10 октября 2008 membrana

Это не только биологическая, но и, в некоторой степени, философская сенсация: открыта первая в мире экосистема, состоящая из единственного биологического вида. Изолированный не только от солнечных лучей, но и от всего живого, этот организм прекрасно чувствует себя в абсолютном одиночестве в окружении неживой материи. Такова развязка детектива, начавшегося почти шесть лет назад.

Сюрприз для естествоиспытателей принесла "золотая" шахта Мпоненг (Mponeng), расположенная близ Йоханнесбурга. Ещё в 2002 году Туллис Онстотт (Tullis Onstott) из университета Принстона (Princeton University) и несколько его коллег из других учреждений обнаружили на колоссальной глубине, в воде, сочащейся из разлома, живые бактерии.

Уже тогда было ясно, что это экстремофилы, каким-то чудом обитающие там, куда с поверхности не проникает не то что свет, но вообще – что-либо. Если бы не люди, пробуравившие скальную толщу в поисках золота, — эти микроорганизмы никогда не попали бы наверх.
Шахта Mponeng – самая глубокая в мире, с рекордом 3777 метров (в будущем золотодобытчики намерены продлить её ещё глубже). Принадлежит она компании Anglogold Ashanti (фото с сайта kraalkopnaturereserve.net).

В 2006 году международной группе учёных удалось лучше разобраться, с чем они столкнулись. Оказалось, что бактерии из царства Плутона живут за счёт радиоактивных руд. Об этом открытии мы детально рассказывали, однако есть смысл напомнить главное.

"Сенсационная" бактерия получает энергию для жизни в ходе восстановительной реакции с участием сульфата (SO42-) и водорода. Последний берётся из воды, раскалываемой радиоактивным излучением руд. Но на этом чудеса подземной бактерии не заканчиваются. Теперь стало понятно, что работа 2006 года лишь чуть приоткрыла перед биологами феноменальную кухню подземного мира. Ныне же Дилан Чивиан (Dylan Chivian) из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBNL) совместно с ещё почти двумя десятками исследователей из США, Тайваня и Канады провели расшифровку ДНК, полученных из проб с того самого глубинного разлома в южноафриканской шахте. Ради этого учёным, кстати, потребовалось проанализировать 5600 литров воды.

Вот эта "палочка" и есть южноафриканское чудо. Тут не видно, но у этой бактерии есть флагеллы – тонкие хвостики, позволяющие ей плавать в воде, заполняющей поры и микротрещины в камне (фото Greg Wanger/J.Craig Venter Institute, Gordon Southam/University of Western Ontario).

Группа учёных воспользовалась последними достижениями в экологической геномике. Дилан поясняет: "Почти все организмы живут в сообществах с разделением функций в рамках их экосистем. После извлечения ДНК из проб окружающей среды различные участники этих микробных сообществ и доминирующие члены могут быть определены, даже если полные геномы большинства из них невозможно отсортировать". Так вот — выяснилось, что более 99,9% экземпляров микроорганизмов, представленных в этих пробах, принадлежат одному-единственному виду. Незначительные следы иных ДНК, как утверждает Чивиан, являются результатом загрязнения проб в самой шахте или лаборатории.

Таким образом, почти на трёхкилометровой глубине в толще скал живёт сообщество, состоящее только из одного вида бактерии. Его, кстати, назвали Candidatus Desulforudis audaxviator.
Это открытие было настоящим потрясением. Ведь до сих пор исследователи полагали, что экзотический вид микроорганизма хотя и составляет костяк подземного сообщества, однако поддерживается несколькими другими бактериями.

Участники новой работы говорят, что перед её началом рассчитывали на неплохой шанс "монтажа" всего генома самого массового вида одноклеточного, представленного в пробах, или 70-80% геномов нескольких видов сразу. Представить, что все ДНК, поднятые на белый свет из глубины Мпоненга, принадлежат одному виду, — они не могли.


Способность новой бактерии перерабатывать химические соединения, имеющиеся на огромной глубине в земной толще, позволила этому организму стать первой известной учёным экосистемой, в которой весь круговорот веществ обеспечивается одним единственным биологическим видом (иллюстрация Thanya Suwansawad).

Дело в том, что ранее учёным представлялось невероятным существование замкнутой и самодостаточной экосистемы из единственного вида. Обычно любая экосистема насчитывает множество организмов (хотя бы только бактерий), которые удачно дополняют друг друга по биохимии, процессам питания и выброса отходов. Так, чтобы вместе с неживыми компонентами — источниками веществ и энергии — получалась красивая и сбалансированная система. А D. audaxviator один вобрал в себя всё необходимое, чтобы спокойно существовать и размножаться в "мёртвом" окружении без всякого контакта с остальной земной биосферой. "Один из вопросов, которые возникают при рассмотрении способности других планет поддерживать жизнь, — могут ли организмы существовать совершенно самостоятельно, не имея доступа даже к солнцу? — говорит Чивиан. — Ответ — да! И вот доказательство. Даже с точки зрения философии интересно узнать, что всё необходимое для жизни может быть упаковано в единый геном".
Этот геном, кстати, насчитывает 2157 кодирующих белки генов. И здесь перед биологами открылась картина потрясающего приспособления D. audaxviator к своей среде (а это — почти полное отсутствие кислорода, температура более 60°С и рН 9,3). Этому анализу, к слову, посвящена статья авторов исследования в Science.
Например, стало известно, что этот микроорганизм может прекрасно усваивать углерод из небиологических источников, таких как окись углерода, двуокись углерода или формат (CO2H-). Хотя при этом он способен переваривать и органические останки (например от мёртвых клеток), поскольку в D. audaxviator есть гены, отвечающие за транспорт сахара и аминокислот.



Название рода Desulforudis было придумано Онстоттом как комбинация латинских слов "от серы" и "стержень". Audaxviator – это "добавка" от Чивиана, который был вдохновлён "Путешествием к центру Земли" Жюля Верна. В начале этого романа профессор Лиденброк расшифровывает древний манускрипт, в котором есть фраза: "...descende, Audax viator... et terrestre centrum attinges", что в переводе с латыни означает "спускайся, смелый путешественник, и ты достигнешь центра Земли". Вновь открытая бактерия явно пожелала последовать совету вымышленного исландского алхимика (иллюстрация с сайта barnesandnoble.com).

Азот эта бактерия могла бы получать и из атмосферы (у неё имеется соответствующий мультифермент нитрогеназа), но за неимением воздуха D. audaxviator извлекает этот важный элемент из аммиака и ионов аммония, имеющихся в породе и протекающей сквозь неё воде. И это не все чудеса: биологи считают, что значительную долю своих генов D. audaxviator получила (путём горизонтального переноса) от архей — другого царства живых существ. И данные гены сделали бактерию-затворника уникальной среди представителей типа Firmicutes, к которому и относится новичок. Так, он способен создавать эндоспоры — жёсткие структуры, которые при наступлении критических условий защищают ДНК и РНК организма от засухи, жары, "голода" и химической "атаки". Археи же научили эту бактерию защите от вирусов. И от архей D. audaxviator получила некоторые фрагменты своей системы обмена веществ.

Как всё это удалось выяснить? "Мы теперь располагаем геномами более тысячи бактерий и архей и мы знаем, что многие из этих генов делают, — рассказывает Чивиан. — Это позволяет нам взглянуть на новый геном и восстановить по нему метаболизм ранее неизвестного организма". Вообще же, отмечают авторы исследования, для неменяющихся очень долгое время условий геном D. audaxviator даже чуть-чуть усложнён. Специализированная бактерия такого характера обычно обладает полутора тысячами генов. Но зато уж к своему окружению Desulforudis приспособлена идеально.

Учёные говорят, что D. audaxviator не видела поверхности Земли миллионы лет. А поскольку считается, что сообщества видов имеют лучший потенциал для адаптации, нежели один вид, Desulforudis будет чувствовать себя прекрасно, пока условия в её среде обитания не меняются. Но спокойно — вмешательство человека тут можно в расчёт не брать. Ведь шахта — лишь крошечный укол в оболочке планеты. Какая колоссальная биомасса микроорганизмов скрыта ещё под странами и континентами — можно лишь догадываться. Похоже, пора заводить речь о второй биосфере.