Под солнцем растения с помощью фотосинтеза производят кислород. Это известно всем со школы. Но что делать организмам под землёй, где светом и не пахнет? Оказывается, у некоторых клеток есть химический трюк для производства кислорода, который может поддерживать целые подземные экосистемы.
Ученые пришли к выводу, что в почве и горных породах, прямо под нашими ногами, находится обширная биосфера, объем которой почти вдвое превышает объем всех мировых океанов. Об этих подземных организмах, которые составляют большую часть микробной массы планеты и чье разнообразие может превышать разнообразие форм жизни на поверхности мало что известно. Исследователи предполагали, что многие из этих подземных миров представляют собой мертвые зоны с дефицитом кислорода, населенные только примитивными микробами, которые держат свой метаболизм на низком уровне и питаются следами питательных веществ. И чем глубже, чем больше истощаются эти ресурсы, тем подземная среда должна становиться всё более безжизненной.
В новом исследовании ученые представили доказательства, опровергающие эти предположения. В резервуарах с подземными водами на 200 метров ниже месторождений ископаемого топлива в Альберте, Канада, они обнаружили большое количество микробов, которые производят неожиданно большое количество кислорода даже в отсутствие света. Микробы генерируют и выделяют так много этого «тёмного кислорода», что это напоминает открытие масштабов кислорода, вырабатываемого тропическими лесами Амазонки.
Количество газа, диффундирующего из клеток, настолько велико, что он создает благоприятные условия для кислородзависимой жизни в окружающих грунтовых водах и слоях.
Прошлые исследования часто рассматривали механизмы, которые могли бы производить водород и некоторые другие жизненно важные молекулы для подземной жизни, но генерация кислородсодержащих молекул упускалась из виду, потому что кислород считался намертво привязанным к фотосинтезу и присутствию света.
Переполненные глубины
Собрав подземные воды из 95 колодцев по всей Альберте, исследователи приступили к базовой микроскопии. Они окрашивали микробные клетки в образцах подземных вод красителем нуклеиновой кислоты и использовали флуоресцентный микроскоп для их подсчета. С помощью радиодатирования органического вещества в образцах и проверки глубины, на которой они были собраны, исследователи смогли определить возраст подземных вод.
Их озадачила закономерность в числах. Обычно при исследовании отложений, например, под морским дном ученые обнаруживают, что количество микробных клеток уменьшается с глубиной: более старые, более глубокие образцы не могут поддерживать столько жизни, потому что они отрезаны от питательных веществ, вырабатываемых фотосинтезирующими растениями и водорослями у поверхности. Но оказалось, что более старые и глубокие подземные воды содержали даже больше клеток.
Затем исследователи начали изучать микробы в образцах, используя молекулярные инструменты, чтобы обнаружить их контрольные гены-маркеры. Многие из них были метаногенными археями — простыми одноклеточными микробами, производящими метан после потребления водорода и углерода, просачивающихся из горных пород или разлагающихся органических веществ. Также присутствовало много бактерий, питающихся метаном или минералами в воде.
Однако оказалось, что многие из бактерий были аэробами — микробами, которым требуется кислород для переваривания метана и других соединений. Как могли аэробы процветать в грунтовых водах, в которых не должно быть кислорода? Тем не менее химические анализы обнаружили много растворенного кислорода и в пробах подземных вод на глубине 200 метров.
Сначала учёные решили, что образцы были испорчены. Однако, содержание растворенного кислорода оказалось одинаковым в сотнях образцов. Но тогда откуда же этот кислород взялся?
Кислород для всех
Теоретически растворенный кислород в грунтовых водах мог образоваться в результате деятельности растений, микробов или геологических процессов. Чтобы найти ответ, исследователи обратились к масс-спектрометрии, методу, который может измерять массу атомных изотопов. Как правило, атомы кислорода из геологических источников тяжелее кислорода из биологических источников. Кислород в грунтовых водах был светлым, что означало, что он должен исходить от живого существа. Наиболее вероятными кандидатами были микробы.
Исследователи секвенировали геномы всего сообщества микробов в подземных водах и отследили биохимические пути и реакции, которые, скорее всего, приведут к образованию кислорода. Ответы постоянно указывали на открытие, сделанное более десяти лет назад Марком Строусом из Университета Калгари. Он заметил, что тип питающихся метаном бактерий, часто встречающийся в озерных отложениях и осадках сточных вод, ведет странный образ жизни. Вместо того чтобы поглощать кислород из окружающей среды, как другие аэробы, бактерии создавали свой собственный кислород, используя ферменты для расщепления растворимых соединений, называемых нитритами. Бактерии использовали самостоятельно вырабатываемый кислород для расщепления метана и получения энергии.
Когда микробы разрушают соединения таким образом, это называется дисмутацией. До сих пор считалось, что это редко встречающийся в природе метод получения кислорода. Однако недавние лабораторные эксперименты с участием искусственных микробных сообществ показали, что кислород, образующийся в результате дисмутации, может просачиваться из клеток в окружающую среду на благо других кислородозависимых организмов в своего рода симбиотическом процессе.
Химия для жизни
Открытие заполняет важный пробел в нашем понимании того, как развивалась огромная подземная биосфера и как дисмутация способствует перемещению соединений в глобальной среде. Сама возможность того, что кислород присутствует в подземных водах, меняет наше представление о прошлом, настоящем и будущем недр.
Почва Марса, например, содержит перхлоратные соединения, которые некоторые земные микробы могут превращать в хлорид и кислород. На спутнике Юпитера Европе есть глубокий замерзший океан; солнечный свет может не проникать в него, но потенциально там, вместо фотосинтеза, может производиться кислород в результате микробной дисмутации. Ученые наблюдали выброс водяного пара с поверхности Энцелада, одного из спутников Сатурна. Шлейфы, вероятно, происходят из подземного океана жидкой воды. Если мы когда-нибудь найдем жизнь в других мирах, подобных этим, она может существовать за счёт дисмутации.