Книга: Будущее Земли: Наша планета в борьбе за жизнь

14. Невидимая империя

14. Невидимая империя

начале этого столетия члены нью-йоркского Клуба исследователей столкнулись с проблемой: им стало не хватать непокоренных горных вершин, неизведанных полярных ледников и неизученных амазонских племен. В 2009 г. они попытались решить ее, добавив биоразнообразие в число предметов своего интереса. И они не прогадали. Изучение биоразнообразия способно удовлетворить потребности в новизне ученых и искателей приключений не хуже, чем самая рискованная экспедиция в любой из укромных уголков, что еще остались на планете Земля.

Как это ни странно, одним из последствий возросшего интереса к биоразнообразию стало более внимательное изучение флоры и фауны нашего собственного организма. Благодаря применению метода быстрого секвенирования ДНК при изучении микроорганизмов стало понятно, что в теле каждого здорового человека находится целый ряд сбалансированных сообществ, состоящих главным образом из бактерий. Подобно различным микроорганизмам, живущим в других организмах, они в большинстве своем дружелюбны к своему хозяину. Биологи называют их «мутуалистическими симбионтами», имея в виду, что они не только получают выгоду от растений или животных, с которыми сосуществуют, но и сами приносят им пользу.

Во рту и в пищеводе обычного человека обитает свыше 500 видов таких бактерий. Образуя своего рода микробиологический «дождевой лес», хорошо приспособленный к окружающей его среде, они защищают эту часть организма от вредных паразитических видов бактерий. Цена нарушения симбиоза — вторжение чужеродных микроорганизмов, образование зубного налета, кариес и пародонтит.

Если спуститься вниз и изучить каждый из отделов желудочно-кишечного тракта, окажется, что колонии различных бактерий играют ключевую роль в процессах пищеварения и переработки метаболитов. В среднем в организме человека насчитывается несколько десятков триллионов клеток. По данным нескольких исследований, это значение составляет 40 трлн. Среднее количество бактерий в нашем микробиоме, как его теперь называют, по крайней мере в десять раз выше. У микробиологов есть шутка, которая отлично передает смысл этого наблюдения: если бы принцип доминирующего ДНК был единственным таксономическим принципом в биологии, то людей бы пришлось отнести к категории бактерий.

Поэтому нет ничего удивительного в том, что микробиом занимает большое место в медицинских исследованиях и медицинской практике. Исследователи все чаще обращаются к роли симбионтов при изучении широкого спектра медицинских проблем, главным образом относящихся к работе желудочно-кишечного тракта, а также связанных с излишним весом, диабетом, недостаточной устойчивостью организма к инфекциям и даже некоторыми видами психических расстройств. Микробиом — набор взаимосвязанных экосистем, в которых должен поддерживаться определенный уровень и баланс видового разнообразия. Если говорить кратко, в значительной мере медицинская практика в будущем превратится в деятельность по взращиванию сада бактерий.

Такие сады, растущие в организме человека и других животных, ничем не отличаются от прочих экосистем — как внутренних, так и внешних. Мы не знаем, сколько именно разновидностей микробиомов обитает в организмах животных и растений по всему миру, но можем предположить, что их очень много. Например, те сообщества бактерий, что населяют организм питающихся древесиной термитов, как выяснили микробиологи, кардинально отличаются от тех, которые живут в организме плотоядных муравьев, и уж тем более от тех, которые можно обнаружить в других живых существах — от лягушек до земляных червей. Очевидно, что микробиология симбиотических отношений, которая занимается изучением этих систем, является сейчас одним из самых перспективных направлений и будет оставаться таковым еще в течение многих десятилетий.

Рождение микробиологии как науки относят к концу XVII в. Ее основателем считается Антони ван Левенгук, изобретатель микроскопа, в который можно было наблюдать бактерии. Но биологам понадобилось еще почти 400 лет, чтобы обнаружить археи — группу похожих на бактерии микроорганизмов, ДНК которых принципиально отличается от ДНК бактерий. Это открытие было сделано группой ученых под руководством американца Карла Вёзе. Оно поставило под вопрос базовую структуру «дерева жизни» и наше представление о первых этапах эволюции жизни. «Дерево» — схематическое изображение родственных связей между видами и группами видов, позволяющее проследить ход эволюции и увидеть, как одни виды организмов сменялись другими. Оно показывает, как некоторые виды распадались на множество дочерних в течение миллионов или — что, впрочем, случалось нечасто — тысяч лет. Были и те, с которыми ничего не происходило.

До находки Вёзе и его коллег общепринятой считалась классификация, состоявшая из пяти царств: дробянки (включающее бактерий и археи), протисты (включающее инфузорий, амеб и прочие одноклеточные организмы), грибы, растения и животные. После открытия Вёзе осталось три обширных «домена» жизни: бактерии (Bacteria) — микроорганизмы, у которых отсутствует ядерная оболочка; вновь выделенные археи (Archaea), похожие на бактерии структурой клеток и также не имеющие оформленного ядра; и эукариоты (Eukaryota) — объединяющие в себе все прочие известные формы жизни, клетки которых содержат ядро — протисты, грибы, животные, хромисты и растения. Сравнение ДНК показало, что если эукариоты в большинстве своем отличаются крупными размерами — свойство, на которое мы обращаем внимание в первую очередь, не замечая всего остального, — то бактерии и археи преобладают в количественном отношении и более широко распространены по всему миру, как это было всегда с момента зарождения жизни.

Микроорганизмы вырабатывают и откладывают минеральные вещества. Они расщепляют и выделяют органические химические соединения, которые влияют на рост растений. Они — повсюду, готовые перерабатывать токсичные отходы, поглощать и накапливать энергию солнечного света, соединять воду с углеродом. Они доминируют в основании пищевой цепи. Если выразить эту мысль кратко, жизнь нашей планеты, как когда-то метко заметил микробиолог Роберто Колтер, говоря о биосфере, «определяется невидимым миром».

Мир микроорганизмов заметно выделяется на фоне остальных форм жизни характерным для него генетическим разнообразием. С точки зрения последовательности ДНК у людей и картофеля больше общего, чем у большинства видов бактерий между собой. Биологи не имеют ни малейшего представления, сколько всего видов бактерий существует на Земле. Это значение может измеряться десятками миллионов или, предположительно, сотнями миллионов. В настоящее время отсутствует даже точное определение того, что такое бактерия или архея. А если учесть беспорядочный характер взаимодействия между отдельными организмами, картина становится еще более запутанной. Бактериальные клетки могут получать гены от других клеток, независимо от степени родства, самыми разными способами: собирая фрагменты ДНК из внешней среды, «обкрадывая» ретровирусы в процессе транспортировки ДНК этими квазиорганизмами в клетки более крупных организмов-хозяев и, наконец, участвуя в конъюгации — удивительно сложной операции, в ходе которой две клетки соединяются и обмениваются схожими сегментами ДНК.

Бактериальное разнообразие принципиально отличается от биоразнообразия в мире растений и животных даже по своему географическому распространению. Так или иначе в отношении многих видов бактерий действует принцип, который впервые сформулировал в 1934 г. один из основоположников экологии как науки Лоуренс Басс Бекинг: «Везде есть все, но выбор определяется средой». Смысл этого принципа в том, что многие генетические формы или нечто очень близкое к ним распространены по всему миру, но при этом большую часть времени никак себя не проявляют. Они образуют своего рода банк микробиологического разнообразия. При этом отдельные виды начинают размножаться только тогда, когда этому благоприятствуют условия внешней среды, то есть когда эти условия совпадают с предпочитаемыми, которые закодированы в ДНК. Спящие клетки просыпаются при соответствующем уровне кислотности, наличии необходимых питательных веществ и соответствующей температуре. Такие банки встречаются повсюду на суше и в водной среде. Причем генетические различия проявляются только на больших расстояниях, наверное сравнимых с протяженностью континентов. Такие масштабы являются обычным делом для процесса формирования видов растений и животных.

Более совершенные технологии анализа ДНК позволяют открывать все больше видов бактерий и прочих микроскопических форм жизни. Множество из них находятся прямо у нас перед глазами, но при этом они так малы, что разглядеть их в обычный оптический микроскоп невозможно. Из-за этого их часто не замечают при изучении микробных сообществ стандартными методами.

На данный момент, наверное, самым важным открытием в этой сфере является обнаружение бактерий вида . Несмотря на то что впервые их существование было установлено в 1988 г., бактерии совсем не редкость. Более того, они являются самой многочисленной группой организмов в тропических и субтропических морях по всему миру. Они обитают на глубине до 200 м, а локальная плотность их популяций достигает свыше 100 000 клеток на 1 мм. Учитывая, что эти крошечные клетки обладают еще и способностью к фотосинтезу, живя за счет энергии солнечного света, на них приходится 20–40% биомассы всех фотосинтетических организмов в океанах между 40° с. ш. и 40° ю. ш., а также до половины локальной чистой первичной биологической продукции. Таким образом, по крайней мере в теплых океанских водах невидимое обеспечивает жизнь видимого.

Но тут возникает вопрос: если бактерии наряду со вторым столь же широко распространенным видом бактерий являются самыми многочисленными организмами в традиционном понимании, не являются ли они пищей для вирусов, которые меньше их размерами? Ранее среди специалистов бытовало мнение, что такие микрохищники вряд ли многочисленны, а скорее — относительно редки. Однако в 2013 г. благодаря появлению новых методов в стремительно развивающейся сфере ультрамикроскопических исследований было обнаружено, что в среднем в одном литре морской воды содержится несколько миллиардов вирусов. Все они — бактериофаги (дословно — «пожиратели бактерий»). Самым многочисленным оказался вирус HTVC010P. Биологи до сих пор не могут решить, являются ли вирусы полноценными живыми организмами: ведь для размножения они используют молекулярные механизмы своих хозяев. Но если все-таки отнести вирус HTVC010P к этой категории, то придется признать его самым многочисленным видом на Земле.

Но и это еще не все. Да, поглощающие солнечный свет бактерии и охотящиеся на них хищники-бактериофаги составляют значительную часть известной нам материи океана. Но, скорее всего, их должны уравновешивать пока еще в большинстве своем не открытые падальщики и хищники, образующие «темную материю». Их также невозможно обнаружить с помощью обычных микроскопов. Судя по всему, эту роль — по крайней мере частично — выполняет чрезвычайно разнообразная группа пикобилифитов. Даже самые крупные из них — не более 2–4 миллионных долей метра в диаметре. В результате подробного изучения одного из видов в 2013 г. был выделен новый тип живых организмов, которому ученые дали название . Эти ничтожно маленькие существа питаются коллоидными частицами, перемещаясь рывками в воде при помощи жгутиков. Один из хорошо изученных видов отличается уникальной анатомией, которая не встречается среди других микроорганизмов. Его представители имеют продолговатую форму. При этом половину тела занимает органоид, отвечающий за питание, тогда как все остальные органоиды группируются в другой половине.

Когда исследователи опустились еще ниже, миновав рассеивающий слой на границе света и погрузившись в холодную тьму океанских глубин, перед ними предстал совершенно другой мир рыб, беспозвоночных животных и микроорганизмов. Каждый обитающий там вид приспособился выживать и размножаться на определенной глубине, на которой проходило его формирование.

Еще ниже — и вы внезапно утыкаетесь в нижний слой, который получил причудливо поэтическое, но при этом весьма меткое название «абиссальный бентос». Вы наверняка думаете, что в безликом слое наносных отложений в километрах от необходимого для фотосинтеза света вряд ли найдется место для большого разнообразия форм жизни. Но вы ошибаетесь. Жизнь в абиссальной зоне бьет ключом. Это отличное место для кормления, где основной трофический уровень занимают не растения и фотосинтезирующие бактерии, а падальщики. Эти организмы не гнушаются ничем, набрасываясь на любой труп, любой кусок плоти или кости, любой клочок кожи, любую частичку, пусть даже она не больше кристалла соли, то есть на все, что перепадает им от курсирующих в слоях выше хищных рыб — хаулиодов, пеликановидных большеротов и пр. Среди существ, ищущих себе пропитание на самом дне, встречаются по-настоящему уникальные виды рыб, беспозвоночных и бактерий. Все они ждут, когда сверху к ним опустится разлагающаяся «манна». Они — последние в цепи падальщиков, они — хищники, охотящиеся на падальщиков, и хищники, охотящиеся на хищников, охотящихся на падальщиков в океанских водах. Пищи крайне мало, но экосистема выживает за счет великолепного обоняния обитателей дна. Они способны распознавать самые слабые запахи, исходящие от кусочков пищи, даже в относительно спокойной воде.

Давайте представим, что будет с деревянной лодкой, если она затонет в море. Вскоре после того, как она достигнет дна, ее обнаружат личинки корабельных червей и прильнут к ее поверхности. В процессе роста эти «термиты моря» питаются деревом, прогрызая в нем туннели. Корабельные черви на самом деле вовсе и не черви, на которых они похожи внешне, а моллюски. Их ближайшими генетическими родственниками являются усоногие ракообразные.

Теперь представьте себе, что до дна добирается кусочек мяса. Пара минут — и вот уже рядом представитель глубоководного семейства долгохвостовых или бесчелюстная, похожая на угря, миксина. Они тут же на него набрасываются. Их сменяют беспозвоночные падальщики, а затем — бактерии. Еще немного, и от кусочка не остается ничего, кроме элементарных органических соединений, которые рассеиваются в неподвижной ледяной воде.

Любые недоеденные остатки дерева и плоти становятся мишенью для беспозвоночных животных и бактерий, среди которых есть «профессиональные» падальщики. Если бы проводился конкурс на самое странное существо, судьей в котором был бы человек, то я бы лично отдал свой голос червям рода оседакс (). Они питаются липидами, которые извлекают из опускающихся на дно океана костей китов. Сам по себе такой рацион уже можно считать примечательным, однако то, как эти черви получают пищу, кажется совсем невероятным. У самок оседакса, которые могут быть размером с человеческий палец, нет ни рта, ни кишечника. Пища поступает через корнеподобные выросты, проникающие в китовые кости. В выростах живут симбиотические бактерии. Эти микробы-партнеры разлагают липиды и делятся с хозяевами полученными веществами и выработанной энергией. А как же самцы? Тут все еще необычней. Длина самцов, которые больше напоминают личинок, всего лишь треть миллиметра. Это как точка, поставленная на ладони ручкой. В оболочке каждой самки живет более сотни самцов, образующих колонию паразитов. Питаются они при этом желтком яиц самок, то есть своими будущими братьями и сестрами. Занимаемая червями оседакс ниша не так уж скудна, как может показаться на первый взгляд: по оценкам, на дне океанов лежит приблизительно 600 000 скелетов китов.

Впрочем, даже если пожиратель китовых костей оседакс заставил вас призадуматься, давайте двигаться дальше вниз к другим формам жизни. Жизнь продолжает процветать даже под поверхностью дна, ниже пласта бентоса. Там к морским организмам присоединяются существа, занимающие глубинные пласты ила и горных пород, образуя покрывающий всю нашу планету слой под названием «глубинная биосфера». Подавляющую часть его обитателей составляют микроорганизмы, включая большое количество и бактерий, и бактериоподобных архей. На некоторых участках моря на полукилометровой глубине под бентосным слоем их концентрация достигает свыше миллиона клеток на кубический сантиметр. Если окажется, что эта цифра верна для всей поверхности Земли, это будет означать, что на микроорганизмы глубинной морской биосферы приходится более половины всех микроорганизмов на планете. А с точки зрения биомассы (веса органической материи) это сопоставимо с биомассой всех фотосинтезирующих растительных форм жизни на поверхности Земли.

Если эти оценки верны хотя бы отчасти, нам придется пересмотреть свои представления как о видах микроорганизмов, так и об образуемых ими экосистемах с учетом факта существования глубинной биосферы. На дне океана и, вероятно, в слое глубиной около метра под ним микроорганизмы и редкие беспозвоночные животные участвуют в круговороте углерода в водной среде и на суше. Они получают энергию из остатков организмов, которые в свою очередь сформировались благодаря энергии солнца. Но чем дальше вглубь, тем слабее эта связь. Очевидно, что в глубинной биосфере на смену энергии солнца приходит химическая энергия, образующаяся иным образом, а именно в результате геохимических процессов, связанных с получением энергии из неорганических источников в почве и горных породах. Максимальная глубина, на которой были найдены такие микроорганизмы, составляет 2,8 км от поверхности земли. Их нашли в стенках шахты по добыче золота на руднике Мпоненг вблизи Йоханнесбурга в Южной Африке. Там, в условиях полного отсутствия света и кислорода при постоянной температуре 60 °C живут бактерии вида , который был обнаружен впервые. Они существуют за счет восстановления сульфата, ассимиляции углерода и фиксации азота из окружающей их неорганической среды. Учитывая, что по мере продвижения вглубь температура неуклонно растет, бактерии на настоящий момент являются единственным известным нам видом, живущим там. Их местообитание, судя по всему, является внутренней границей распространения жизни на планете.

А как же сложные, многоклеточные формы жизни? Как раз сейчас, когда я пишу эти строки, проводится исследование, в рамках которого в нижних слоях глубинной биосферы был обнаружен один вид нематод, питающийся микробами. Скорее всего, будут найдены и другие подобные беспозвоночные животные, что позволит нам говорить о достаточно высоком уровне биоразнообразия в этой среде.

Существование независимого слоя жизни заставляет по-новому взглянуть на пророчества о грядущем апокалипсисе и последующей гибели мира. Если поверхность планеты окажется полностью выжжена по вине нашего вида, самопровозглашенных хозяев Земли, или все организмы на поверхности станут жертвой гигантского метеорита, в глубинной биосфере жизнь продолжится. Живущие там микроорганизмы и беспозвоночные хищники выживут и продолжат существовать как ни в чем не бывало под защитой своего темного убежища, получая энергию и необходимые вещества из устойчивых к высоким температурам горных пород. Возможно, эволюционируя на протяжении сотен миллионов лет, они в конечном итоге выберутся на поверхность и породят различные формы многоклеточных организмов, из которых при благоприятном стечении обстоятельств сформируются многоклеточные животные уровня человека. Таким образом, в рамках большого космического цикла разуму на Земле будет дан второй шанс.