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

Наше приключение, в ходе которого мы изучим эти организмы, я разобью на три части. В первой части книги я расскажу, что представляет собой этот подземный мир, как мы извлекаем из него живых существ и как можем “увидеть” эти микроскопические организмы с помощью секвенирования ДНК. Во второй части я объясню, как обитатели земных недр изменили наши представления об эволюционных связях между всеми живыми существами на планете, как они умудряются процветать в невообразимых условиях и как используют законы термодинамики[1] совсем иначе, нежели обитатели поверхности Земли. В третьей части я выдвину предположение, как эти существа изменяют наше понимание закономерностей жизни в разных временных рамках, позволяют по-новому взглянуть на происхождение жизни и, если мы грамотно поведем себя, помогут справиться с изменениями климата. Наконец, я попытаюсь предсказать, какой будет наша жизнь через тысячу лет, возможно, на других планетах, основываясь на новом расширенном понимании, достигнутом благодаря изучению обитателей земных глубин.

Путешествие, которое мы совершим в этой книге, полезно не только в интеллектуальном плане. Я хотела не просто рассказать, что мы узнали об этих новых формах жизни, но и описать, как были сделаны наши открытия. Для сбора образцов и для проведения исследований я отправлялась за обитателями земных недр в самые дальние точки планеты и хочу взять вас с собой на пустынное горное плато в Аргентине, в замерзшую арктическую тундру архипелага Шпицберген, на дно кратера действующего вулкана в Коста-Рике, к илистым берегам Северной Каролины, на дно океана.

Для изучения таких микроорганизмов приходится выполнять длительные лабораторные исследования образцов и компьютерный анализ полученных данных. Но также ползать на животе среди пауков и экскрементов летучих мышей, носить маску, защищаясь от токсичных паров, и неделями или месяцами жить в таких отдаленных местах, где проверяется на прочность человеческая физиология. Невероятные открытия, о которых я расскажу в этой книге, были бы невозможны без трудностей и побед полевых исследований. Так что натягивайте водолазный костюм и забирайтесь в “гроб”: мы отправляемся в путешествие в глубины Земли.

Часть I

Какова жизнь внутри Земли и как мы об этом узнали?

Глава 1

Живет ли кто-то в земной коре?

Логично предположить, что все существа, оказавшиеся внутри земной коры, вдали от солнечного света, отделенные от внешнего мира, будут обречены на гибель и исчезнут с лица земли. Мы так сильно зависим от солнца, что с трудом представляем себе жизнь на дне океана, не говоря уже о километровой глубине под поверхностью океанского дна. Но несмотря на удаленность, многие пространства нашей планеты действительно обитаемы, хотя находятся ниже доступных нам глубин и погребены под стометровыми слоями камней и отложений. Казалось бы, каждое несчастное маленькое существо, живущее в глубоком темном подземном пространстве, должно пытаться выбраться на поверхность в поисках животворящего солнечного света. Однако любой человек, который, как я, приближался к метановым источникам на дне океана, знает, что это совсем не так: там, в темноте, жизнь бьет ключом. В этой главе я расскажу, каким образом, вопреки нашим представлениям, глубокие темные уголки Земли могут быть удобным местом для жизни.

Жизнь в странных местах

“Хочется вылезти из грузовика и побегать вместе с ними?” – спросил меня геолог из Океанографического института Вудс-Хоула Питер Бэрри, заметив, что я прилипла к окну, пока мы, подпрыгивая, пробирались по пустынному и каменистому высокогорному аргентинскому плато. Единственными живыми существами, которых я видела, были викуньи – мелкие, похожие на лам животные, обитающие в Центральных Андах. Они бежали за нами на тоненьких ножках, пока мы пересекали плато между возвышавшимися башнями вулканов.

Я пробормотала “ага”, вяло размышляя, чем же викуньи тут питаются (за несколько дней я не увидела никакой растительности), как вдруг Питер резко остановил машину и одобрительно кивнул мне. Поняв намек, я выскочила из грузовика и понеслась рядом со стадом. Как и следовало ожидать, викуньи не оценили мою компанию и быстро исчезли из виду. Но я продолжала бежать. В тот знаменательный момент в моем поле зрения были только камни, вулканические горы, корки соли и грузовики, на которых ехали мои коллеги. Только так я могла выразить свой восторг от пребывания в столь удивительном месте, даже если этому празднику предстояло продолжаться недолго: на высоте около четырех тысяч метров воздух настолько разреженный, что становится трудно дышать. Кроме того, я прибыла в Аргентину из Теннесси не для того, чтобы гоняться за викуньями. Я была здесь из-за вулканов.

Если у вас, как и у меня, нет поблизости какого-нибудь вулкана, возможно, вы думаете, что вулканы – это полые конусы с расплавленной лавой, которая время от времени извергается, уничтожая города, как это было в Помпеях. Иногда это действительно так, и вулканы проявляют свою агрессивность, испуская огненные пары или выплевывая лаву. Но большинство вулканов, по крайней мере во временных рамках человеческой жизни, выглядят спокойными, маскируясь под обычные нагромождения камней. Однако не поддавайтесь обману. Земля под этими каменными насыпями движется. И когда горячая магма поднимается к земной поверхности и приходит в контакт с водой, создаются условия для бурных процессов. Магма нагревает воду, давление поднимается, и в конечном итоге вся система взрывается. Представьте, что вы ставите стеклянную бутылку кока-колы в горячую духовку: газ в бутылке расширяется под действием тепла, бутылка взрывается, и осколки разлетаются по всей кухне. Неподвижные скалы на остроконечных вулканических горах – это плотно завинченные крышки, и их может сорвать в любой момент.

Такие взрывоопасные насыпи камней – не самое подходящее место для жизни. Даже наиболее стойкие существа при соприкосновении с раскаленной лавой расплавятся, как пастила в микроволновке. Почему же мы с моими коллегами[2] из Южной Америки колесили по Аргентине в поисках жизни внутри вулканов? Никто не способен выжить в лаве или магме, но мы хотели понять, насколько близко жизнь может подойти к активному вулкану и сохраниться. Вулканы жестоки, но у их жестокости есть и обратная сторона: они выносят на поверхность питательные вещества из глубоких земных недр. Мы приехали в Аргентину, чтобы обнаружить формы жизни, заключенные глубоко под землей и способные существовать за счет этих питательных веществ.

Не буду мучить вас и сразу сообщу, что мы действительно нашли жизнь в аргентинских вулканах. Многочисленные формы жизни. Мы нашли миллионы и миллионы микробов – бактерий и архей, большинство из которых невидимы невооруженным глазом, причем многие из них ранее не были известны ученым. Возможно, вас удивляет, что вы ничего не слышали о нашем грандиозном открытии в новостных программах. Громкий заголовок “Ученые открыли новые формы жизни, подкармливаемые вулканами!” вполне соответствовал бы действительности. Отсутствие шумных восторгов объясняется тем, что открытия подобного масштаба стали теперь обычным делом. Мы не единственные, кто обнаружил подобных существ. Ежегодно буквально тысячи ученых выкапывают ранее неизвестных микробов. И такие микробы живут не только у вулканов. Повсюду на Земле (или в земле), где ученые ведут поиски, они находят новые формы микробной жизни.

В свете подобных открытий приходится признать, что мы на самом деле плохо представляем себе, какой бывает жизнь на Земле. И в прямом, и в переносном смысле мы ковырнули только самую поверхность. Что же мы обнаружим, если копнем немного глубже?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно определить, на какой именно глубине под поверхностью Земли начинается биосфера. Пока на сей счет нет единого мнения, и поэтому я придерживаюсь широкого определения: подземная биосфера охватывает любые пространства под поверхностью суши или океанского дна, куда обычно не поступает солнечный свет, но где может существовать жизнь[3]. И под такое определение подпадают многие реальные пространства: от грязи у нас под ногами до подземных пещер и отложений на океанском дне толщиной в десятки километров. Это могут быть твердые с виду скалы, на самом деле имеющие пористую структуру с мелкими полостями и трещинами, по которым просачивается вода, позволяя развиваться живым организмам; пещеры и шахты, через которые кислород с поверхности поступает к химическим соединениям в земных глубинах; глубоко залегающие базальтовые породы и геотермальные источники; ил и отложения, накопившиеся за миллионы лет. Часть подземной биосферы заморожена во льдах и вечной мерзлоте, где микробы остаются живыми в крохотных солевых протоках, не замерзающих при температуре ниже точки замерзания чистой воды.

И все эти разнообразные среды роднит общее свойство: в них есть жизнь. Как бы глубоко мы ни бурили земную кору, мы пока не достигли такого слоя, где нет жизни. Земля имеет гигантское внутреннее ядро, еще более обширную мантию, которая его покрывает, и, наконец, тонкий слой коры, на поверхности которой мы живем. Радиус Земли составляет шесть с лишним тысяч километров, а кора уходит на глубину лишь около семидесяти километров. Если сравнить Землю с драже M&M's, то земная кора – лишь окрашенная в яркий цвет оболочка. Однако семьдесят километров – чрезвычайно много как для биологии, так и для наших методов бурения. Вообще говоря, это намного глубже, чем нам когда-либо удавалось пробурить. Несмотря на все наши знания о мантии и ядре Земли, мы никогда их не видели. Все, что нам известно, было установлено по анализу камней, выброшенных на поверхность при извержении вулканов, движении тектонических плит или землетрясениях, проходящих через центр планеты[4]. Но те несколько километров земной коры, которые нам удалось пробурить на сегодняшний день, судя по всему, бурлят жизнью. Используя образцы из подобных мест, ученые сумели вырастить микроорганизмы и проанализировать их ДНК, РНК, белки, метаболиты и липиды. Мы даже можем напрямую определять продукты метаболизма, соответствующего тем биомолекулам, которые мы находим. Очевидно, что над границей между корой и мантией есть обширный плодородный слой, где и процветают подземные формы жизни.

Пища снизу и сверху

Представители подземной биосферы относятся к двум основным типам. Первые в большей степени зависят от хемосинтеза (их называют хемолитоавтотрофами), чем от фотосинтеза. Хемосинтез – это процесс, в результате которого живые организмы создают биомассу исключительно с помощью химических реакций, им не нужен солнечный свет. Организмы другого типа (хемоорганогетеротрофы) поедают продукты фотосинтеза, проникающие вниз с поверхности Земли. В некоторых средах встречаются микробы обоих типов.

Химические вещества, необходимые для жизни хемосинтезирующих организмов, либо происходят из земных недр, где условия слишком неблагоприятные для поддержания жизни, какой мы ее себе представляем, либо производятся в непосредственной близости от потребляющих их микробов. Преимущество жизни на глубине по сравнению с жизнью на поверхности вот в чем: тут есть тепло и давление. Под действием тепла и давления породы и минералы превращаются в химические соединения. Обитатели земных недр используют эти соединения для получения энергии и для построения своих тел (растения делают то же самое на поверхности с помощью солнечного света). Но в отличие от солнца, которое орошает фотонами всю поверхность нашей планеты, источники жизни в земных глубинах распределены неравномерно и дают начало разным химическим соединениям. Будто в земной коре рассеяны миллионы маленьких солнц – каждое со своей собственной крохотной орбитой в подземной экосистеме.

Солнечный свет достигает буквально всех уголков на поверхности Земли, какие мы только можем увидеть. Но под поверхностью химические вещества должны переместиться по многочисленным канальцам, прежде чем попадут к живым клеткам, которые в них нуждаются. В рамках человеческой жизни земная кора может казаться неизменной, но в геологическом масштабе времени она находится в непрерывном движении. Тектонические плиты сталкиваются между собой, давят и наползают друг на друга. В результате таких перемещений создаются трещины, которые служат скоростными шоссе для переноса богатых энергией химических веществ. Чтобы лучше понять, что при этом происходит, представьте себе мячик, покрытый кусочками пластилина разной жесткости и плотности. Когда вы будете передвигать один кусочек пластилина по поверхности мяча, остальные фрагменты начнут изгибаться, деформироваться, растягиваться, чтобы прийти в соответствие с этими изменениями. А теперь представьте, что в одном месте пластилин гораздо тяжелее, чем на соседнем участке, куда он наползает. Если мяч изготовлен из мягкого и пористого материала, тяжелый фрагмент начнет погружаться вглубь, а легкий окажется сверху. Если одна тектоническая плита оказывается под другой, этот участок называют субдукционной зоной, и там в плите возникают трещины и слабые места, что создает дополнительные возможности для перемещения химических веществ.

Иногда на поверхности таких утопленных океанических плит образуются подводные горы – небольшие холмы, возвышающиеся над океанским дном. Когда тектонические плиты оказываются под континентом, они вызывают такой же эффект, как если проткнуть пальцем желе: они продавливают континентальную кору, поднимая ил, камни и воду и создавая вертикальные потоки, называемые грязевыми вулканами. Грязевые вулканы извергают химические соединения и микробов из земных глубин в морскую воду и в поверхностные отложения.

Еще один процесс, способствующий перемещению химических веществ в земной коре, называют спредингом или рифтингом: это когда две тектонические плиты расходятся и между ними остается пустое пространство. Словно вы роете песок на пляже, а в образующиеся траншеи устремляется вода. Однако при спрединге происходит кое-что еще. Разъединение двух фрагментов земной коры толщиной в сотню километров производит мощный эффект, нарушающий стабильность лежащей под ними мантии. Нестабильная мантия высвобождается и поднимается к поверхности. Когда это происходит, давление на мантию резко падает (примерно то же самое случается при слишком быстром всплытии водолаза, что приводит к кессонной болезни), температура плавления мантии понижается – и она становится жидкой, что дополнительно усиливает ее выброс. Такой каскад событий высвобождает дьявольские силы и вызывает извержение вулкана. Аналогичный процесс разжижения мантии происходит и в субдукционных зонах, поскольку погружение океанической плиты сопровождается попаданием в мантию воды и выбросом магмы. Так образуются вулканические дуги – удивительные цепи гор вроде тех, что пронизывают западную часть Южной, Центральной и Северной Америки, а также Японию, Индонезию и другие территории Земли.

При извержении вулканов, как и при субдукции, в прочных и твердых камнях возникают полые трещины и разломы, позволяющие химическим соединениям перемещаться. Даже когда все спокойно, морская вода продолжает просачиваться под землю благодаря тепловым конвективным ячейкам, создаваемым градиентом температуры, который всегда существует под поверхностью. Когда океанская вода оказывается в контакте с глубокими слоями земных недр, она переходит в перегретое состояние и насыщается металлами и разными химическими соединениями. А при выбросе обратно на поверхность она смешивается с другими компонентами морской воды. И на всех стадиях процесса живые организмы из подземной биосферы получают энергию, выделяющуюся в ходе этих реакций. Если представить себе Землю не как место обитания, а как единый живой организм, эти глубокие трещины можно сравнить с артериями, доставляющими к клеткам необходимые для жизни питательные вещества. Подобные процессы заполнения пустот оставили заметные следы в виде гигантских шрамов, словно от ударов огромной бейсбольной битой, на дне Тихого, Атлантического и Индийского океанов.

Однако для доставки богатых энергией химических соединений в подземную биосферу не всегда нужно пробиваться через океаническую плиту. В некоторых местах, таких как Мексиканский залив или Средиземное море, есть глубоко залегающие отложения соли, оставшиеся от древних озер, высохших и превратившихся в соляную корку миллионы лет тому назад. Эти солевые отложения характеризуются более высокой плавучестью, чем наслоения на их поверхности. И когда соль медленно всплывает сквозь слои отложений, она проделывает новые бреши, через которые подземные жидкости поднимаются с больших глубин.

Аналогичные процессы происходят и на суше. Однако в этом случае тепловая конвекция приводит в движение не морскую воду, а то, что геологи называют “метеорной водой”[5]. Когда я впервые услышала это выражение, я подумала, что речь идет о воде из метеоров (потрясающе!), однако, как выяснилось, так называют банальную подогретую дождевую воду. Перемещения воды создают для микробов места обитания, и такие экосистемы могут существовать за счет химических веществ, а не солнечного света. Я говорю “могут”, поскольку большинство таких сред остаются неизученными.

Таким вот образом необходимые для жизни химические соединения циркулируют в земной коре. Но как они попадают туда изначально? Одна из самых мощных реакций, приводящих к образованию подобных соединений, происходит при смешивании воды с минералами – оливинами и перидотитами – в условиях повышенных давления и температуры, что сопровождается выделением водорода и восстановленного железа. Сейчас этот процесс, называемый серпентинизацией, считается одним из главных кандидатов на роль источника первой жизни на Земле, поскольку он приводит к образованию всех необходимых для жизни химических соединений и не нуждается в солнечном свете для их окисления. Кроме того, химические соединения образуются при погружении тектонических плит в зонах субдукции (вспомните о кусочках пластилина на мячике). При этом из минералов высвобождаются диоксид углерода, монооксид углерода[6], металлы, сера и азот, которые растворяются в воде, где могут использоваться микробами. Поддерживающие жизнь химические соединения возникают даже в таком простом процессе, как трение горных пород при землетрясениях. Хемолитоавтотрофы, существующие за счет этих химических соединений, погибая, превращаются в пищу для целого ряда других микроорганизмов и подобно растениям способствуют организации сложных и разнообразных экосистем.

Одна из самых удивительных движущих сил хемолитоавтотрофии – это радиация. Если подвергнуть воду воздействию радиации, она расщепляется на кислород и водород, которые относятся к числу наиболее ценных химических молекул для питания хемолитоавтотрофов. Мы знаем о радиации в связи с созданием ядерного оружия и его захоронением. Однако вокруг нас постоянно распространяется естественная радиация. Энергия, благодаря которой миллиарды лет назад возникли все химические элементы, в том числе способствовала образованию радиоактивных элементов вроде тория и урана, распадающихся спонтанно, но очень медленно. И поэтому все отложения в любом месте непрерывно излучают микроскопические дозы радиации – слишком незначительные, чтобы оказывать на нас негативное влияние, но достаточные для расщепления воды и поддержания жизни микробов. В глубочайших недрах Земли (в шахте на глубине почти трех километров)[7] был обнаружен микроорганизм, именуемый Desulforudis audaxviator, его видовое название переводится как “отважный путешественник”[8]. Он очень давно не контактировал с внешним миром и, возможно, существует исключительно за счет химических веществ, образующихся под действием радиации1. Совсем неплохо жить прямо рядом с кормушкой! Единственный недостаток заключается в том, что уровень этой радиации настолько низкий, что и пища образуется очень медленно. Такой способ существования подходит только отпетым лентяям и как будто специально предназначен для обитателей земных глубин.

Некоторые из подземных жителей сочетают химические вещества из-под земли с кислородом и окисленными соединениями из внешнего мира. Однако другие, такие как метаногены и ацетогены, могут жить исключительно за счет химических веществ из земной коры, так что отсутствие солнечного света их вообще не беспокоит.

Чтобы оценить, насколько это необычно, представьте, что произошло бы, если бы сейчас исчезло солнце. Все фотосинтезирующие организмы, такие как домашние растения и водоросли, погибли бы за несколько лет. Другие формы жизни еще какое-то время продержались бы, поедая остатки растений. Полагаю, что люди протянули бы лишь несколько лет после гибели растений. Наверное, какие-нибудь тараканы прожили бы еще сотню лет, но не другие животные. Грибы и бактерии, поглощающие растительный материал и кислород, просуществовали бы еще несколько миллионов лет, но с исчерпанием всей пищи и всего кислорода погибли бы и они. А вот у подземных жителей, как вы можете догадаться, все было бы прекрасно. Возможно, они бы даже не заметили, что чего-то не хватает. На самом деле даже те обитатели земных недр, которые в обычной ситуации зависят от поступления кислорода с поверхности, могут избежать асфиксии, поскольку другие их собратья производят небольшое количество кислорода2[9]. И никого из этих ребят не волнует, встает ли солнце по утрам или нет. Они зарыты в земной коре слишком глубоко, чтобы это замечать.

Организмы из подземных экосистем, о которых я рассказывала до сих пор, почти не зависят от условий на поверхности (даже от существования солнца), однако организмы из подземных экосистем второго типа – их полная противоположность. Они целиком и полностью зависимы от продуктов жизнедеятельности верхнего мира, как жители островов – от поставок пищи с континента. Самая обширная подземная среда, нуждающаяся в пище из верхнего мира, – это морские отложения. Толщина морских отложений может достигать десятков километров, и они есть на дне всех океанов мира, а это весьма значительное пространство для жизни. Отложения накапливаются за счет непрерывного осаждения всякой всячины из толщи океана или из стоков с поверхности суши. Этот ил[10] служит источником питательных веществ, энергии и твердых субстратов для подземных микроорганизмов. В устьях крупных рек, таких как Ганг или Нил, отложения накапливаются быстро. В таких местах упавшая частица остается на поверхности дна лишь несколько столетий, а затем оказывается захороненной под свежими слоями отложений.

Однако в других местах, например в центре Тихого или Атлантического океана, дно покрывается илом медленно. Поблизости нет континентов с реками, которые разбрызгивают все, как грязные пожарные шланги. Даже песчаные бури из Сахары или Гоби сюда не долетают. Но удаленность от континентов не только снижает скорость накопления осаждений, но и уменьшает количество планктона на поверхности, а ведь этот планктон тоже мог бы выпадать на дно после того, как его съедят, переварят и переработают при прохождении через толщу океана. Дело в том, что фитопланктон нуждается не только в солнечном свете, но и в железе, которое поступает главным образом с речной водой и с ветром из пустынь. Таким образом, срединная часть океана – обширнейшее пространство искрящейся чистой голубой воды шириной в сотни километров. В таких местах осевшие частицы могут лежать на дне тысячи лет или дольше, пока их не покроют новые слои отложений и не вдавят под поверхность дна.

[1] Определение из Википедии мне кажется достаточно полным: “Термодинамика – это раздел физики, который описывает тепло, работу и температуру и их связь с энергией, энтропией и физическими свойствами вещества и излучения”. – Здесь и далее, если не указано иное, прим. автора.

[2] Это исследование было частью продолжающегося международного проекта, над которым в 2019 году работали геолог Агостина Кьоди из Аргентины и Герхард Йессен из Чили. В последующие годы к работе подключились и другие люди.

[3] Основное ограничение для существования живых клеток под землей – высокая температура, поскольку выше 120 градусов по Цельсию разрушаются биологические молекулы, из которых построена клетка. Температура растет по мере приближения к магме и в среднем доходит до значений, превышающих 120 градусов, на глубине 3,5–5 километров от поверхности. Ниже не может быть жизни в том виде, в каком мы ее знаем. – Прим. науч. ред.

[4] На основании информации о землетрясении в США ученые из Китая могут узнать состав минералов в центре Земли, поскольку скорость и форма волн разные при прохождении через различные среды.

[5] Это дождь, выпадающий на поверхность Земли и просачивающийся в ее глубины. – Прим. науч. ред.

[6] Диоксид углерода широко известен как углекислый газ (СО2), а монооксид углерода – это угарный газ (СО). – Прим. науч. ред.

[7] Главный автор работы Туллис Онстотт объяснил мне, что трудно понять, на каком именно уровне обитают эти микробы. Ученые спустились в золоторудную шахту на глубину 2,8 километра, где отобрали пробы жидкости из трещин в камнях, однако источник этих жидкостей должен находиться где-то гораздо глубже.

[8] В честь героя романа Жюля Верна “Путешествие к центру Земли”. Интересно, что точная копия этого десульфорудиса, обнаруженного в африканской шахте, была выделена из глубинной термальной скважины в поселке Белый Яр Томской области. Специалисты по эволюции микроорганизмов до сих пор не могут разгадать загадку: как две абсолютно идентичные бактерии попали в столь удаленные уголки земного шара? – Прим. науч. ред.

[9] Недавно был открыт удивительный метаболический путь, который может в корне изменить наше понимание процессов образования кислорода на Земле.

[10] Это технический термин. Так называют остатки умерших организмов, осаждающиеся на дне океана.