29.08.2008

Дно рождения

На глубине в несколько километров под поверхностью океана, на границе воды и базальтов океанического дна, найдена неожиданно обильная и разнообразная бактериальная жизнь. Бактерии, обитающие здесь, научились черпать энергию из неисчерпаемых и обильных геологических источников, что может означать пересмотр ключевых концепций развития и круговорота живой материи на Земле.

Темнота и холод, царящие на дне океанов и морей, привели в прошлом научное сообщество к единому мнению о безжизненности морских глубин. Долгое время ученые считали, что даже самые простые формы жизни – микроорганизмы, покорившие всевозможные земные биологические ниши, – ютятся на океанических плато только возле геологических разломов и гидротермальных источников.

Как показывает последнее исследование американских ученых, реальная ситуация в корне отличается от таких представлений. Биологи, занятые в работе по изучению жизни на морском дне в рамках совместного проекта Массачусетского технологического института и знаменитого Океанографического института в Вудс-Хоуле, посвятили свои усилия изучению микрофлоры и микрофауны базальтовых отложений, протянувшихся на 60 тысяч километров вдоль стыков литосферных плит Тихого океана.

Микробы, обитающие на дне океана, – не новость для науки, однако впервые их количество и разнообразие подверглось оценке. Первые свои эксперименты по оценке населенности базальтовых пород ученые под руководством Катрины Эдвардс провели в районе Восточно-тихоокеанского поднятия – подводного срединного хребта Тихого океана, который в отличие от других срединных хребтов сильно смещён к восточной окраине океана. В поперечном профиле этот хребет имеет вид широкого вала с узкой приподнятой гребневой зоной. В настоящее время это поднятие полностью находится под водой, за исключением Острова Пасхи.

К их удивлению, количество видов и самих живых организмов, населяющих горные породы, в тысячи и десятки тысяч превысило количество бактерий в водах, непосредственно омывающих тихоокеанское дно.

Основной класс бактерий (68%), населяющих базальтовые породы составляют протеобактерии, к которым относятся и многие болезнетворные микроорганизмы из родов Escherichia, Salmonella, Vibrio, Helicobacter и других. Примерно 8% процентов составляют бактерии планктомицеты, столько же приходится на актинобактерии, от 1% до 4% приходится на организмы бактероидеты, некоторые виды которых населяют полость человеческого рта, примерно столько же в базальтах содержится ацидобактерий.

Такой неожиданный и ошеломляющий результат заставил ученых повторить свои изыскания в другой географической зоне. Обследовав тихоокеанское дно близ Гавайского архипелага, океанологи и микробиологи пришли к аналогичным заключениям. Количественные и качественные оценки донных форм микросокпической жизни представлены в статье, вышедшей в свет в номере Nature.

Такая обильная жизнь, по мнению ученых, не может быть случайной и должна наличествовать повсеместно на океаническом дне. Удивительным оказался и тот факт, что гидротермальные источники, бьющие сквозь трещины в океаническом дне, не могут похвастаться ни таким обилием микроскопической жизни, ни ее разнообразием. Жизнь, которая, как оказалось, бьет ключом в базальтовых породах морского дна, вполне может составить конкуренцию микроорганизмам, обитающим в сельскохозяйственной почве, до сих пор считавшейся самой плодовитой на бактерии и грибки.

Главный вопрос, который возник у ученых в связи с этим, – что даёт энергетическую подпитку микроорганизмам, населяющим, казалось бы, безжизненные камни, сформированные застывшими потоками магматических выбросов? Количество углерода в форме органических соединений на морском дне ничтожно, бактерии живут в холоде и не получают энергии от солнечных лучей. Каким же образом они живут, развиваются и размножаются в таких более чем спартанских условиях?

Вывод у ученых однозначен – химические реакции, протекающие между базальтами морского дна и водой, насыщенной минеральными солями, производят достаточно энергии, которую бактерии научились эффективно использовать.

Эта качественная идея нашла свое количественное подтверждение. Ученые подсчитали количество энергии, выделяемой в ходе обменных реакций между компонентами морской воды и базальтовыми породами, и оценили количество микроорганизмов, которое она способна питать. Соответствие между теоретическими подсчетами и экспериментальными данными оказалось превосходным. А это значит не только то, что источником жизненных сил микробов служат реакции между базальтами и водой, но и что бактерии используют эту энергию исключительно эффективно – полностью и без остатка.

Таким образом, гипотеза о том, что донные океанические бактерии живут и размножаются исключительно за счет химической энергии пород морского дна, может существенно изменить наши представления о круговороте углеродных соединений в природе и даже внести свой вклад в теорию эволюции жизни на нашей планете.

Согласно современным представлениям, жизнь на Земле зародилась на океанском или пресном мелководье благодаря солнечному свету, теплу и газообмену с атмосферой. Донные же экосистемы, как полагали ученые, развились исключительно за счет немногочисленных и рассеянных гидротермальных источников, являющихся скорее исключением, чем закономерным местом формирования и развития живых систем. Многие из бактерий, населяющих ныне эти источники, считались потомками организмов, опустившихся на дно с поверхности океана.

Согласно гипотезе Эдвардс, земная жизнь может на деле быть обязана многим, если не всем, именно химическим реакциям на морском дне.

Дело в том, что глубины морей и океанов во все эпохи и периоды отличались существенно большей стабильностью по сравнению поверхностью морей и океанов. До появления надежной озоновой защиты Земля подвергалась облучению безжалостной ультрафиолетовой радиацией. Поверхность воды и суши постоянно бомбардировалась различными космическими пришельцами – большими и малыми астероидами, способными на корню погубить едва зародившуюся жизнь. Вулканическая активность была источником едких сернистых газов и пепла, скрывавшего под толстым слоем нагара и кислотных атмосферных осадков все, что могло быть причастно к возникновению и развитию жизни и так далее.

Океаническое дно же не знало этих катаклизмов, и реакции химического обмена мало-помалу выделяли энергию, необходимую для медленного, но устойчивого роста сложных органических систем.

Впрочем, такая гипотеза хоть и звучит правдоподобно, все же является пока что чисто спекулятивной. Во многом это обусловлено сильным отличием глубоководных микроорганизмов от тех, что обитают на поверхности земли и изучаются микробиологами уже не первую сотню лет. Это отличие существенно осложняет исследование разнообразия и обилия флоры и фауны морского дна.

Вместо того чтобы изучать поднятые с поверхности дна образцы бактерий и их среды обитания, Эдвардс планирует в скором будущем развернуть лабораторию прямо на морском дне на глубине в 5 тысяч метров.

Эта затея, многократно описанная в различных научно-фантастических произведениях и кинолентах, может вполне обрести свое реальное воплощение уже в недалеком будущем благодаря гранту в $3,9 миллиона, выделенному на эти исследования одним из частных фондов.

Первая экспедиция из намеченного плана экспериментальной работы будет заключаться не только в изучении микроорганизмов, населяющих толщу осадочных и пористых магматических пород непосредственно под океаническим дном. Ученые планируют с помощью глубоководного бура вскрыть стометровый слой осадочных наслоений и проникнуть вглубь базальта еще на полкилометра.

Кроме изучения распределения бактерий по толщине минеральных пород морского дна, ученые таким образом точнее выяснят степень их разнообразия, численности и схожести на разных глубинах. Это должно дать ответ на главный вопрос – сформировалась ли донная жизнь в результате опускания первых ее представителей с поверхности воды, или зарождение жизни все же произошло где-то в толще застывшей магмы.

Кроме того, по мнению Эдвардс, эта работа внесет неоценимый вклад в стыковку двух до сих пор сильно разделенных наук о земле и о жизни. Новая смешанная дисциплина – геобилогия – призвана ответить на массу вопросов, связанных с развитием живых систем под влиянием событий геологической истории планеты. Об этой неразрывной связи говорил еще прославленный отечественный ученый Владимир Иванович Вернадский, создавший и развивший учение о биосфере, сформировавшейся в ходе миллионов лет взаимодействия живой и неживой материи.

Глубоководная биосфера, по мнению Эдвардс, – наилучший объект для таких исследования, так как позволяет отследить закономерности, изучаемые геномикой и биологией в масштабах миллионов лет.

Источники:

1. Газета.Ru