Обсерватория глубинного углерода
Международная кооперация ученых из 50 стран, известная под названием Обсерватория глубинного углерода, подвела первые итоги изучения жизни в глубоких слоях Земной коры. Оказалось, что подземная биосфера весьма богато населена жизнью. На сегодняшний день изучены керны (столбики извлеченной породы) из более чем 1200 скважин глубиной до 3 км, пробуренных в самых разных уголках Земного шара: от полярных областей суши до океанических донных отложений.
Всюду в образцах взятой породы были найдены микробные клетки. Эти живые организмы существуют в очень сложных условиях. По мере погружения вглубь Земной коры постепенно нарастает температура и давление. Также здесь отсутствует кислород и сюда не проникает солнечный свет. Последнее обстоятельство делает невозможным фотосинтез – основной механизм накопления органического вещества на поверхности.
Зомби-микробы размножаются 1 раз в 1000 лет и содержат в себе миллиарды тонн углерода
Так что глубинным микробам приходится выживать исключительно за счет химического синтеза органических веществ из минеральной породы. Дело это очень непростое и глубинная жизнь по нашим меркам весьма нетороплива. Ученые из Обсерватории глубинного углерода называют подповерхностную биосферу сферой зомби. Глубинные микробы почти не проявляют активности, редко двигаются, а размножаются (путем деления клеток) так и вовсе в лучшем случае 1 раз в тысячу лет.
У самой поверхности Земли, скажем до глубины 800 м, обилие микроорганизмов таково, что может соревноваться по общей массе с наземной биосферой. На глубине 2 км средняя плотность микробных клеток составляет всего 1 микроб на 1 кубический сантиметр. В пересчете на человеческую популяцию это выглядело бы так, что люди жили бы на расстоянии 640 км друг от друга. В среднем по Земному шару количество микробных клеток в толщах горных пород содержит биомассу составляющую от 10 до 20% от биомассы всех живых организмов, обитающих на поверхности Земли. Количество углерода связанного в микробных клетках подземной биосферы оценивается в промежутке от 15 до 23 миллиардов тонн.
Чем питаются микробы глубоко под землей?
Откуда микробы черпают энергию на километровой глубине в толще Земной коры во многом остается загадкой. Во многих подземных местообитаниях микробы изолированы в небольших «карманах» заполненных водой. За миллионы лет любая химическая энергия, заключенная в минералах должна была давно израсходоваться.
Наиболее правдоподобное объяснение может заключаться в радиоактивности. Дело в том, что в горной породе обычно содержится небольшое количество радиоактивного урана, период полураспада которого сопоставим с возрастом Земли. Когда атом урана распадается, выделяется альфа частица. Попадая в воду, альфа частица может разделить молекулу воды на кислород и водород, чего уже вполне достаточно для питания микроба. Учитывая неторопливость глубинной жизни, такого источника энергии может хватить для поддержания жизни на протяжении сотен миллионов лет.
Яркий представитель подземной биосферы – маленькая палочковидная бактерия, обнаруженная в заполненной жидкостью и газом трещине на глубине 2,8 км под поверхностью Земли в золотоносной шахте недалеко от Йоханнесбурга, Южная Африка.
Открытая в 2002 году бактерия получила поэтическое название Candidatus Desulforudis audaxviator. Название рода Desulforudis происходит от латинского «из серы» и «палочка», что указывает на его форму и способность получать энергию из сульфатов. Видовое название audaxviator означает «отважный путешественник» и позаимствовано из произведения Жюля Верна «Путешествие к Центру Земли», где главный герой Верна, профессор Отто Лиденброк расшифровывает послание на латыни, которое частично гласило: «Спустись, отважный путешественник, и достигни центра Земли».
Строго говоря, в 5600 литрах водной вытяжки из африканской шахты была обнаружена не колония бактериальных клеток, а набор цепочек ДНК, которые в лаборатории были секвенированы в один полный геном. Результаты анализа полученного генома позволяют говорить о том, что «отважный путешественник» является подвижным, спорообразующим, сульфатредуцирующим, хемоавтотрофным термофилом, который может фиксировать свой собственный азот и углерод с помощью механизмов, общих с археями (древнейшие одноклеточные организмы, выделяемые в обособленный домен или «царство»). Основным источником питания для бактерии служит водород, выделяемый в результате радиолиза воды.
В 2019 году вышла статья российских ученых, которым удалось выделить штамм Desulforudis audaxviator из водоносного горизонта глубиной 2 км в Западной Сибири и получить лабораторную культуру, в которой клетки бактерий делились каждые 28,5 часа. Томские ученые как следует изучили этот загадочный организм и выявили, что для питания он использует не только водород, но и различные доноры органических электронов для сульфатного дыхания. Таким образом, оказалось, что средний подземный организм, ведущий себя как типичное зомби в условиях недостатка биогенных элементов и источников энергии, при попадании в более благоприятную среду быстро адаптируется, резко ускоряет процессы обмена веществ и размножения.
Глубинная биосфера Земли дает надежду на поиски жизни за ее пределами
Недавнее исследование показало, что популяции Desulforudis audaxviator из Южной Африки, Северной Америки и Евразии претерпели лишь минимальную эволюцию с момента их физического разделения, которое вероятно произошло во времена распада Пангеи, где-то между 165 и 55 млн. лет назад. На основании этих данных можно судить о том, что реальные условия существования подземных микроорганизмов все же далеки от идеальной лабораторной обстановки.
Микробные популяции в глубинах Земли кажутся совершенно изолированными от вещественно-энергетических обменных процессов поверхностной биосферы. Это удивительное открытие дает надежду для экзобиологов найти жизнь за пределами планеты Земля. Ведь на многих телах Солнечной системы имеются все условия для существования глубинных зомби-микробов.
Источники:
- Dylan Chivian, Eoin L. Brodie, Eric J. Alm et al., Environmental Genomics Reveals a Single-Species Ecosystem Deep Within Earth. Science, 10 Oct 2008: Vol. 322, Issue 5899, pp. 275-278 DOI: 10.1126/science.1155495.
- Karnachuk, O.V., Frank, Y.A., Lukina, A.P. et al. Domestication of previously uncultivated Candidatus Desulforudis audaxviator from a deep aquifer in Siberia sheds light on its physiology and evolution. ISME J 13, 1947–1959 (2019). https://doi.org/10.1038/s41396-019-0402-3.
- Becraft, E.D., Lau Vetter, M.C.Y., Bezuidt, O.K.I. et al. Evolutionary stasis of a deep subsurface microbial lineage. ISME J (2021). https://doi.org/10.1038/s41396-021-00965-3.
