От архея до человека

Ведущий научный сотрудник Института биологии южных морей имени А.О. Ковалевского РАН (г. Севастополь) и НИИ биологии Иркутского государственного университета Николай Шадрин стал автором девятой лекции, состоявшейся в рамках восьмого сезона проекта «Научные weekend`ы» ИГУ. Он предложил слушателям порассуждать на тему «Каковы пределы жизни на Земле? Может ли человечество уничтожить биосферу и себя самого?».

Везде, где есть вода

Вопрос о пределах распространения жизни возник перед учеными уже очень давно, и в XVIII веке ответ на него дали параллельно Вильгельм Гумбольдт (1767–1835) и Жан-Батист Ламарк (1744–1829). Оба они пришли к выводу, что жизнь есть везде, где есть вода. В целом это соответствует и современным представлениям, однако по сравнению со временами Ламарка и Гумбольдта эти представления расширились. Считается, что жизнь может существовать при температуре от минус 30 (по версии Николая Шадрина, хотя очевидно, что даже люди могут выдерживать и более низкие температуры) до плюс 122 градусов по Цельсию, кислотности от 0 до 13, солености от 0 до 400 граммов на литр, радиации до 10 000 Грэй и давлении до 1000 мегапаскалей (что соответствует глубине 50 км).

Очевидно и то, что к обитанию в экстремальных условиях смогли приспособиться немногочисленные виды – условия в «черных курильщиках» (глубоководных вулканах), под ледниками, глубоко под водой или под землей, в нефтяных лужах или гиперсоленых водоемах подходят не всякому. Особенно требовательны к условиям среды высокоорганизованные организмы.

Самым популярным примером служат обычно «черные курильщики», располагающиеся в рифтовых зонах океанов. Помимо очень горячей воды, они окружены растворенными газами (водородом, углекислым газом), облаками сульфидов, сульфатов и окислов металлов, имеющих черный цвет. В середине 1970-х годов, когда были открыты «курильщики», это стало огромной сенсацией: ранее считалось, что жизнь может существовать только благодаря солнечной энергии. Здесь же оказалось, что целые колонии, образующие глубоководные оазисы, существуют в полиэкстремальной среде, где высокая температура и давление сочетаются с высокой концентрацией веществ, которые ученые считали токсичными. Чем дальше от курильщиков, тем беднее фауна – она существует только за счет тех веществ, которые опускаются из верхних слоев океанов, а вот рядом с курильщиками жизнь буквально кипит разнообразием благодаря хемосинтезу.

Базой жизни при экстремально высокой температуре служат бактерии, с которых начинаются пищевые цепочки. В термальных водах, например в серных источниках Исландии, при температуре 70–100 градусов, живут красные водоросли, выдерживающие и высокие концентрации токсичных веществ. Пример иного рода – «кровавый водопад» в Антарктиде: там из-под ледника Тейлора течет поток, окрашенный бактериями, создающими специфическую окраску. Признаки жизни, изолированной от внешней среды уже многие десятки тысяч лет, нашли и в пробах, полученных из озера Восток, похороненного подо льдом на глубине 4 км.

Еще одна низкотемпературная экстремальная экологическая система – это микроводоросли, живущие на поверхности снега высоко в горах. Там перепад температуры в течение суток может составлять от плюс 30 до минус 30 градусов.

В Испании, в Красной реке (Rio Tinto), зафиксирована крайне высокая кислотность – pH от 0 до 2, что позволяет реке растворять многие горные породы. Несмотря на это, в реке есть жизнь, пусть и в виде одноклеточных организмов. Даже на Байкале есть Верховое болото, в котором уровень pH составляет от 2 до 4. Ранее считалось, что при pH менее 5,5 ничто живое не может существовать, однако в болоте и на его берегах есть жизнь.

Одним из самых страшных ядов для всего живого считается нефть – с ее разливами борются во всем мире. Но существуют не только бактерии, которые питаются нефтью, но и «нефтяная муха», которая питается этими бактериями. Личинки мухи и вовсе выводятся в природных лужах нефти, например в Крыму. Обитаема и толща горных пород на глубину три-четыре километра: первичную продукцию создают организмы, получающие энергию при окислении неорганических веществ, поступающих из более глубоких слоев земли. Суммарная биомасса этой подземной жизни, по оценкам ученых, равна или даже больше, чем вся биомасса на поверхности планеты.

Некоторые формы жизни могут при попадании в неблагоприятную среду погружаться в анабиоз. Наиболее известным примером служат тихоходки: они выдерживают 20 месяцев при температуре до минус 193 градусов, нагрев до плюс 65 градусов на протяжении 10 часов. Ученые установили, что доза 570 тыс. рентген убила лишь половину облученных тихоходок (человеку хватит и 500), а после 10 суток в открытом космосе возвращенные на борт космического корабля тихоходки восстановились до нормального состояния. Эти уникальные существа выдерживают ультрафиолетовое облучение и атмосферу, состоящую из сероводорода или углекислого газа.

Гиперсоленый парадокс

Николай Шадрин и его коллеги изучают жизнь в гиперсоленых водоемах. Таких водоемов известно несколько типов: подводные озера в донных понижениях морей и океанов, озера в соляных пещерах, подземные минеральные месторождения воды, морские льды, подледные озера в Антарктиде и Арктике, внутренние поверхностные озера. Подводные гиперсоленые водоемы в морях и океанах открыли совсем недавно, в середине 1990-х. В Средиземном море, например, они сформировались около 6 млн лет назад, когда море почти полностью высохло, а его дно покрылось многокилометровым слоем соли. Когда сформировался Гибралтарский пролив и море снова соединилось с Тихим океаном, соль постепенно растворилась. Но этот процесс не завершился и сегодня, хотя из-за разности плотностей между поверхностным слоем и глубинным гиперсоленым обмена и перемешивания практически нет. 

Еще одна экосистема, базирующаяся на гиперсоленой воде, – это морские льды. При формировании морского льда в нем неизбежно остаются многочисленные поры, в которых процветают разнообразные формы жизни – бактерии, микроводоросли, животные. Гиперсоленые водоемы образуются и подо льдом: когда соленая вода постепенно замерзает, концентрация соли в оставшейся воде постепенно повышается, а вместе с ней растет и температура замерзания. Такие водоемы особенно интересуют ученых, потому что подледные океаны существуют на некоторых спутниках Юпитера, и именно они считаются наиболее вероятным местом обитания инопланетной жизни. Условия жизни в гиперсоленых водоемах интересны еще и потому, что обычная живая клетка погибает уже при нулевой температуре. Здесь же она продолжает функционировать при более низкой температуре да к тому же еще и при высокой концентрации солей и крайне низком содержании кислорода. В соленой воде растворимость солей стронция (ядовитого для обычных организмов) увеличивается в 11 раз – а организмы из гиперсоленых водоемов выдерживают.

Более того, из-за увеличения типов метаболизма гиперсоленые водоемы оказываются одним из наиболее продуктивных мест обитания жизни на Земле. Примерами таких водоемов служат озера Вида и Дон-Жуан в Антарктиде, причем последнее считается самым соленым водоемом на Земле – концентрация солей в нем превышает 400 граммов на литр. В список гиперсоленых водоемов входят и Мертвое море в Израиле, расположенное на 320 метров ниже уровня моря, и озеро Дангксин Ко на высоте 4475 метров над уровнем моря. В заливе Карабогаз-гол на Каспийском море выделяется не привычный хлорид натрия, а сульфат; есть и содовые, то есть гидрокарбонатные, озера. Озеро Юньчэн в Китае служит примером того, как на базе гиперсоленого водоема может сформироваться не только экосистема, но и цивилизация – люди стали добывать соль на его берегах более пяти тысяч лет назад и делают это практически непрерывно.

Соленость в водоемах начинает расти в том случае, если годовой сток в них меньше, чем суммарное испарение. В Крыму, где работают Николай Шадрин и его коллеги, есть соленые озера двух типов – изолировавшиеся по каким-то причинам морские заливы (с хлоридными солеями) и сформированные в кальдерах древних грязевых вулканов (с сульфатами). Крупнейшей гиперсоленой лагуной мира является знаменитый Сиваш – его площадь более 2560 квадратных километров при средней глубине от полуметра до одного метра. После строительства Крымского канала он на некоторое время стал менее соленым, однако сейчас канал перекрыт, и концентрация соли снова растет, достигая уже 100 граммов на литр.

В водоемах Крыма найдено более 200 видов эубактерий и архей, в том числе около 100 видов цианобактерий – сине-зеленых водорослей; более 370 видов эукариотных (то есть имеющих в структуре клетки ядро) организмов, в том числе 220 видов одноклеточных. В последние пять лет в этих водоемах биологи нашли еще 30 видов водорослей и 41 вид ракообразных и нематод (круглых червей). В частности, в крымских озерах нашли рачка Artemia urmiana, который считался эндемиком единственного озера в Иране. Более того, исследования показали, что рачок возник именно в Крыму и лишь потом по пути миграции птиц был занесен в Иран и далее на Алтай.  

– В гиперсоленых водоемах жизнь есть везде. Вы идете по слою соли, откалываете кусок – а под ним живые фотосинтезирующие цианобактерии. Идете по слою сульфатов – а под ним другие, но тоже живые археи (живые организмы, не имеющие ядра и мембранных органелл. – Прим. авт.) и бактерии, – рассказывает Николай Шадрин. – Если взять, к примеру, озеро Байкал, то там доминирует оксигенный фотосинтез (то есть фотосинтез с выделением кислорода. – Прим. авт.). А в соленых водоемах три вида поступления энергии в экосистему: оксигенный, аноксигенный (без выделения кислорода) и светозависимая протонная помпа, а также множество хемоторфных механизмов.

В гиперсоленых водоемах встречается и такая странная форма жизни, как археи, не привычно бесформенные, а квадратные. Аноксигенные пурпурные бактерии (выделяющие сероводород) и оксигенные цианобактерии (выделяющие кислород) образуют в некоторых водоемах огромные маты биопленки – такое сообщество живых организмов существует на Земле уже более трех миллиардов лет, то есть является древнейшим на планете. На бактериальных матах живут и питаются мушки, а мушками и их личинками, в свою очередь, питаются птицы.

Соленость в озерах Крыма колеблется в значительном диапазоне – от 20 до 110 и даже более граммов на литр. Для существования в столь нестабильных условиях всем организмам нужны различные типы адаптации, и один из них – стадия цисты (покоящаяся), позволяющая выжить в наиболее неблагоприятных условиях, при которых активная жизнь невозможна. Уже доказано, что цисты могут существовать даже сотни лет. Хотя в последнее время дождаться перемен удается не всем. Цисты жаброного рачка артемии, например, используются как кормовая добавка для птиц, в косметологии и разведении комнатных растений – спрос на них таков, что производство или браконьерская добыча цист приносит больше прибыли, чем добыча золота. Некоторые бентосные (придонные) организмы при повышении солености переходят на планктонный (поверхностный) образ жизни.

Но мы – не археи

– Таким образом, мы можем не беспокоиться, что биосфера исчезнет по вине человека, – подвел итог своего рассказа Николай Шадрин. – Жизнь существовала и будет существовать. Она появилась 3,8–3,9 млрд лет назад – это были примитивные организмы, безъядерные прокариоты. Потребовалось около 2 млрд лет, чтобы появилось ядро и эукариоты, затем еще миллиард на многоклеточные организмы. Это напрямую связано с тем, что за 2 млрд лет фотосинтезирующие организмы создали в атмосфере и водоемах концентрацию кислорода, при которой аэробный обмен веществ стал эффективным. Появление аэробного обмена увеличило энергетические возможности организмов, что, в свою очередь, сделало возможной быструю эволюцию до сложнейших форм с интеллектом.

Но человек и другие сложные организмы могут существовать в сравнительно узком диапазоне факторов внешней среды. По мнению Николая Шадрина, никакие технологические инновации не могут заменить совокупность деятельности существующих сегодня живых организмов, формирующих для людей их среду обитания. Если эта совокупность будет разрушена, ничто не сможет поддерживать существование людей на планете. Без человека биосфера может существовать, по разным подсчетам, от 70 до 700 млн лет, а вот уничтожить собственную среду обитания, сделав планету непригодной именно для людей, человечество в состоянии.

Подтверждением тому служат шесть великих вымираний (за последние 600 млн лет), когда вымирали от 80 до 90 процентов всех существовавших на тот момент живых организмов. Причем в первую очередь страдали именно наиболее высокоорганизованные и сложные виды. После каждого вымирания начинался новый пик образования видов, следовательно, после гибели человечества появятся новые сложные организмы, но будут ли среди них разумные – неизвестно. Нет ответа и на вопрос, что сильнее – наносимый людьми вред природе или возможности науки понимать происходящее и реагировать на него.

Экологическая система не может вернуться назад, восстановить некое состояние нельзя, но можно предотвратить переход в нежелательную стадию. Именно поэтому ни один проект восстановления экосистем не дал результатов, ради которых их проводили. Впрочем, в подтверждение своих рассуждений Николай Шадрин приводит труд российского ученого Н. Данилевского, который в 1869 году писал: «…каждая цивилизация рано или поздно приходит к состоянию тупика, когда она или должна поменять цели своего существования, или исчезнуть». В применении к современной ситуации это означает более глубокое изучение взаимосвязей и механизмов биосферы, предвидение эффектов жизнедеятельности человека, разработку стратегий и технологий предотвращения или компенсации нежелательных эффектов. Последняя задача, как нетрудно понять, не научная, а скорее общественно-политическая. 

Записал Борис Самойлов, «Байкальские вести».

Иллюстрации из презентации Николая Шадрина