Глубинную биосферу поделили на два «этажа»

Глубинная биосфера — это зона жизни ниже первого десятка метров под поверхностью суши и океанического дна. Как жизнь там устроена– пока не слишком понятно. Анализ образцов из скважины, пробуренной до глубины 1180 м ниже морского дна, помогает составить представление об обилии жизни в глубинной биосфере и факторах, ее организующих. Ученые выделили две зоны: верхнюю (до глубины примерно 600 м) населяют мезофилы (выдерживающие температуры до 60 °C), а нижнюю — гипертермофилы (выдерживающие температуры до 120 °C). В этих зонах заметно отличается влияние факторов среды, контролирующих состав микроорганизмов. Если в зоне мезофилов классическим образом работают температура и давление (чем они выше, тем беднее жизнь), то в зоне гипертермофилов становятся важнее свойства вмещающих пород, предопределяющие чередование относительно населенных и стерильных слоев.

Мир глубинной биосферы (deep biosphere) завораживает самой идеей своего существования: внутри пород под толщей океана и глубоко внизу под тонким плодородным слоем, в условиях чудовищных давления и температуры, на глубине до 2,5 км, кто-то может жить… Да не просто жить, а вполне процветать. По современным оценкам глубинная биосфера составляет около 15% биомассы наземных жителей и примерно на порядок превышает общую биомассу океанических вод. Обитатели глубинной биосферы объединяют большую часть (90%) всего мира прокариот на планете. Это очень значительные цифры, если задуматься о той роли, которую изобретательные до химических инструментов прокариоты играют в функционировании геохимических планетарных циклов. Пока даже трудно себе представить масштабы этой деятельности: нам психологически нелегко соединить микроразмеры агентов с гига- и тератоннами земного вещества. Тут могут помочь только расчеты — они дадут бездушные цифры, за которыми постепенно проступит картина преображения земного материала микроорганизмами.

Однако сейчас расчеты будут преждевременны, так как слишком скудны наши знания о распределении жизни в глубинной биосфере, о факторах, которые влияют на обилие живого в этих сверхжестких условиях (интересный рассказ о трудностях и перспективах изучения глубинной биосферы можно найти в статье A. Cario et al., 2019. Exploring the Deep Marine Biosphere: Challenges, Innovations, and Opportunities). Ученые согласны с тем, что основным лимитирующим фактором для глубинных обитателей является температура. При температуре выше 40 °C требуются специальные защитные механизмы, ими обладают лишь термофилы (мезофилы и гипертермофилы, см. Hyperthermophile). Значит, обилие жизни должно снижаться по мере увеличения температуры. Вторым по важности лимитирующим фактором называют скудость тех субстратов для микроорганизмов, из которых они могли бы получить энергию. Но кроме этих двух факторов есть еще и другие, менее очевидные, но, по-видимому, не менее важные. Тем, кто интересуется данной темой, будет небезынтересно увидеть результаты микробиологического исследования одной из океанических скважин у берегов Японии. В этих результатах много неожиданного и поучительного.

Работы по бурению скважины и все связанные с ней исследования входят в Международной программы исследовательского бурения в океане (International Ocean Discovery Program, IODP), и для выполнения этой ее части объединились специалисты из 29 научных лабораторий Японии, Европы, Кореи, Канады и США. Новую скважину, получившую код C0023, пробурили не очень далеко от двух старых, заложенных 20–25 лет назад. Район исследований расположен примерно в 130 км к юго-востоку от острова Сикоку. В этом месте проходит Нанкайская впадина (Nankai Trough), образовавшаяся в результате субдукции океанической Филиппинской плиты под континентальную Евразийскую плиту.

В материале старых скважин, взятом с глубин до 800 м в 1990 и 2000 годах, были зарегистрированы бактериальные клетки, в связи с чем глубинные океанические осадки в данном районе посчитали вполне перспективными для микробиологического исследования. За прошедшее с тех пор время ученые мощно усовершенствовали методы работы с микроорганизмами, научились отделять клетки от частиц породы (а это химически не очень просто, ведь нужно не разрушить клетки) и в полной мере оценили риски возможных загрязнений. Все эти методические новшества позволили не просто указать на вероятное присутствие жизни, но и придать конкретики этому знанию.

С образцами, поднятыми с глубин, работали в специально оборудованных чистых комнатах. Из середины каждого образца вырезали кусочек объемом 10 см³, размалывали весь объем в порошок, заливали фиксатором, затем из этого порошка химически и с помощью ультразвука отделяли клетки и споры микроорганизмов. Процедуру отделения клеток проделывали несколько раз, чтобы с известной уверенностью сконцентрировать все имевшиеся в кусочке клетки. Затем концентрат красили зеленым флуоресцентным красителем и визуально подсчитывали под микроскопом число клеток в 900 площадках видимости окуляра.

Результаты подсчета и усреднения числа клеток показали совсем не монотонно убывающую с глубиной кривую обилия, как можно было бы предположить, ориентируясь на температурный фактор. На этой кривой четко определились максимумы, минимумы и зоны «стерильности».

В верхних 600 метрах с увеличением глубины и температуры количество микроорганизмов действительно постепенно снижается, достигая минимума на 500 метрах, где температура повышается до 60 °C. Это зона мезофилов, среди которых преобладают сульфатредукторы. Для них температурная граница жизни как раз и составляет 50–60 °C. Ниже могут выживать лишь их споры, количество которых действительно растет до глубин 800 м. При должных условиях споры могут вернуться к жизни, обеспечивая таким образом микробной популяции страховку на случай непредвиденных обстоятельств. Но ниже отметки 800 метров спор уже нет.

Зато ниже глубины 650 м, где среда разогрета до 75–120 °C, жизнь снова набирает обороты. Это зона обитания гипертермофилов. Причем больше всего гипертермофилов насчитали в образцах из самых нижних слоев — с глубины 1000–1180 м, где температура выше 100 °C. Среди гипертермофилов преобладают метаногены, использующие ацетат в качестве субстрата для получения энергии. Их активность здесь примерно такая, как на глубинах 300–500 м. В результате их активности изотопный состав метана заметно облегчен и на глубине 300–500 м, и на самых больших глубинах. Сульфатредукторов в зоне гипертермофилов уже не остается, судя по накоплению сульфатов.

Распределение гипертермофилов мало связано с глубиной и температурой. Так, на этом интервале имеются две полосы стерильности, где нет ни вегетативных клеток, ни спор, ни признаков фракционирования изотопов. Ученые предполагают, что отсутствие жизни связано не с дефицитом субстратов для роста (ацетат для метаногенеза, по крайней мере, там имеется), а со свойствами вмещающих пород.

В этих зонах преобладают относительно рыхлые породы с высокой проницаемостью. Кроме того, в минеральной составляющей зарегистрированы следы кратковременных воздействий высоких температур и давлений. Вместе это указывает на периодические события проникновения в данные слои сильно перегретых вод. По-видимому, такие события губительны для гипертермофилов, адаптированных к узкому температурному диапазону. Им для жизни требуется стабильность. Как показало изучение геномов глубинных обитателей, они не эволюционируют или эволюционируют очень медленно, поэтому приспособиться к изменчивым условиям они не могут (P. Starnawski et al., 2017. Microbial community assembly and evolution in subseafloor sediment).

Таким образом, в глубинной биосфере четко разделяются две зоны жизни: зона обитания мезофилов и зона гипертермофилов. В этих зонах меняется роль факторов среды. В зоне мезофилов наблюдается классическая картина — чем выше температура и давление, тем беднее жизнь. А в зоне гипертермофилов становятся важнее свойства вмещающих пород. Они должны быть достаточно плотными, чтобы противостоять колебаниям внешних условий, но и относительно проницаемыми, что обеспечить приток необходимых для жизни веществ.

Остается лишь добавить, что шаг за шагом ученые, безусловно, продолжат раскрывать тайны жизни в глубинной биосфере. А обсуждаемая работа — это пока лишь один из первых шагов на этом пути.

Источник: elementy.ru

. .