На глубине 1626 м под уровнем морского дна обнаружена богатая микробная жизнь

Архебактерия Pyrococcus furiosus — типичный обитатель горячих подводных источников и разогретых горных пород. Растет при температуре от 70 до 103 градусов. Фото с сайта www.dbu.de
Архебактерия Pyrococcus furiosus — типичный обитатель горячих подводных источников и разогретых горных пород. Растет при температуре от 70 до 103°C. Фото с сайта www.dbu.de

До сих пор максимальная глубина, на которой в толще морских донных отложений были обнаружены живые микробы, составляла 842 м. Результаты глубоководного бурения у берегов Ньюфаундленда показали, что богатая микробная жизнь присутствует вплоть до глубины 1626 м под уровнем морского дна, где при температуре 60–100°C обитают разнообразные термофильные архебактерии. Основную их пищу составляет метан и более тяжелые углеводороды, образующиеся в земных недрах при высоких температурах.

Прокариоты — бактерии и археи (= архебактерии) — составляют, возможно, половину всей биомассы на планете. Согласно одной из оценок, общая масса углерода, заключенного в клетках прокариот, достигает 550 млрд тонн (Whitman et al., 1998) — примерно столько же, сколько во всех растениях и животных, вместе взятых. Но даже эта колоссальная цифра может оказаться заниженной, поскольку мы еще очень мало знаем о «подземной биосфере» — разнообразных и многочисленных микробах, обитающих в толще горных пород глубоко под землей и в особенности под океанским дном.

Предполагается, что в полостях и трещинах осадочных и вулканических пород под дном океанов может скрываться до 2/3 всех микробов, обитающих на планете (из оставшейся трети подавляющее большинство обитает под поверхностью суши, в толще континентальной коры — вплоть до глубин 5–7 км). Однако для уточнения этих оценок нужны прямые данные, то есть непосредственные количественные оценки численности и разнообразия микроорганизмов в пробах, полученных в ходе глубоководного бурения. Получение таких данных — дело весьма трудоемкое и дорогостоящее. До сих пор рекордная глубина, на которой были обнаружены живые микроорганизмы, составляла 842 метра под уровнем морского дна. Микробы были найдены в морских отложениях возрастом до 3,5 млн лет при температуре до 55°C.

В последнем номере журнала Science группа ученых из Франции и Великобритании сообщила о результатах микробиологического анализа девяти проб, полученных из гораздо более глубокой скважины. Бурение производилось у берегов Ньюфаундленда. Глубина океана в точке бурения составляет 4560 м. Интерес к этому району Атлантики связан с тем, что это один из самых древних участков океанского дна, который образовался на ранних этапах формирования Северной Атлантики.

Пробы были взяты на глубинах от 860 до 1626 м под уровнем морского дна. Пробуренная толща состоит из донных отложений, формировавшихся на протяжении более 100 млн лет (возраст осадочных пород в самой нижней пробе составляет 111 млн лет, в самой верхней — 46 млн лет). На глубине около 1610 м имеется прослой твердых вулканических пород десятиметровой толщины, представляющий собой труднопреодолимое препятствие для жидкостей и газов. Самая нижняя из девяти проб была взята непосредственно под вулканическим прослоем. В этой пробе обнаружилась резко повышенная концентрация метана и высокомолекулярных углеводородов, которые образуются в недрах земли при высоких температурах. Вулканический прослой, очевидно, не позволяет этим веществам просачиваться наверх и способствует их накоплению.

Температура на разных глубинах не могла быть измерена непосредственно и потому вычислялась на основе косвенных признаков со значительной погрешностью. Для самой глубокой пробы (1626 м) была определена температура 60–100°C.

По вертикальной оси — глубина (в метрах под поверхностью морского дна). Черными точками и оранжевыми линиями показана концентрация метана в пробах. Треугольники и сплошная черная линия отражают отношение массы углеводородов к общей массе органического углерода. Синяя линия — процент делящихся клеток. Красная линия — число клеток на куб. см. Горизонтальной пунктирной линией показано положение вулканического прослоя, не позволяющего углеводородам просачиваться наверх. Справа указаны преобладающие разновидности архебактерий (ANME — археи, осуществляющие анаэробное окисление метана), а также минимальные и максимальные температуры для четырех проб. Рис. из обсуждаемой статьи в Science
По вертикальной оси — глубина (в метрах под поверхностью морского дна). Черными точками и оранжевыми линиями показана концентрация метана в пробах. Треугольники и сплошная черная линия отражают отношение массы углеводородов к общей массе органического углерода. Синяя линия — процент делящихся клеток. Красная линия — число клеток на куб. см. Горизонтальной пунктирной линией показано положение вулканического прослоя, не позволяющего углеводородам просачиваться наверх. Справа указаны преобладающие разновидности архебактерий (ANME — археи, осуществляющие анаэробное окисление метана), а также минимальные и максимальные температуры для четырех проб. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Во всех девяти пробах обнаружилось большое количество живых микробов (разумеется, были приняты все возможные меры, чтобы избежать загрязнений). Присутствие живых микроорганизмов было подтверждено несколькими независимыми методами. Во-первых, их просто наблюдали под микроскопом, причем многие клетки были застигнуты в момент деления. Во-вторых, пробы окрашивали особым красителем, который заставляет живые клетки прокариот светиться зеленым светом, а мертвые — красным. В-третьих, из каждой пробы выделялась ДНК, подвергавшаяся затем детальному анализу.

Количество микробов в пробах колебалось вокруг среднего значения 1,5 млн клеток на куб. см. — это типичная плотность микроорганизмов для глубоких слоев морских осадков. Примерно 60% клеток после окраски засветились зеленым, то есть были живыми. Больше всего делящихся клеток обнаружилось в самой нижней пробе, где была максимальная концентрация углеводородов, а также максимальная температура.

Thermococcus — один из характерных обитателей горячих глубинных слоев земной коры. Предпочитает температуру от 60 до 100°C. На одном из полюсов клетки находится пучок длинных жгутиков (как и у родственного Pyrococcus). Фото с сайта microbewiki.kenyon.edu
Thermococcus — один из характерных обитателей горячих глубинных слоев земной коры. Предпочитает температуру от 60 до 100°C. На одном из полюсов клетки находится пучок длинных жгутиков (как и у родственного Pyrococcus). Фото с сайта microbewiki.kenyon.edu

Анализ ДНК позволил приблизительно оценить таксономическое разнообразие обитателей земных недр. Ученые сосредоточились на археях, поскольку именно эта группа прокариот обычно преобладает в глубине морских отложений и в гидротермальных источниках. Удалось идентифицировать около полутора десятков разновидностей архей. В самой нижней пробе преобладают археи, относящиеся к хорошо изученным родам Pyrococcus и Thermococcus. Эти микробы могут расти при экстремально высоких температурах (до 100–103°С). Они являются гетеротрофами, то есть питаются готовыми органическими соединениями. Не исключено, что в недрах земли им могут служить пищей высокомолекулярные углеводороды, образующиеся абиогенным путем — без участия живых существ. В остальных пробах отмечено большое количество архей, осуществляющих бескислородное окисление метана.

Само собой разумеется, что все обнаруженные микробы являются анаэробными (не нуждаются в кислороде). Судя по всему, они живут в полной изоляции от «поверхностной» биосферы, не зависят от солнечного света и получают всё необходимое исключительно из недр земли. Но в целом экологический и таксономический «портрет» микробного сообщества пока удалось прорисовать лишь в самых общих чертах. Вполне возможно, что там есть и другие разновидности прокариот, которые еще только предстоит обнаружить и изучить.

В последние годы всё больше входит в моду гипотеза о том, что жизнь впервые зародилась именно в таких условиях: в трещинах и полостях перегретых горных пород, глубоко в недрах земли. Поэтому изучение подобных экзотических микробных сообществ, возможно, со временем приблизит нас к разгадке тайны происхождения жизни.

Источник: Erwan G. Roussel, Marie-Anne Cambon Bonavita, Joël Querellou, Barry A. Cragg, Gordon Webster, Daniel Prieur, R. John Parkes. Extending the Sub-Sea-Floor Biosphere // Science. 2008. V. 320. P. 1046.

См. также:
Обитатели земных недр не нуждаются в солнечном свете, «Элементы», 23.10.2006.

Александр Марков


6
Показать комментарии (6)
Свернуть комментарии (6)

  • Y.P.  | 29.05.2008 | 09:53 Ответить
    А ещё, как я слышал, есть такая гипотеза, будто подвижность земной коры есть следствие зарождения жизни на планете. По моему, красивая идея.
    Ответить
  • Алексей Гиляров  | 29.05.2008 | 12:15 Ответить
    Касательно того, что микробы двигают тектонические плиты, есть область ненаучной фантастики. Бактерии встраиваются в существующее геофизические и геохимические условия. И первые бактерии конечно жили на однонаправленном потоке (без круговорота еще). А вот куда интереснее то, что в сегодняшнем номере Nature статья на сходную тему, но других авторов. См.: Nature V. 453, pp. 653-656 (29 May 2008)
    Abundance and diversity of microbial life in ocean crust
    Cara M. Santelli, Beth N. Orcutt, Erin Banning, Wolfgang Bach, Craig L. Moyer, Mitchell L. Sogin, Hubert Staudigel & Katrina J. Edwards
    Вот резюме их статьи:
    "Oceanic lithosphere exposed at the sea floor undergoes seawater-rock alteration reactions involving the oxidation and hydration of glassy basalt. Basalt alteration reactions are theoretically capable of supplying sufficient energy for chemolithoautotrophic growth. Such reactions have been shown to generate microbial biomass in the laboratory, but field-based support for the existence of microbes that are supported by basalt alteration is lacking. Here, using quantitative polymerase chain reaction, in situ hybridization and microscopy, we demonstrate that prokaryotic cell abundances on seafloor-exposed basalts are 3-4 orders of magnitude greater than in overlying deep sea water. Phylogenetic analyses of basaltic lavas from the East Pacific Rise (9° N) and around Hawaii reveal that the basalt-hosted biosphere harbours high bacterial community richness and that community membership is shared between these sites. We hypothesize that alteration reactions fuel chemolithoautotrophic microorganisms, which constitute a trophic base of the basalt habitat, with important implications for deep-sea carbon cycling and chemical exchange between basalt and sea water."
    Ответить
    • Y.P. > Алексей Гиляров | 29.05.2008 | 12:26 Ответить
      Боже ж мой, какие вы тут умные. Хорошо бы ещё следили за точностью формулировок. А то что это такое - "микробы двигают тектоническими плитами", - как такое может в голову прийти? Микробы же маленькие, а плиты большие. Маленькие микробы просто не смогут их с места сдвинуть. А договариваться они не умеют (прокариоты же, чё с них взять)...
      Ответить
  • VAF  | 29.05.2008 | 17:31 Ответить
    Как я понял и статьи, сторонники абиогенного происхождения нефти получили ещё один козырь?
    Ответить
    • Марков Александр > VAF | 29.05.2008 | 18:51 Ответить
      Говоря формально, пожалуй, нет, т.к. "термогенные углеводороды", о которых идет речь, могли в принципе образоваться из органики, захороненной вместе с этими осадками (ведь все это происходит в осадочных породах). Но если подумать, то может быть и да. Ведь в самой нижней пробе, где больше всего углеводородов, не нашли ни архей-метаногенов, которые могли бы производить метан, ни архей - анаэробных окислителей метана, которые могли бы превращать метан в сложную органику, из которой потом при высоких температурах могли бы образоваться тяжелые углеводороды. Там вообще не нашли автотрофов - производителей органики. Там нашли только ГЕТЕРОТРОФНЫХ архей - пирококков и термококков, т.е. только потребителей уже готовой органики. А сверху - вулканическая "крышка", сквозь которую ничего не просачивается. Если бы не было притока этой органики "снизу", пирококки давно бы все съели. А "снизу" там уже должны быть температуры, слишком высокие даже для архей. По крайней мере сами авторы объясняют отсутствие архей - окислителей метана в нижней пробе тем, что там для них уже слишком горячо. Вот и получается, что углеводороды там, скорее всего, абиогенного происхождения.
      Но тут вообще много неясностей. Например, никто ведь не знает, могут ли реально пирококки и термококки расти на углеводородах, и за счет каких химических процессов. В лаборатории они предпочитают чего повкуснее (сахара, белки).
      Ответить
  • Kostja  | 08.06.2008 | 01:19 Ответить
    Очень интересная статья. Надеюсь за этим исследованием последуют многие другие. Могут случится серьезные изменения в разнообразных концепциях, если это в самом деле открытие ранее неизвестной, но значительной части биосферы.
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»