Гены микробов, живущих на глубине в целых 1,5 километра от поверхности, демонстрируют разделение на максималистский и минималистский образ жизни.
Лишенные света и питательных веществ, глубины Земли могут показаться слишком бесплодными, чтобы искать признаки жизни. Но на самом деле подземные микробные организмы составляют огромную часть биосферы нашей планеты. По общей расчетной биомассе они уступают только растениям.
Теперь заброшенный золотой рудник в Южной Дакоте позволяет глубже заглянуть в этот секретный мир погребённого биоразнообразия. В новом исследовании, опубликованном в журнале Environmental Microbiology, генетический анализ микробов, обитающих в шахте на глубине до 1,5 километров выявляет раскол в стратегиях выживания. Некоторые микробы имеют большие и громоздкие геномы, которые подготавливают их к перевариванию любого питательного вещества, которое может встретиться на их пути. Другие настолько генетически упрощены, что даже не в состоянии создавать некоторые фундаментальные строительные блоки жизни и вместо этого ищут их в чужих отбросах или живут в симбиозе с другими видами.
«Было просто здорово обнаружить такую полную дихотомию в стратегии выживания», — говорит Лили Момпер, консультант экологической и инженерной компании Expent и первый автор статьи. Она говорит, что аналогичные результаты были замечены и на нескольких других участках наблюдения за микробами глубокого залегания по всему миру. «Мы думаем, что это, вероятно, является стратегией для глубоких недр в целом», — добавляет она.
Жизнь, скрывающаяся глубоко в недрах Земли, может быть аналогом инопланетных существ, влачащих жалкое существование в других мирах; по сравнению с нашим милосердным шариком, любая другая планета или луна в Солнечной системе, которая предположительно могла бы содержать жизнь в том виде, в каком мы её знаем, предлагает гораздо менее гостеприимные условия на поверхности. Однако под этой суровой внешностью, несмотря на всепоглощающую тьму, организм будет защищен от опасных космических лучей и согрет геологическим теплом. Такие подземные ниши могут быть стартовым местом обитания любой жизни в других частях Солнечной системы, если не во всём космосе, поэтому выносливые микробы, сокрытые внутри нашей собственной планеты, представляют жизненно важный интерес для астробиологов. Если что-то сейчас обитает, например, на Марсе, то, скорее всего, оно обитает под его поверхностью и своим видом и поведением похоже на обитателей недр Земли.
«Микробы под ногами также имеют значение ближе к дому. Никто на самом деле не знает подробностей того, как углерод перемещается из атмосферы и водной среды в недра», — говорит Картик Анантараман, микробный эколог из Университета Висконсин-Мэдисон, который не был соавтором нового исследования, но чья лаборатория создала инструмент геномного профилирования, который использовался в исследовании. «Как микробы влияют на этот цикл? С какой скоростью переносится углерод?», — спрашивает Анантараман. Без ответов на эти вопросы детальное понимание углеродного цикла и его огромного влияния на климат и обитаемость Земли может оказаться невозможным.
Эти вопросы становятся особенно актуальными, учитывая, что люди надеются смягчить последствия изменения климата, закачивая углекислый газ обратно под землю — процесс, называемый секвестрацией углерода. «Многие из этих разговоров ведутся без понимания того факта, что микробы на самом деле живут под землей и могут быть заинтересованы во вмешательстве в эти процессы», — говорит Магдалена Осберн, старший автор нового исследования и геобиолог Северо-Западного университета.
Микробная обсерватория глубокого залегания, сеть глубоких скважин, расположенных на месте бывшего золотого рудника Хоумстейк в Блэк-Хиллз в Южной Дакоте — одно из немногих мест на Земле, где исследователи могут изучать эти глубокие сообщества в течение длительных периодов времени. «Таких глубоких скважин очень мало», — говорит Анантараман.
Шахта, закрытая в 2002 году, имеет глубину 2438 метров. С 2007 года это многопрофильная научная лаборатория под названием Сэнфордский подземный исследовательский центр, и сейчас она используется в основном физиками, изучающими нейтрино и ищущими частицы тёмной материи. Но, по словам Осберн, там есть еще один тип «тёмной материи»: микробы, которые никогда не культивировались в лаборатории. Они известны только по их генетическим обломкам, фрагментам и участкам ДНК, которые исследователи могут массово секвенировать из фильтрованных грунтовых вод и кропотливо реконструировать. Чтобы добыть эти драгоценные образцы, нужно спуститься глубоко в шахту в люльке из дерева и металла.
«Уши закладывает, и сначала становится очень холодно, но потом, когда ты спускаешься, становится очень жарко», — говорит Момпер. «Когда вы находитесь на такой глубине, температура находится в диапазоне 30 с лишним градусов по Цельсию. Лифт очень шаткий и в первый раз очень страшно».
Оказавшись на глубине, исследователи подключаются к пробуренным скважинам, чтобы получить доступ к заполненным жидкостью трещинам в породе, отфильтровывая по нескольку литров воды из каждой, чтобы получить тысячи и тысячи отдельных микробных клеток и их генов. В новом исследовании команда собрала образцы с глубин 244, 610, 1250 и 1478 метров и сравнила их с образцами, взятыми из близлежащего ручья на поверхности.
Затем исследователи вскрыли микробные клетки и одним махом секвенировали их генетический материал. Из этой смеси команда реконструировала полученные гены в геномы организмов, используя программное обеспечение, которое обнаруживало совпадения между отдельными последовательностями. Момпер говорит, что этот подход был чем-то похож на то, как если бы мы взяли полку с книгами, изорвали их в клочья, а затем восстановили из этих клочков.
«Этот метод выявил геномы никогда не виданные ранее, что указывает на множество новых видов, скрывающихся в недрах бывшего золотого рудника. Исследователи также обнаружили большое разнообразие организмов. «Нам сразу бросилось в глаза то, что они много чего делают», — говорит Осберн. — Метаболический потенциал этих организмов широк, поэтому существует огромный потенциал для повсеместного круговорота азота, серы и металлов».
Некоторые организмы были минималистами и имели гены лишь для нескольких очень специфических метаболических процессов. По словам Анантарамана, их неудивительно увидеть в таком бедном питательными веществами месте, как недра, потому что поддержание большого, энергоёмкого генома связано с метаболической нагрузкой. Ещё более удивительным, по его словам, было открытие второго класса организмов-максималистов. Эти организмы обладали способностью усваивать химические вещества, которых не было в их окружающей среде.
«Такая чрезмерная подготовка удивительна, поскольку поддержание такого количества генов, отвечающих за столь многие метаболические способности, требует затрат энергии», — говорит Осберн. Но «выживальщицкая» природа этих микробов может оказаться преимуществом в недрах земли. «Разломы открываются; разломы закрываются; идёт минерализация», — говорит она. — Многие из этих организмов просто готовы к любому попавшемуся источнику энергии».
Одним из преимуществ бывшей шахты Хоумстейк является то, что исследователи могут возвращаться сюда снова и снова, чтобы неоднократно брать пробы из одних и тех же скважин. По всему миру есть несколько других участков для долгосрочных наблюдений, где учёные брали образцы микробной темной материи, в том числе в Канаде, Швеции, Швейцарии и Финляндии. По словам Анантарамана, сложно провести достоверное сравнение между этими участками, поскольку они охватывают столь широкий спектр условий окружающей среды. Из-за этого сложно ответить на такие вопросы, как меняется ли микробное разнообразие с глубиной и если да, то каким образом.
Однако общая закономерность заключается в том, что на большинстве участков представлен широкий спектр жизни. Осберн и её команда сейчас занимаются секвенированием не только ДНК, но и РНК, молекулярного посредника между генами и белками. Изучение микробной РНК может выявить не только то, что микробы могут делать, говорит Осберн, но и то, что они делают в данный момент. Другой текущий проект — анализ подповерхностных биопленок — устойчивых скоплений микробов, защищенных слизистыми выделениями, с которыми мы чаще всего сталкиваемся в виде грязных отложений в туалетах и кухонных раковинах. Биопленки трудно изучать, говорит Осберн, но исследователям повезло: в декабре 2019 года они установили систему долгосрочной фильтрации в шахтной скважине и планировали забрать её через три-шесть месяцев. Вместо этого разразился COVID, и система фильтрации простаивала четыре года, прежде чем команда смогла вернуться, чтобы проверить её. Каким-то чудом она осталась невредимой.
«Это наше самое близкое приближение к тому, как выглядит биосфера in situ, основанная на биопленках», — говорит Осберн. «Организмы произвели огромное количество биомассы, и это выглядит совсем по-другому, и это меня очень радует».
Автор — Стефани Паппас (Stephanie Pappas) — независимый научный журналист. Она живет в Денвере, штат Колорадо.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК».
Вам также может быть интересно:
