов лет. Чтобы рассуждать с точки зрения обитателей земных глубин, нам придется перейти к неудобному для нас временному масштабу.

Значение временного масштаба для биологических исследований по-настоящему открылось для меня в 2003 году, когда я бродила вокруг горячих источников Йеллоустонского национального парка. Я была студенткой и проходила обучение на летнем геобиологическом курсе от Университета Южной Калифорнии. Мы изучали микробов, живущих в кипящей воде, которая бьет из гигантской кальдеры, котловины вулканического происхождения. Присев на корточки у одного источника, я наблюдала, как паук скользит по этой смертельно опасной поверхности, танцуя на воде, которая меня точно бы убила. Я задумалась, нет ли на ногах у паука каких-то нечувствительных к теплу ворсинок, создающих охлаждающую прослойку между кипящей водой и его телом[50]. Или он движется так быстро, что каждая нога получает лишь небольшое количество тепла, прежде чем опять поднимется в прохладный воздух? Паук скакал как сумасшедший, поэтому я склонялась ко второй гипотезе.

Как раз в тот момент, когда я решила отринуть микробиологию и посвятить свою жизнь изучению этого удивительного паука, его странные подергивания замедлились. А потом он съежился и умер. Я чуть не рассмеялась в голос над собственным непониманием. Я увидела не паука с выдающимися способностями, а несчастное существо, гибнущее в горячем источнике. Дело в том, что моя шкала времени тут не подходила. Я решила, что те несколько минут, на протяжении которых я наблюдала за пауком, соответствовали его обычному способу существования. Возможно, если бы у меня не было времени, чтобы посидеть и спокойно понаблюдать, я бы просто на мгновение увидела скачущего паука (а на самом деле он боролся со смертью), и все. И только проследив за ним последние минуты его жизни, я поняла, как сильно ошибалась.

Давайте проведем более качественные наблюдения, чем я проделала в Йеллоустоне, и поговорим о морских отложениях в соответствующих временных рамках. В предыдущей главе я рассказала, что количество энергии, доступное для жизни микроорганизмов в глубоких слоях морских отложений, на много порядков ниже, чем то количество энергии, которое расходуется на поддержание лабораторных культур даже при отсутствии роста7. Соответствующая гипотеза предполагает, что вся популяция подземных микробов в большинстве илистых отложений во всем Мировом океане обновляется раз в несколько лет или десятилетий за счет замены поврежденных элементов, а не за счет создания новых клеток8. Одно это уже показывает, что такие микробы могут находиться в состоянии покоя сотни, тысячи или даже миллионы лет без роста и производства новых клеток. Однако вывод этот слишком радикальный, так что для его подтверждения нам нужны прямые доказательства.

Элизабет Трембат-Райхерт из Университета штата Аризона и Джули Хьюбер[51] из Океанографического института Вудс-Хоула отбирали жидкости с микробами, захороненными под трехсотметровым слоем твердых океанских отложений, с глубины четырех километров под