В глубоких подземных водоносных горизонтах есть клетки, которые обладают химическим свойством для получения кислорода, который поддерживает целые подземные экосистемы.
Ученые пришли к выводу, что в почве и горных породах под нашими ногами находится огромная биосфера, глобальный объем которой почти в два раза превышает объем всего Мирового океана. Однако об этих подземных организмах, составляющих большую часть микробной массы планеты и по своему разнообразию превосходящих наземные формы жизни, известно очень мало. Их существование сопряжено с одной загадкой: раньше исследователи были уверены, что многие из этих подземных миров представляют собой сплошные мертвые зоны с дефицитом кислорода, населенные лишь примитивными микробами, которые поддерживают свой метаболизм на низком уровне и выживают за счет следов питательных веществ. Считалось, что подземная среда должна становиться безжизненной с увеличением глубины.
Но в новом исследовании, опубликованном в июне 2023 года в журнале Nature Communications, ученые представили данные, опровергающие эти предположения. В подземных водоемах, расположенных на глубине 200 м под месторождениями ископаемого топлива в канадской провинции Альберта, они обнаружили многочисленные микробы, которые производят неожиданно большое количество кислорода даже при полном отсутствии света. По словам Карен Ллойд, микробиолога из Университета Теннесси, микробы вырабатывают и выделяют такое количество так называемого “темного кислорода”, что это похоже на открытие “объемов кислорода, получаемого в результате фотосинтеза в тропических лесах Амазонки”:
“Количество газа, диффундирующего из клеток, настолько велико, что создает условия, благоприятные для развития кислородозависимой жизни в окружающих грунтовых водах и пластах”.
“Это эпохальное исследование”, – соглашается Барбара Шервуд Лоллар, геохимик из Университета Торонто. Прошлые исследования часто рассматривали механизмы, которые могли бы производить водород и некоторые другие жизненно важные молекулы для подземной жизни, но генерация кислородсодержащих молекул в значительной степени упускалась из виду, поскольку кислород, как представляется, напрямую связан с фотосинтезом и наличием света. До сих пор “ни одно исследование не объединяло все это”, – сказала она.
В новой работе изучались глубокие водоносные горизонты в канадской провинции Альберта, которая обладает настолько богатыми запасами подземных смол, нефтяных песков и углеводородов, что ее прозвали “канадским Техасом”. Поскольку огромные животноводческие и сельскохозяйственные предприятия провинции в значительной степени зависят от грунтовых вод, правительство провинции активно следит за их кислотностью и химическим составом. Однако никто не проводил систематических исследований микробиологии подземных вод.
В 2015 г., когда Эмиль Рафф начал работать в аспирантуре по микробиологии в Университете Калгари, проведение такого исследования казалось ему “малоперспективным делом”. Он не знал, что эта, казалось бы, простая работа займет его в течение следующих шести лет.
Переполненные глубины
Собрав грунтовые воды из 95 скважин по всей Альберте, Рафф и его коллеги начали проводить базовые микроскопические исследования: они окрашивали микробные клетки в образцах подземных вод красителем на основе нуклеиновой кислоты и использовали флуоресцентный микроскоп для их подсчета. Радиометрическое определение органического вещества в образцах и проверка глубины, на которой они были взяты, позволили исследователям определить возраст подземных водоносных горизонтов, которые они проверяли.
Их озадачила одна закономерность в цифрах. Обычно при исследовании осадочных пород под морским дном, например, ученые обнаруживают, что количество микробных клеток уменьшается с глубиной: старые, более глубокие образцы не могут поддерживать столько жизни, поскольку они более отрезаны от питательных веществ, получаемых фотосинтезирующими растениями и водорослями у поверхности. Но, к удивлению команды Раффа, в старых, более глубоких грунтовых водах содержалось больше клеток, чем в более свежих.
Затем исследователи приступили к идентификации микробов в образцах, используя молекулярные инструменты для выявления их маркерных генов. Многие из них оказались метаногенами – простыми одноклеточными микробами, которые вырабатывают метан, потребляя водород и углерод, сочащийся из горных пород или разлагающихся органических веществ. Также присутствовало множество бактерий, питающихся метаном или минералами, содержащимися в воде.
Однако не совсем понятным было то, что многие бактерии оказались аэробами – микроорганизмами, которым для переваривания метана и других соединений необходим свободный молекулярный кислород. Как могли аэробы процветать в подземных водах, где в принципе не должно быть кислорода, ведь фотосинтез невозможен? Однако проведенный химический анализ подтвердил большое количество растворенного кислорода даже в пробах подземных вод, взятых на глубине 200 м.
Это было неслыханно. “Мы наверняка испортили образец”, – такова была первая реакция Раффа.
Сначала он попытался доказать, что растворенный кислород в пробах – результат неправильной обработки. “Это как быть Шерлоком Холмсом”, – сказал Рафф. – “Вы пытаетесь найти доказательства и признаки”, опровергающие ваши предположения. Однако содержание растворенного кислорода в сотнях проверенных образцов оказалось одинаковым. Неправильная обработка не могла объяснить этого.
Но если растворенный кислород появился не в результате загрязнения, то откуда он взялся? Рафф понял, что стоит на пороге чего-то грандиозного, хотя делать спорные заявления было не в его характере. Многие его соавторы тоже сомневались: находка грозила разрушить фундамент наших представлений о подповерхностных экосистемах.
Производство кислорода для всех
Теоретически растворенный в подземных водах кислород мог образоваться в растениях, микробах или в результате геологических процессов. Чтобы найти ответ на этот вопрос, исследователи обратились к масс-спектрометрии – методу, позволяющему измерять массу атомных изотопов. Как правило, атомы кислорода из геологических источников тяжелее, чем кислород из биологических источников. Кислород в подземных водах был легким, что свидетельствовало о его происхождении от живых организмов. Наиболее вероятным кандидатом были микробы.
Ученые секвенировали геномы всего сообщества микробов, обитающих в подземных водах, и проследили биохимические пути и реакции, наиболее вероятные для получения кислорода. Ответы раз за разом указывали на открытие, сделанное более десяти лет назад Марком Строусом (Marc Strous) из Университета Калгари, старшим автором нового исследования и руководителем лаборатории, в которой работал Рафф.
Трудясь в лаборатории в Нидерландах в конце 2000-х годов, Строус заметил, что один из видов бактерий, питающихся метаном и часто встречающихся в осадочных слоях озер и сточных водах, ведет странный образ жизни. Вместо того чтобы получать кислород из окружающей среды, как другие аэробы, бактерия производила свой собственный кислород, используя ферменты для расщепления растворимых соединений, называемых нитритами (которые содержат химическую группу, состоящую из азота и двух атомов кислорода). Полученный кислород бактерии использовали для расщепления метана с целью получения энергии.
Когда микробы расщепляют соединения таким образом, это называется дисмутацией. До сих пор считалось, что в природе подобный способ получения кислорода встречается редко. Однако недавние лабораторные эксперименты с искусственными сообществами микробов показали, что кислород, образующийся в результате расщепления, может выходить из клеток в окружающую среду, принося пользу другим кислородозависимым организмам, что представляет собой своеобразный симбиотический процесс. По мнению Раффа, именно это может способствовать процветанию целых сообществ аэробных микробов в грунтовых водах, а в перспективе и в окружающих почвах.
Химия для жизни в других местах
Эта находка заполняет важнейший пробел в нашем понимании того, как развивалась огромная подземная биосфера и как дисмутация способствует круговороту соединений в глобальной окружающей среде. Сама возможность присутствия кислорода в подземных водах “меняет наше представление о прошлом, настоящем и будущем недр”, – сказал Рафф.
По словам Лоллар, понимание того, что живет в недрах нашей планеты, также “имеет решающее значение для переноса этих знаний на другие планеты”. Например, почва Марса содержит перхлоратные соединения, которые некоторые земные микробы могут превращать в хлорид и кислород. Луна Юпитера Европа имеет глубокий замерзший океан; солнечный свет туда не проникает, но кислород там потенциально может производиться не путем фотосинтеза, а путем микробного расщепления. Ученые наблюдали шлейфы водяного пара, вырывающиеся с поверхности Энцелада, одной из лун Сатурна. Вероятно, шлейфы исходят из подповерхностного океана жидкой воды. Если когда-нибудь мы обнаружим жизнь на других мирах, подобных Энцеладу, то, возможно, для выживания она будет использовать пути дисмутации, а не фотосинтеза.
Независимо от того, насколько важным окажется расщепление во Вселенной, Ллойд поражена тем, насколько новые находки опровергают нынешние представления о потребностях жизни, а также тем научным невежеством, которое они демонстрируют в отношении одной из крупнейших биосфер планеты. “Такое впечатление, что мы все время смотрели не в ту сторону”, – удивилась она.
Читайте также: Ровер НАСА побил рекорд по производству кислорода на Марсе