Согласно новой модели, обитатели обширного древнего биома под морским дном используют такое количество энергии, которого едва хватает, чтобы выжить. Это делает шире наше представление о том, как может выглядеть жизнь.
Без энергии наша планета была бы неподвижной; энергия — это валюта, благодаря которой все живые существа могут расти, развиваться и функционировать. Но какова минимальная энергия, необходимая клеткам для выживания? Изучение живущих в морских донных отложениях микробов, разнообразие которых, возможно, больше, чем тех, что обнаружены в самих морях и океанах, даёт ряд неожиданных ответов. Эти организмы не только бросают вызов устоявшимся научным представлениям о потреблении жизненно важной энергии, но и наводят на мысль, что пришло время по-новому определить, что такое жизнь и где она возможна.
Недавно в журнале Science Advances команда исследователей опубликовала статью, в которой дала наиболее полную на сегодняшний день картину странной биосферы, скрывающейся под морским дном. Научные экспедиции, то и дело предпринимаемые для изучения этих тёмных глубин, проводят бурение океанского дна и находят клетки, способные выживать почти в состоянии анабиоза, ибо потребляют энергии на порядки меньше, чем те, что находятся на поверхности океанов. Однако, согласно модели, представленной в новом исследовании, это состояние, заставляющее вспомнить про зомби, отнюдь не редкость: по-видимому, оно является обычным для подавляющего большинства микробов, обитающих в океанических отложениях. В таком случае, энергетический бюджет этих организмов приближается к необходимому для жизни теоретически рассчитанному минимуму.
«В распоряжении всей этой биосферы клеток, эквивалентной по размеру земной почве, такое количество энергии, какого едва хватает, чтобы выживать», — говорит ведущий автор нового исследования с применением моделирования Джеймс Брэдли (James Bradley), геобиолог Лондонского университета королевы Марии (Queen Mary University of London).
Для изучения микробов, обитающих в донных отложениях, нужны образцы, и, чтобы добыть эти образцы, обычно приходится проводить сложные и дорогие буровые экспедиции. К тому же, океанами покрыто 70% земной поверхности. «Мы очень быстро пришли к выводу, что нам не следует стремиться к тому, чтобы получить столько образцов, сколько необходимо для картирования морских отложений, — говорит соавтор статьи Джан Аменд (Jan Amend), директор Центра исследований биосферы тёмной энергии (Center for Dark Energy Biosphere Investigations) при Университете Южной Калифорнии (University of Southern California). — Мы решили использовать существующие данные и расширять их, применяя моделирование».
С этой целью Аменд, Брэдли и остальные члены команды разделили океаны на сотни тысяч участков и в каждом из них, используя накопленные за десятилетия данные экспедиций, лабораторных экспериментов и теоретических моделей, экстраполировали подробный профиль сравнительно молодых отложений. При этом учёных интересовали возраст отложений, плотность и распределение в них клеток, способы получения этими клетками энергии и скорость усвоения доступных для клеток питательных веществ.
На основе полученных данных исследователи рассчитали для каждого региона энергопотребление клеток — не просто количество энергии как таковое, а скорость, с которой клетки получают и потребляют энергию. «Это очень важно, поскольку позволяет судить об энергетике жизни более точно, — объясняет Карен Ллойд (Karen Lloyd), микробиолог Университета Теннесси в Ноксвилле (University of Tennessee, Knoxville), не принимавшая участия в исследовании. — Время, безусловно, весьма значимо для жизни».
Зептоватт жизни
Учёные обнаружили, что клетки, погребённые в океанических отложениях, задействуют невероятно мало энергии. В целом микробы в этих отложениях, обитая кое-где на глубинах, составляющих километры под морским дном, совокупно потребляют лишь десятую долю процента энергии, потребляемой в верхнем 200-метровом слое океана. По словам Ллойд, в среднем каждая клетка, погребённая в отложениях, выживает за счёт энергии, уровень мощности которой значительно ниже потребляемого «некоторыми из тех, кто в наибольшей степени страдает от нехватки энергии», — и на порядки ниже, чем потребляют любые другие организмы, когда-либо изучавшиеся в лабораторных условиях.
Новые данные коррелируют с более ранними — теми, что содержатся в теоретической работе, опубликованной членами команды в 2015 году. Тогда учёные попытались рассчитать минимально необходимое для жизни количество энергии, исходя из предположения, что даже в глубоком анабиозе клетки, чтобы выжить, должны восстанавливать случайные повреждения своих основных молекул. Исследователи обнаружили, что для отдельных клеток этот минимум потребляемой мощности приблизительно составляет 1 зептоватт, или 10−21 ватт — примерно столько, сколько ежедневно необходимо для подъёма одной тысячной крупинки соли на один нанометр. (Для сравнения: человеческое тело, как и настольная лампа, потребляет в среднем около 100 Вт). Согласно новой модели, клеткам, которые живут в донных отложениях, требуется чуть больше зептоватта.
Хотя такого рода измерения проводились и ранее, они имели фрагментарный характер, ибо учёные исследовали лишь отдельные участки морского дна. «Мы бурили в разных местах и извлекли тонну морских отложений, — отмечает Ллойд, — а в этой статье всё сведено воедино и представлено в глобальном виде».
Биосфера статического равновесия
Из данных, полученных в ходе исследования, вытекает, что клетки поддонного биома почти не делятся: некоторым из них, живущим в нижних слоях, может быть 100 миллионов лет. Кроме того, получается, что в течение всего этого времени клетки нижних слоёв, возможно, не развивались и, в сущности, не менялись. Это биосфера статического равновесия. «Фактически, жизнь в большинстве этих клеток еле теплится, — говорит Аменд. — Наши знания о том, как развиваются клетки, совершенно непригодны для этой невероятно большой биосферы».
И всё же эти почти, но не совсем мёртвые клетки в силу своей многочисленности и множества пережитых ими эпох играют важную роль в производстве метана, разложении крупнейших на планете запасов органического углерода и других процессах. «Они необычайно маломощные существа, но их влияние на Землю без всякого преувеличения огромно», — восторгается Ллойд.
В общем, «чтобы жить, много энергии не нужно», добавляет она. А раз так, то возможно, что жизнь существует и в тех мирах, которыми раньше учёные не интересовались, в том числе на планетах, кажущихся негостеприимными для живых существ. Например, очень может быть, что каким-то клеткам удалось выжить в мирах, где когда-то были океаны, а теперь приходится дожидаться лучших времён.
Эта модель, дающая исчерпывающую информацию, всё ещё нуждается в доработке: она фокусируется на сравнительно молодых поддонных отложениях, возраст которых составляет около 2,6 миллиона лет. Количество потребляемой микробами энергии в более глубоких отложениях может быть меньше, а в других местах обитания под морским дном, например, в горных породах земной коры, больше.
Допущения, применённые при создании модели, также требуют дополнительных исследований. «Здесь множество деталей, которые стоит проверить», — считает Стив Д’Ондт (Steve D’Hondt), океанограф Университета Род-Айленда (University of Rhode Island), не принимавший участия в исследовании. Например, говорит он, некоторые оценки географического распределения аэробного и анаэробного метаболизма, сделанные в новой работе, не полностью совпадают с предыдущими выводами.
Но этого следовало ожидать, добавляет Д’Ондт: модели выявляют закономерности и прогнозируют результаты дальнейшего тестирования. Юки Мороно (Yuki Morono), микробиолог из Японского агентства морских геологических наук и технологий (Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology), обнаружил, что моделирование, проведённое Брэдли и его коллегами, дополняет его собственные выводы о жизни в глубоких отложениях и может способствовать устранению некоторых пробелов.
Выживание на грани возможного
Мороно и Д’Ондт руководили командой учёных, которая две недели назад объявила, что ей удалось пробудить бактерии, спавшие глубоко под морским дном 100 миллионов лет. Исследователи провели кропотливую работу, в результате чего активность большинства спавших клеток заметно выросла, и они вернулись в состояние роста. Однако, при попытке сделать то же самое в предыдущем исследовании, учёные, работая с микробами из более молодых, более богатых питательными веществами отложений, смогли пробудить лишь малую часть — результат парадоксальный, ибо условия обитания этих клеток были, вроде бы, менее суровыми.
Модель, представленная в новой статье Брэдли, позволяет выдвинуть следующее объяснение: во время образования 100 миллионов лет назад морских отложений у оказавшихся в них микробов могло быть больше энергии или мощности. По мнению Мороно, возможно, что начальное состояние, за которым следует быстрое падение уровня энергии, каким-то образом делает долгосрочное выживание клеток, оказавшихся погребёнными глубже, более вероятным.
Мороно надеется, что учёные продолжат интегрировать в своих моделях данные всё новых и новых исследований, чтобы облегчить научное объяснение фактов, кажущихся парадоксальными. Но, похоже, уже сейчас моделирование помогло подтвердить кое-что из того, о чём предполагали многие учёные. «Где границы жизни? Что нужно, чтобы там была жизнь? — говорит Ллойд. — Выходит, не очень-то много».
Автор: Джордана Цепелевич (Jordana Cepelewicz), Перевод: Александр Горлов