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

Однако в конце 1980-х Карл Вёзе (1928–2012) и его коллеги поняли, что деление на пять царств ошибочно2. Они провели секвенирование генов из организмов, которых называли метаногенными бактериями (а теперь их называют метаногенными археями или просто метаногенами), использовав гены 16S рРНК, что побудило меня и моих коллег использовать эти же гены в нашей работе через несколько десятилетий. Сравнив эти последовательности с последовательностями из “обычных” бактерий, таких как E. coli, они обнаружили удивительно слабое сходство. Считалось, что эти организмы относятся к одному царству, однако родство между ними оказалось не ближе, чем между ними и людьми, растениями или грибами. Археи представляли собой нечто совершенно новое. И поэтому Вёзе предоставил им отдельную ветвь на древе жизни и назвал их доменом, так он и его коллеги обозначали таксономические группы, расположенные выше царств. Затем он поместил бактерий на другую ветвь и назвал их вторым доменом. И наконец, объединил остальные четыре царства (по сути, всех видимых обитателей Земли) в третий домен – эукариот. Наверное, вы понимаете, что это понравилось не всем биологам.

Многих ученых чрезвычайно раздражал такой захват древа жизни микроорганизмами. В 1998 году биолог Эрнст Майр (1904–2005), протестуя против классификации Вёзе, выразил мнение многих своих коллег:

Геном эукариот на несколько порядков превосходит геном прокариот [архей и бактерий]… И это касается не только генетической программы для ядра и митоза, но и способности к половому размножению, мейозу и созданию невероятного органического разнообразия, представленного медузами, бабочками, динозаврами, колибри, дрожжами, гигантскими водорослями и гигантскими секвойями. Я не понимаю, как можно пренебречь всем этим и утверждать, будто разница между двумя типами бактерий имеет такой же масштаб, как разница между прокариотами и удивительным миром эукариот³.

Он был прав. Разглядывая под микроскопом две маленькие точки, трудно поверить, что они имеют между собой меньше общего, чем гриб и павиан, или дерево и акула, или слизевик и мой дядюшка, а ведь все они относятся к эукариотам.

Но теперь нам известно, что Майр кое-чего не знал. Дело в том, что он не учитывал фактор времени. Клетка бактерии и клетка археи под микроскопом похожи друг на друга, однако они эволюционировали независимым образом миллиарды лет. Напротив, большинство многоклеточных форм жизни, которые, как считал Майр, являются ярчайшим проявлением диверсификации, эволюционировали лишь около полумиллиарда лет. Этого времени достаточно, чтобы создать сотню вариантов ног, отрастить крылья или научиться выбрасывать желудок через рот, чтобы поймать ужин и засосать его вместе с желудком обратно внутрь тела (так делают черви сипункулиды), но все это лишь косметические модификации. Гораздо более внушительная эволюционная пропасть лежит между умением дышать кислородом (как делают 100 % многоклеточных эукариот) и умением дышать различными химическими соединениями (как бактерии и археи), поскольку для изменения способа дыхания требуются модификации основных принципов функционирования жизни.

Сам факт, что археи и бактерии начали эволюционировать на три миллиарда лет раньше, чем животные, позволяет предположить, что на их долю приходится максимальное разнообразие жизни на Земле. Но в 1998 году было трудно согласиться, что микробы занимают доминирующее положение по разнообразию среди всех живых организмов. Майр продолжал: “Насколько я понимаю, на сегодняшний день описано лишь около 175 различных видов [архей]. Вполне вероятно, что в ходе будущих исследований удастся обнаружить тысячи, но вряд ли больше. Нам известно приблизительно 10 тысяч [бактерий]. А число видов эукариот, судя по всему, превышает 30 миллионов. Иными словами, оно на несколько порядков больше”⁴.

Мне немного неловко критиковать Эрнста Майра. Он не мог воспользоваться достижениями революции в изучении ДНК, которые доступны нам теперь, а самого его уже нет, так что защищаться он не может. Если бы в 1998 году я не была девятнадцатилетней студенткой, ведрами поглощавшей “Гиннесс” во время обучения в Ирландии, а оказалась в его положении, вполне возможно, я пришла бы к таким же выводам. Однако теперь мы обладаем мощными методами секвенирования, а не теми слабыми возможностями, какие были у Вёзе, и мы точно знаем, что количество видов бактерий и архей составляет как минимум десятки миллионов (Майр считал, что это невозможно), а их реальное число почти наверняка на несколько порядков больше. Теперь количество известных нам бактерий и архей превышает количество эукариот.

Конечно, для корректного сравнения нужно дать определение термину “вид”, которое было бы применимо ко всем доменам, однако у нас такого определения нет. В настоящее время видом растений или животных называют группу организмов, которые не могут производить потомство с представителями других групп половым путем. Да, львы и тигры, в принципе, могут скрещиваться и производить на свет очаровательных детенышей, однако в естественных условиях они не спариваются, а значит, относятся к разным видам. К сожалению, это определение неприменимо к археям, бактериям, протистам и грибам, которые преимущественно размножаются бесполым путем, то есть без участия партнера[27]. В микробиологии определение вида основано на способах функционирования или генетических особенностях. Обычно у представителей одного вида более 70 % генома должны быть идентичны, а гены 16S рРНК должны совпадать более чем на 97 %[28]. Если применить такое правило к животным, количество их видов резко сократится, поскольку у всех животных значительная часть ДНК фактически одинакова. Все мы, представители ветви животных на древе жизни, дышим кислородом и питаемся органическими соединениями углерода, и поэтому наши геномы не так разнообразны, как у бактерий и архей. Учитывая эти объективные различия в определениях вида в мире микробов и в мире животных и растений, пока сложно сравнивать между собой эти домены.

Альтернативный способ подсчитать группы организмов в каждом из трех доменов заключается в том, чтобы рассмотреть более высокий уровень таксономической классификации, чем вид, – например, тип. Таксономическая иерархия строится следующим образом: домены, царства, типы, классы, порядки, семейства, рода и виды. К счастью, теория трех доменов не меняет этот порядок, а просто вводит уровень “доменов” и располагает его выше уровня “царств”. Эта иерархия помогает понять, как давно родственные ветви разошлись друг от друга. Два вида могли разделиться сравнительно недавно – к примеру, всего несколько сотен лет назад. Напротив, два типа должны были разделиться миллиарды лет назад. Поскольку с течением времени эволюционные изменения накапливаются, два вида одного и того же рода должны походить друг на друга в большей степени, чем два вида разных типов. А что, если мы теперь отложим вопрос о сравнении видов внутри каждого домена и поднимемся выше по иерархической лестнице? Что, если мы сравним количество типов? Определение типа дать еще сложнее, чем определение вида, но, поскольку типы охватывают гораздо более протяженные эволюционные периоды, они гораздо важнее для биологического разнообразия.

На сегодняшний день мы выделяем как минимум 27 типов архей⁵ и 95 типов бактерий⁶, хотя в эпоху быстрого секвенирования ДНК эти числа постоянно увеличиваются. В соответствии с альтернативным филогенетическим методом, предложенным микробиологом Филом Гугенгольцем и его коллегами из Австралии, мы имеем 18 типов архей и 148 типов бактерий. Что же касается эукариот, нам известно 75 типов, однако растения, животные и грибы, столь милые сердцу Майра, составляют лишь два из них, а все остальные – это одноклеточные организмы, которых раньше в системе из пяти царств называли протистами⁷.

С учетом этой новой информации можно заключить, что глаза обманули Эрнста Майра: микробы, в частности археи и бактерии, демонстрируют гораздо более широкое эволюционное и функциональное разнообразие, чем эукариоты. Прошедшие 3,8 миллиарда лет не были потеряны для развития жизни на Земле. Жизнь активно эволюционировала. И в значительной степени этот процесс происходил среди обитателей земных недр, которых я пыталась исследовать во время своей аспирантской работы.

Наши результаты ошеломляли: добытые нами последовательности ДНК показывали, что речь идет о новых типах организмов. Всего за одно погружение мы обнаружили типы, которые до нас никто не описывал[29]. Если мы нашли их с такой легкостью, следовательно, их должно быть намного больше. Внезапно мы поняли, что Вёзе открыл лишь вершину айсберга. Домены бактерий и архей имеют гораздо больше глубоких ветвей, чем ученые могли разглядеть с помощью старых технологий, а некоторые организмы вообще с трудом вписываются в какой-либо из трех доменов. Они настолько странные, что грозят сломать трехдоменную структуру древа жизни, которая получила широкое признание лишь несколько лет назад.

Недавно я просматривала свой текст, который готовила к публикации, и обнаружила, что случайно написала такую фразу: “Микробы из земных недр отличаются от людей и других растений”. Фраза странноватая, но в целом ожидаемая. Если вы проводите столько же времени, как я, разбираясь в эволюционных связях между всеми живыми существами на Земле, то постоянно убеждаетесь, что на фоне широчайшего разнообразия микробов люди и растения не так уж сильно друг от друга отличаются. Метод прямого секвенирования ДНК из природных образцов настолько мощный, что открытие новых видов организмов становится таким же будничным делом, как приготовление обеда или мытье машины. Я бы делала это каждый день, если бы могла достаточно быстро получать последовательности ДНК. Но дело в том, что подавляющее многообразие жизни на Земле обеспечивают микроорганизмы, причем большинство из них остаются для нас невидимыми, и поэтому люди живут рядом с ними, не подозревая об их существовании. Словно рядом с нами постоянно пасутся волшебные единороги, совсем крохотные, одноклеточные – но при этом гораздо более интересные, чем рогатые лошади.

Что делать после того, как вы _{поймали единорога?}

Сами по себе эти открытия потрясали, но в целом, если честно, складывалась непонятная картина. Как будто вы обнаружили инопланетянина, поскольку получили распечатку со словами “Это инопланетянин”. Если бы найденные нами последовательности ДНК имели сходство с последовательностями известных организмов, по имеющимся данным мы могли бы представить себе их способ существования под землей. Однако мы находились в полном неведении: никаких изображений, никаких космических кораблей, никакой телепатии. Несколько разочаровывает, правда?

Нам нужно исследовать этих новых существ, но мы не можем просто взять бинокль и наблюдать, как они гоняются за добычей или жуют листья. У нас нет возможности ставить на них эксперименты в лаборатории, поскольку, как я упоминала, до последнего времени нам не удавалось выращивать их в лабораторных условиях. Требовался какой-то грандиозный прорыв. Нам нужно было изобрести новый подход к изучению их физиологии.

В соответствии с современным методом научных исследований, разработанным Фрэнсисом Бэконом (1561–1626), мы должны строго контролировать все параметры экспериментальной системы и иметь возможность изменять их по отдельности для проверки своих гипотез. К сожалению, в случае организмов из земных глубин этот подход малопригоден. Поскольку лишь очень немногих из них удается вырастить в лабораторных условиях, нам приходится изучать их там, где они живут: в их природном окружении, где все беспорядочно и хаотично. Меня никто не учил проводить научные исследования в таких условиях, когда ты ничего не можешь контролировать. Чтобы изучить этих подземных жителей, нам нужно выйти из научной зоны комфорта. Ведь мы не контролируем даже то, с какими именно организмами экспериментируем! К счастью, в нашем распоряжении появились новые фантастические методы, позволяющие извлекать максимальное количество информации в таких неопределенных условиях, от чего Фрэнсис Бэкон пришел бы в замешательство. И как известно, при прокладывании нового пути неизбежны ошибки.

В ноябре 2006 года мы с моим другом и коллегой Говардом Мендловицем отправились на лодке к устью реки Уайт-Оук, неподалеку от тех мест, где я выросла. Я залезла в воду по самую шею и отобрала образцы ила для диссертации. Если бы мне нужна была только ДНК подземных обитателей, я взяла бы лишь немного ила, что легко, и отвезла бы его в лабораторию. Но мне хотелось узнать больше, чем просто последовательности ДНК. Я жаждала понять, что эти организмы делают в природе. А потому мне нужно было заполнить много кернов метровой длины, чтобы по химическому составу компонентов на разных уровнях обнаружить слабые следы жизнедеятельности этих существ и проверить гипотезы об их активности. Извлекать образцы предстояло вручную – для этого проекта у меня в распоряжении не было ни погружных устройств, ни океанских судов.

Поскольку место мне было так хорошо знакомо, я не предполагала, что меня может подстерегать хоть какая-то опасность. Здесь неподалеку жил мой отец, когда я была маленькой. Стоял солнечный осенний день. Я надела гидрокостюм, но даже в нем почувствовала холод, когда погрузилась в воду. Говард предложил мне сделать паузу и пойти согреться, но я не согласилась. Люблю проявлять стойкость. Я вытаскивала один керн за другим, пока Говард наконец не свесился за борт и не посмотрел мне в глаза. Он сказал, что я начала работать неэффективно. Я пыталась вытянуть керн, который погрузила в осадочные породы, но у меня никак не получалось его извлечь. Тогда я залезла в лодку и с удивлением наблюдала за своими бедрами, которые дрожали независимо от всего остального тела.

Говард поглядел на меня и сказал: “Думаю, лучше выгрузить тебя на берег. Закрой последнюю пробу, и отправимся”. Я попыталась натянуть изоленту на мокрый пробоотборник, но не смогла вспомнить, как это делается. Говард посмотрел на меня, как на сумасшедшую: “Карен, ты не сможешь заклеить мокрый пластик, сначала высуши керн, как мы делали со всеми остальными”.

К тому моменту меня уже всю трясло, так что Говард решил ускорить процесс и скомандовал: “Набери в ведро воды и плесни в лодку, чтобы смыть грязь, и мы отплывем”. Я отчетливо помню, как опустила в воду пустое ведро дном вниз, не попытавшись его наклонить. Я глядела на него и удивлялась, почему вода не заливается внутрь. Тогда Говард сказал: “Забудь про лодку, просто немедленно надень теплые вещи!” Я разделась до купальника и увидела свои бледные ноги цвета яичной скорлупы. Их состояние было близко к трупному окоченению, поэтому я попыталась обуться. Прежде чем отправиться к берегу, Говард взглянул на меня еще раз и проорал: “Карен, сначала штаны, потом ботинки!”

Из-за упрямства и недооценки серьезности ситуации я довела себя до первой стадии переохлаждения. Поначалу я говорила себе: “Ну ладно, потерпи, ты просто немножко замерзла”, но потом почувствовала настоящую опасность. Спасибо Говарду: я благополучно вернулась на берег и отогрелась в теплом грузовике. Но мое необдуманное решение в тот день сказалось на результатах работы: мои керны были слишком короткими, чтобы из них можно было извлечь пользу. Я описала их в диссертации, но никакой новой информации они не дали и о них нельзя было написать в статье для рецензируемого журнала. Теперь, когда я провожу исследования в экспедициях (неважно, спускаюсь ли в глубины океана или лениво плещусь в залитом солнцем пруду), я прокручиваю в голове все возможные ситуации и стараюсь принимать такие решения, которые снижают риск. Никакие образцы не стоят моей жизни.

В ходе работы над диссертацией я много раз возвращалась в устье реки Уайт-Оук – в гораздо менее драматичных условиях. Но при анализе результатов я делала другие ошибки. Всю свою работу я посвятила поиску одного подземного микроба, который может метаболизировать метан и не слишком сильно отличается от ранее известных организмов. Но постепенно мне стало ясно, что это неправильный выбор. В моих образцах ила преобладало еще более странное существо, чем то, которое я пыталась обнаружить: представитель нового типа организмов, до этого его находили только в озерах бореальных лесов8, в отложениях на океанском дне9 и в золотоносных шахтах Южной Америки10. Фумио Инагаки из Японского агентства науки и технологий моря и суши (JAMSTEC, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology) назвал этот тип “смешанной группой кренархеот” (Miscellaneous Crenarchaeotal Group, MCG), будто это какая-то папка с разрозненными файлами. Я работала совсем не в экзотическом месте, а просто в устье реки с нормальными условиями температуры, давления и pH, но эти выходцы из иного мира были там самой многочисленной группой. Я гонялась не за теми призраками. Следовало искать именно MCG.

Мы нуждались в информации – хоть какой-то, чтобы понять способы существования этих MCG. После защиты диссертации я думала, где бы поработать постдоком[30], и как раз в это время Бо Баркер Йоргенсен из Орхусского университета в Дании предложил: “Меня MCG тоже очень заинтересовали. Почему бы тебе не перебраться в Данию и не поработать со мной? Попытаемся полностью отсеквенировать их геномы”. Мы сходились во мнении, что сочтем свою работу успешной, если нам удастся прочесть последовательность хотя бы одного гена (кроме 16S рРНК), который мы однозначно смогли бы идентифицировать как принадлежащий этим странным организмам. Но сказать легче, чем сделать, ведь процесс секвенирования не позволяет понять, какой ген какому организму принадлежит.

Наш план заключался в том, чтобы выделить из смеси индивидуальную клетку, так чтобы после секвенирования ДНК мы точно знали, что все гены принадлежат именно этому организму. Однако такой подход никогда раньше не применяли для анализа образцов ила. И отделять крохотные клетки от таких же крохотных кусочков грязи – задача не из легких. Когда я приехала в Данию, моя первая задача состояла в том, чтобы помочь Бо приобрести недавно изобретенный лазерный микродиссекционный микроскоп, который позволил бы нам вырезать одну крохотную клетку из фильтра, перенести в пробирку и прочесть ее геном.

Честно говоря, еще более срочная задача для меня заключалась в том, чтобы научиться спрашивать по-датски: “Где тут родильное отделение?”, ведь я была на пятом месяце беременности. Мне повезло, поскольку Дорте Петерсен, которая тоже была постдоком и работала вместе со мной над общим проектом, также была беременна. Из-за тикающих у нас в животах часов мы с Дорте работали как сумасшедшие, вместе с нашим небеременным коллегой Ларсом Шрайбером. Однако наши малыши одержали верх над технологией. К моменту их появления на свет мы все еще не знали, как предотвратить вымывание вырезанных лазером клеток под действием статического электричества.

В Дании у молодых матерей длинные отпуска, и поэтому у меня и моих коллег было достаточно времени, чтобы пересмотреть наши методы. Мы слышали о новой технологии, предложенной Рамунасом Степанаускасом из Океанологической лаборатории Бигелоу в штате Мэн, с помощью которой удавалось амплифицировать геномы многих одноклеточных организмов. Единственная загвоздка заключалась в том, что Рамунас работал с морской водой, и ужасно дорогой аппарат для так называемой флуоресцентно-активируемой сортировки клеток, который он использовал, вышел бы из строя при попадании в него мельчайшей частицы грязи. А наши образцы и были грязью. Тем не менее нам казалось, что метод сортировки единичных клеток стоит опробовать, и поэтому мы с Дорте оставили годовалых детей в надежных руках наших мужей и полетели в Мэн, чтобы поговорить с Рамунасом. Он моментально понял, насколько важно испытать его технику для изучения странных организмов из земных глубин. После некоторого размышления он заявил: “Чем черт не шутит, давайте попробуем”. И мы выслали ему образцы ила, извлеченные со дна залива Орхус в Дании[31].

Не более чем через месяц Рамунас прислал нам десятки маленьких пробирок, в которых содержалась размноженная ДНК из индивидуальных клеток. Сбылась моя мечта! Мы принялись как можно быстрее секвенировать все геномы, а Ларс разрабатывал метод анализа геномных данных, поскольку с организмами такого типа никто раньше не работал.

Анализ списка генов походил на чтение древних свитков, с той только разницей, что древним свиткам обычно не больше нескольких тысяч лет. А эти гены принадлежали организмам, появившимся миллиарды лет назад, и мы были первыми, кто их увидел. Мы с Бо отринули свой минималистичный план “хотя бы один ген”. Теперь у нас их были тысячи.

Мы сразу обратили внимание на необыкновенную странность большинства из этих генов, толком ничего не было понятно. Даже сегодня подавляющая часть этой “геномной темной материи” остается абсолютно неизученной. В меньшем количестве такая ДНК есть и в клетках человека, и в клетках E. coli. Несмотря на чрезвычайную привлекательность исследования, мы вынуждены были отложить эти открытия на будущее.

[27] На самом деле многие растения и животные тоже используют бесполый способ размножения. Тля, поселяющаяся на садовых растениях, настолько преуспела в бесполом размножении, что может рождаться беременной! (Moran N. A. The evolution of aphid life cycles. Annu. Rev. Entomol. 37, 321–48 (1992).)

[28] Это немного устаревший стандарт. Сейчас для разграничения видов используют показатель 98,7 %. – Прим. науч. ред.

[29] Эти новые типы были названы Thermoplasmatota и Lokiarchaeota, и я хочу подчеркнуть, что мы были не единственными, кто их нашел, информация о них стала появляться по всему миру. В главе 9 я расскажу, как обнаружение Lokiarchaeota изменило наши представления о древнейшей жизни на Земле.

[30] В нашей области исследований после защиты диссертации принято проводить несколько лет в качестве постдока в какой-нибудь лаборатории. В этот период вы углубленно занимаетесь наукой и ищете постоянную научную позицию.

[31] Я подумала, что, если микробы этого типа в изобилии встречаются у берегов Северной Каролины, их должно быть немало и у берегов Дании, и оказалась права.