Обитатели земных глубин. О самых странных существах на планете: читать начало книги онлайн

Вот как это работает. Все живые клетки постоянно выталкивают протоны во внеклеточное пространство. В результате протоны накапливаются снаружи, нарушая химическое равновесие, что заставляет их стремиться обратно в клетку, которая вновь их изгоняет. Это электрохимическое давление называют протон-движущей силой. “Движущей” – по той причине, что при проникновении обратно в клетку протоны активируют белок АТФ-синтазу, который синтезирует для нас АТФ. АТФ обеспечивает энергию, необходимую для осуществления буквально всех внутриклеточных функций, это своего рода валюта клетки. Что бы клетка ни делала, она использует АТФ. Без АТФ гибнут и люди, и микробы. Но возвращающиеся в клетку протоны запускают не только синтез АТФ, но и работу некоторых клеточных элементов. Например, так называемые моторные белки, которые заставляют двигаться жгутики, за счет чего клетка плавает, работают непосредственно благодаря проникающим в клетку протонам. Использование градиента протонов позволяет жгутикам двигаться гораздо быстрее, чем если бы им пришлось дожидаться синтеза АТФ. Это как платить кредитной картой, вместо того чтобы идти в банкомат за наличными.

А протонный градиент – это фактически и есть градиент pH. Учитывая важную роль этого градиента для производства энергии, а следовательно, для жизни, клетка стремится к тому, чтобы ее внешнее окружение было более кислым, чем внутриклеточная среда. Жизнь затрачивает много энергии на поддержание градиента pH, чтобы все клеточные механизмы могли функционировать. И тогда возникает интересный вопрос. Может быть, клетки в кислых вулканических озерах прибегают к теневой экономике? Вдруг они получают энергию бесплатно, используя безграничный запас протонов, стремящихся ворваться в клетку, запустить белковые моторы и без затрат произвести АТФ? Но существует проблема. Если клетка никак не контролирует этот процесс, мощный градиент pH разрушит ее, как вода разрушает дамбу. Даже если вам хочется пить, струя воды из пожарного шланга может вас убить. Большинство клеток человеческого тела даже при нейтральном значении pH должны выбрасывать протоны наружу, но микробным клеткам в кислых вулканических озерах (при pH = 0,85!) еще сложнее защищаться от протонов, которые готовы нахлынуть, как приливная волна.

И все же вода в смертоносном озере на вулкане Поас, куда я опустила свой pH-метр, кишела микробами, и им там, судя по всему, было очень хорошо. Как микробы умудряются выживать почти в чистой кислоте? Вообще говоря, у них для этого есть две возможности. Первая – создавать такие биомолекулы, которые настроены на pH = 0,85 и нормально функционируют только в кислоте. В таком мире нити ДНК удерживались бы вместе за счет каких-нибудь новых типов связи, которые столь устойчивы к действию протонов, что разрушались бы при нейтральном значении pH. И действительно, есть удивительное направление органической химии, в рамках которого ученые пытаются создать новые биомолекулы, функционирующие в подобных жестких условиях. Однако на момент написания этих строк никто еще не обнаружил ничего подобного в реальном мире. Микробы, предпочитающие кислую среду, должны поддерживать внутри клеток более низкое значение pH, чем все остальные существа², однако, судя по всему, это значение не опускается ниже 4,6.

Вторая возможность – победить кислоту. Для этого микробы перекрывают все поры, через которые протоны проникают в клетку. Ацидофилы (микроорганизмы, предпочитающие кислые среды) – своего рода танки. Благодаря специфическим липидам и очень мелким белковым порам на мембране в клетки проникает крайне скудное число протонов. Кроме того, в клетках ацидофилов содержатся буферные молекулы, связывающие все проникающие внутрь протоны. А с помощью запаса белков шаперонов клетки быстро осуществляют репарацию биомолекул, поврежденных проникшими внутрь протонами. Если этот подход срабатывает, микробы сохраняют внутри себя достаточно высокий уровень pH, чтобы биомолекулы не разрушались, и поддерживают градиент pH и электрического заряда на мембране.

Некоторые ацидофилы изобрели еще более мощные средства борьбы против кислоты. Они умеют обращать разность зарядов на своей мембране. У всех остальных форм жизни электрический заряд на внутренней стороне мембраны отрицательный, а на внешней – положительный. А вот некоторые ацидофилы поддерживают на внутренней стороне мембраны положительный заряд. Как им удается сохранять положительный заряд внутри, когда снаружи целая армия настойчивых положительно заряженных частиц готова в любой момент хлынуть через мембрану? Они создают положительный заряд без помощи протонов. В водном растворе многие химические элементы заряжены положительно: к примеру, калий, натрий, кальций или магний. Накапливая внутри клетки положительные заряды другого типа, микробы вооружаются этими градиентами, чтобы препятствовать проникновению протонов.

А какие-то ацидофилы и вовсе отказываются от использования протон-движущей силы. Поскольку протоны слишком трудно контролировать, их неудобно использовать для поддержания жизненно важных клеточных функций. Поэтому некоторые ацидофилы в качестве движущей силы для синтеза АТФ и реализации клеточных функций используют вместо градиента протонов градиент положительно заряженных ионов натрия. Вместо того чтобы пытаться испечь пирог с напалмом, они просто переходят на тесто. Конечно, им все равно приходится иметь дело с напалмом (они им окружены), но, по крайней мере, они не должны укрощать его ради своего жизнеобеспечения.

Это весьма эффективные меры, но обычно их недостаточно. Иногда микробам приходится спасаться, как матросам с тонущего корабля³. Они с сумасшедшей скоростью выбрасывают протоны из клетки с помощью транспортных белков. Каждая транспортная молекула расходует уйму энергии, и поэтому жизнь в вулканическом озере обходится дорого. К счастью, такая среда делает микробам щедрый подарок: химические реакции между восстановленной серой, извергнутой вулканом, и кислородом воздуха – настоящее лакомство. Они дают столько энергии, что клетки могут постоянно сбрасывать излишек протонов.

Забавно во всем этом то, что высокая кислотность среды поддерживается самими микробами. Окисляя вулканическую серу, они производят серную кислоту, которая и ставит их в трудное положение. Наверное, они поглядывают на людей, провоцирующих изменения климата, и качают головой: “Эх, дилетанты!..” Ведь эти крохи отравляют собственную среду обитания уже миллиарды лет.

Конечно, кислота – лишь одна угроза для жизни на дне вулкана. Еще ведь существует опасность, что вулкан в любой момент взорвется. И что же происходит с микробами при извержении? Об этом мы знаем гораздо меньше. Из понятных соображений люди стараются не ставить эксперименты внутри действующих вулканов. Гораздо безопаснее обрызгивать кислотой растущие в лаборатории культуры, чем спускаться в вулкан непосредственно перед извержением или сразу после него, чтобы посмотреть, как там себя чувствуют микробы. Однако два человека такие эксперименты проделали: Брайан Хайнек из Колорадского университета и Гильермо Альварадо из Университета Коста-Рики. Они достаточно часто на протяжении многих лет брали образцы на вулкане Поас и пытались понять, как микроорганизмы реагируют на извержения. Иногда они находили в вулканическом озере разнообразие микробов. Некоторые не были похожи на ацидофилов и, возможно, попадали в озеро во время дождя. В моих образцах содержался аналогичный набор микробов: некоторые были родственниками известных ацидофилов, а другие походили на туристов, случайно забредших в неблагополучный район города. А иногда Брайан и Гильермо обнаруживали, что в озере присутствует лишь один вид ацидофилов, вытеснивший всех остальных⁴. Наверное, стерилизующий эффект таких событий, как извержение вулкана, выражается в изменении условий обитания, так что этот микроорганизм получает преимущество и распространяется почти как чистая культура. На основании подобных результатов можно предположить, что состояние микробного сообщества в вулканических озерах меняется от богатого разнообразия до монокультуры после каждого извержения, оказывающего стерилизующее действие. Однако сама я не планирую проводить в вулкане много времени, чтобы проследить за сезонными изменениями.

Жизнь в отбеливателе

Если микробы способны выживать при очень низком pH, близком к нулю, что происходит на другом краю спектра: могут ли они существовать в щелочной среде, при очень высоком значении pH? Нам повезло, поскольку под поверхностью Земли есть места, которые позволяют ответить на этот вопрос. Грязевые вулканы (я упоминала о них в главе 1) называются вулканами, хотя, вообще говоря, выплевывают они не лаву или перегретый пар, а грязь и жидкость, и их извержения бывают спровоцированы не перемещениями расплавленной мантии, как в случае обычных вулканов. Обитатели многих грязевых вулканов сталкиваются с противоположной проблемой, нежели микробы из вулкана Поас. Они вынуждены справляться с очень высокими показателями pH.

Может показаться, что среды с таким уровнем pH, как в растворах чистящих средств, встречаются редко – в каких-то очень специфических геологических условиях. Однако планете безразлично, что мы с вами считаем нормой. Под поверхностью Земли среды с высоким уровнем pH – обычное дело, особенно если речь о первозданной планете. Сегодня среды с высоким pH распространены благодаря повсеместности серпентинизации – процесса, приводящего к образованию химических соединений, из которых хемолитоавтотрофы создают клеточную биомассу. Если хемолитоавтотрофы – это “растения” подземного мира, то серпентинизация – их “солнце”. Пожалуй, роль этого процесса для развития жизни даже важнее роли нашего Солнца. Дело не в том, что он поддерживает рост такого же количества биомассы, как Солнце, – растения, безусловно, в этом соревновании выигрывают. Дело в том, что без серпентинизации в нашем мире, возможно, вообще никогда не было бы растений.

Серпентинизация происходит тогда, когда породы из верхнего слоя мантии и нижних слоев океанической коры выталкиваются наверх и оказываются на глубине не более десяти километров под поверхностью Земли, где они взаимодействуют с водой. В этой реакции образуются минералы лизардит и серпентинит (отсюда и термин). В результате серпентинизации все становится текучим, поэтому грязевые вулканы перемещаются и переносят химические вещества под поверхностью Земли. Однако для жизни важно скорее то, что в ходе этих реакций выделяется огромное количество водорода – а это почти универсальная пища для микробов. Кроме того, водород может взаимодействовать с диоксидом углерода с образованием метана и многих других органических молекул, которыми питаются различные микробы. Таким образом, серпентинизация обеспечивает все необходимое для жизни, а для нее самой требуются лишь вода, горные породы и умеренно повышенная температура. Этот процесс столь прост, что многие исследователи полагают: именно он стимулировал появление первых форм жизни на Земле⁵. Более того, он еще может быть источником жизни на других планетах, астероидах или спутниках планет.

Однако, хотя серпентинизация чрезвычайно полезна для жизни, у нее есть побочный эффект. В ходе этих химических реакций значение pH повышается до 10 или 12. Иными словами, серпентинизация действительно обеспечивает бесплатный шведский стол, но только залитый отбеливателем[35]. Впрочем, жизнь нашла способы с этим справляться. Борьба со щелочью в какой-то степени аналогична борьбе с кислотой. В щелочных условиях микробам не нужно строить преграды, чтобы избавляться от протонов, им нужно строить преграды, чтобы предотвратить их утечку⁶. Микробы постоянно закачивают протоны в клетку взамен ионов натрия, которые выкачивают наружу. Аналогично ацидофилам, алкалофилы (микробы, предпочитающие щелочные условия) вынуждены были согласиться, чтобы pH внутри их клеток был повышенным, больше 8.

В результате многие такие организмы оказываются не в состоянии жить при нейтральных значениях pH, ведь им пришлось приспособиться к иному образу жизни. Однако главная проблема таких клеток – получение энергии. Вспомним, что большинство форм жизни используют протон-движущую силу, специально выкачивая протоны из клетки для создания градиента. Но если вы живете при pH = 12, то выкачивание протонов из клеток наружу – проигрышный вариант. Поскольку среда в целом лишена протонов, как только вы выталкиваете протон наружу, он тут же исчезает в щелочи и уже никогда не вернется, не поможет синтезировать АТФ. Алкалофилы никак не могут создавать такой протонный градиент, который направляет выработку энергии в клетках большинства остальных обитателей Земли. Одно хитроумное решение заключается в том, чтобы построить внутренние мембраны, что позволяет алкалофилам закачивать протоны в контролируемое пространство. Но вот клетки без внутренних мембран вынуждены рассчитывать лишь на небольшое количество энергии от электрического градиента, возникающего при выкачивании ионов натрия. Хотя серпентинизация создает энергетически богатую среду, обитающие здесь микробы не чувствуют этого изобилия. Из-за высокого значения pH они не могут извлечь много энергии из всего того водорода, который при серпентинизации выделяется. Как будто у них в кишечнике завелся ленточный червь.

Впрочем, мы пока еще не очень хорошо понимаем, как микробы живут при высоком значении pH. Рассмотрим в качестве примера некультивируемый тип микроорганизмов NPL-UPA2, недавно обнаруженный в подземных источниках с чрезвычайно высоким значением pH, где происходит серпентинизация⁷. Этот организм напоминает гибрид бактерии и археи, и геном у него довольно странный. Пока мы не знаем, как он выживает при таком высоком pH. Поскольку этот микроб находится на другой ветви древа жизни, отдельно от всех известных культур, вероятно, он освоил какие-то новые, причудливые способы адаптации к подобным условиям – такие, о которых мы пока даже не догадываемся.

Еще больше гадостей

Кислота, щелочь и нестабильные условия – далеко не все факторы стресса при жизни в вулканах, будь они настоящие или грязевые. Тепло, соль, токсичные металлы, холод, обезвоживание, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение, давление – все это тоже мощные разрушители живых клеток. Для противостояния всем этим воздействиям микробы используют похожие методы борьбы, основанные на одном общем принципе: делай все, что можешь, чтобы удерживать вредные элементы вне клетки[36], а полезные – внутри, и учись переносить небольшой стресс, если не в силах избавиться от него полностью. И в отношении каждого стрессового фактора микробы показывают нам, что жизнь существует в гораздо, гораздо более разнообразных условиях, нежели способны переносить животные и растения.

Большинство наших знаний о том, как микробы выживают в неблагоприятной среде, получено из экспериментов с отдельными культурами, которые мы помещаем в соответствующие условия, наблюдая, что при этом происходит. Но что мы знаем об одновременном влиянии нескольких факторов? Суровые условия обитания обычно характеризуются сочетанием разных пагубных воздействий. Чтобы понять, как микробы переносят одновременное влияние нескольких стрессовых факторов, нужны дополнительные исследования. Кроме того, в природе микробы почти никогда не встречаются поодиночке. В обширном сообществе, состоящем из многих типов микробов с различными способностями, клеткам может быть легче противостоять влиянию давления, температуры, солености, металлов и кислоты одновременно. Возможно, появляются места, где им удается спрятаться, или механизмы взаимопомощи между членами сообщества, о которых мы пока ничего не знаем. Специализированные ферменты, которые помогают микроорганизмам выживать в неблагоприятных средах, уже давно находят применение в промышленности и биомедицине. Готова биться об заклад, что существуют еще ферменты, которые окажутся столь же полезны для человечества, как Taq-полимераза. Этот фермент из микробов, обитающих в горячих источниках, позволяет нам проводить многочисленные исследования с ДНК[37]. Если мы больше узнаем о том, как обитатели земных недр выживают в вулканах, мы сможем обнаружить сверхстойкие ферменты или поймем, как сконструировать микробов, способных выживать в неблагоприятных условиях. И в этом смысле изучение жизни внутри вулканов поможет сделать новый технологический прорыв.

Наличие адаптаций к экстремальным условиям наводит на мысль, что обитатели земных недр живут по другим законам, нежели все остальные существа. Их семейные ветви на древе жизни поднимаются из неизведанных глубин, которые оставались невидимыми для нас, пока мы не обнаружили их благодаря последним достижениям в секвенировании ДНК. Они прекрасно существуют в таких местах, где погибло бы большинство других организмов. И выживают на одних только горных породах и воде. Означает ли это, что они подрывают фундаментальные законы, на которых строятся наши представления о том, что такое живое существо?

Глава 6

Дышим минералами

К сожалению, биология не может похвастаться строгими законами. Нет такого уравнения, которое показало бы, кто выживет при извержении вулкана, а кто нет или почему у нас две руки, а не четыре. Когда какой-то организм оказывается в доминирующем положении в определенной среде, возникает искушение предположить, что у него идеальные характеристики, которые как раз и позволили ему преуспеть. Однако не исключено, что он, например, распространял токсичные вещества, уничтожившие более приспособленных микробов. Или ему просто очень повезло и его не смыло ливнем. Исходя только из основополагающих принципов, почти невозможно предсказать, каким путем экосистема перейдет из точки А в точку Б, поскольку в биологии существует великое множество способов для достижения одного и того же результата. Биология не очень законопослушна.

Вот пример, демонстрирующий невозможность глобальных обобщений. Когда в Тихом океане у северо-западного побережья США сократилась популяция лосося, ученые пришли к выводу, что причиной стало исчезновение водорослей, в которых живут молодые особи. Потом выяснилось, что водоросли исчезли из-за распространения морских ежей, которые поедают зачатки водорослей. Рост популяции ежей, в свою очередь, объяснялся уменьшением количества морских выдр, поскольку выдры питаются ежами. Поэтому, если вы хотите увеличить популяцию лосося в северо-западной части Тихого океана, нужно завезти туда морских выдр (кстати, они очень милые и всем нравятся). Беспроигрышный вариант.

Это важная научная работа, но она не позволяет сформулировать никаких универсальных законов. Если понадобится увеличить популяцию лосося у берегов штата Мэн, нам не удастся это сделать с помощью выдр, поскольку на восточном побережье США другая динамика взаимоотношений между водорослями, морскими ежами, морскими выдрами и лососем, нежели на северо-западном.

Но вдруг в биологии все же есть фундаментальные законы, просто мы недостаточно всматривались в детали, чтобы их разглядеть? Мы знаем, что жизнь неразрывно связана с энергией и активностью. Все организмы откуда-то получают энергию и используют ее для жизнедеятельности, которая изменяет их среду обитания. Связью между энергией и активностью занимается термодинамика. Может показаться, что если вы не физик, то вполне проживете и без термодинамики, однако же, если вас интересует истинная природа жизни, придется сдуть с термодинамики пыль и присмотреться к ней повнимательнее, поскольку она того заслуживает.

Если термодинамика в самом деле определяет законы живого, обитатели земных недр и экстремофилы – единственные существа на планете, способные показать нам, каковы же границы жизни. Обитатели земных глубин выхватывают крохотные частицы энергии, которые слишком малы для нас, а пища, откуда они эту энергию добывают, навевает мысли скорее о химической лаборатории, чем о ресторане. Они делают такие вещи, какие мы даже вообразить себе не можем. Они виртуозы, как знаменитая балерина Мисти Коупленд. Они обладают необходимыми дисциплиной, тонкостью и выносливостью, чтобы исполнять химические реакции, как дивные произведения искусства. Мы по сравнению с ними больше похожи на младенцев в подгузниках, которые подпрыгивают под музыку. Да, теоретически это можно назвать танцем, но профессионалам мы и в подметки не годимся.

Может показаться, что возможности обитателей земных недр вообще бесконечны (они процветают в глубоких темных подземельях и прекрасно чувствуют себя в кислоте), однако в соответствии с законами термодинамики у жизни должны быть пределы, и обитатели земных глубин – не исключение из правил. Но ведь все экстремальные среды, о каких я до сих пор рассказывала, кишмя кишат микробами! Где же на Земле границы, через которые не способны перейти эти, казалось бы, вездесущие организмы?

Есть ли места с такими жесткими условиями, где микробы не могут получать необходимого количества энергии? Давайте поищем обитателей земных недр в огненных и ядовитых вулканических газах.

Пика, Чили, 2022 год

Чилийский вулкан Иррупутунку отличается от вулкана Поас по нескольким показателям. В его кратере не озеро, а источники опасных газовых выбросов. А чтобы от безопасного туристического центра добраться до кратера для отбора газовых проб, нужно не спуститься вниз, а подняться на высоту 5163 метра, почти исключительно пешком. Однако оба этих вулкана объединяет нечто очень важное для наших поисков границ жизни: это чрезвычайно негостеприимная среда. По этой причине в одно прекрасное утро в марте 2022 года я вела грузовик недалеко от границы между Чили и Боливией, продвигаясь в сторону Иррупутунку.

[35] На самом деле функция отбеливателя как моющего средства для одежды или дезинфекции ванны в значительной степени основана на его мощном окислительном потенциале, а не на величине pH.

[36] Это не относится к теплу, холоду или давлению. Клетки не могут оградить свое внутреннее пространство от их влияния.

[37] Это основная ДНК-полимераза, которую используют для проведения ПЦР. – Прим. науч. ред.