Фрэнсис Эшкрофт - На грани возможного: Наука выживания
Щелочь, как и кислота, разъедает мясо и волокна. Если вы случайно прольете на кожу или одежду едкий натр, неприятные последствия не заставят себя ждать. Известь (окись кальция) – это щелочной белый материал, получаемый обжигом известняка и в сочетании с водой дающий чрезвычайно едкую гашеную известь. В Средние века в известковых ямах дубили шкуры, удаляя с них мех или шерсть, а также топили чумные трупы. Такие братские могилы используют и в наше время, когда число жертв землетрясения или другого стихийного бедствия оказывается настолько велико, что возникает угроза распространения инфекции от разлагающихся тел.
Ну а для алкалофилов щелочь – самая подходящая среда, pH выше 9 им только в радость. Тем не менее и здесь не обходится без трудностей, поскольку рибонуклеиновая кислота – молекулярный «связной», доставляющий генетическую информацию из ДНК в ядре к вырабатывающей белок цитоплазме, – при pH 9 уже разрушается. Поэтому алкалофилам приходится препятствовать повышению собственного pH. Для этого они активно поглощают ионы водорода из окружающей среды, чтобы повысить их концентрацию в клетках до более или менее приемлемого уровня (как мы помним, количество ионов водорода и уровень pH обратно пропорциональны).
Пуд соли
Большинство организмов не переносят избыток соли, поэтому задолго до появления холодильников и ледников ее использовали в качестве консерванта для продуктов. Однако существуют на свете и галофилы, которые превосходно чувствуют себя в чрезвычайно соленых водах Мертвого моря и Большого Соленого озера в Юте. Соленые озера образуются там, где воды испаряется больше, чем приносят питающие озеро источники. В жарком климате они могут появляться временно, в течение летних месяцев. Поскольку соленая вода тяжелее пресной, она тяготеет к нижним слоям, поэтому озера обычно более соленые на дне и более пресные на поверхности. Некоторые соленые озера, кроме того, содержат много щелочи, поэтому их обитатели должны выдерживать не только соленую, но и щелочную среду.
Самое соленое море на Земле – Мертвое, с 28 %-ным содержанием соли, что в десять раз превышает концентрацию соли в океане. Больше соли вода просто не способна вместить. Плотность воды в Мертвом море так велика, что можно спокойно сидеть на поверхности и читать газету – как свидетельствуют многочисленные открытки и фотографии. Оно располагается на 400 м ниже уровня моря, в самой глубокой сухопутной впадине Земли, и окружено песками пустынь. Под палящим солнцем вода интенсивно испаряется, поэтому, несмотря на питающие озеро пресноводные источники, соленость остается высокой. Как ни странно, Мертвым этот водоем прозвали зря – жизни в нем предостаточно. В соленой воде обитают большие колонии бактерий, архей и водорослей. Большинство из них относится к облигатным галофилам, которым требуется не менее чем 15 %-ная концентрация соли в воде. Некоторые привлекают внимание интересной раскраской – например, красная галобактерия, которая иногда настолько активно размножается, что морские воды окрашиваются в кроваво-красный цвет.
Природа, если не вмешиваться, сама стремится к равновесию{40}. Смешайте стакан соленой воды со стаканом пресной, и через какое-то время вы получите однородный раствор. Поскольку клеточные мембраны не являются полностью водонепроницаемыми, клетка, погруженная в насыщенный соленый раствор, съежится, отдав воду в попытке уравновесить концентрацию соли внутри и снаружи. В результате клетка окажется обезвоженной. Именно эту трудность приходится преодолевать галофилам. Многие решают ее увеличением солености внутри клеток, чтобы сравнять ее с соленостью окружающей среды. Некоторые, например, Halobacterium salinarium, доводят концентрацию хлорида калия до невероятных пределов – в 200 раз больше, чем в клетках человеческого организма. Другие выбирают иную тактику, производя органические растворимые вещества, способствующие сохранению воды в клетке. Разумеется, при таком подходе проблема не исчезает, а просто меняется – теперь клеточным ферментам нужно как-то справляться с высоким содержанием соли. Как им это удается, пока неизвестно.
Археи и бактерии не единственные обитатели соленых водоемов. Кроме них там выживают и некоторые водоросли. Они окрашивают воду в сияющие оттенки красного, синего и зеленого, а также служат пищей мелким ракообразным – например солоноводной креветке Artemia salina, которая тоже без труда переносит повышенную соленость. Артемия – одно из немногих многоклеточных, обитающих в Большом Соленом озере в штате Юта. В определенное время года ее икра покрывает поверхность воды налетом из крошечных коричневых частиц, раздуваемых ветром. Эти икринки обладают невероятной стойкостью, им не страшны ни засуха, ни соль, они могут достаточно долго пролежать в анабиозе, а после погружения в воду благополучно пробудиться к жизни.
Жизнь в камне
В книгах и преданиях жизнь кипит не только на земле, но и под землей. Гномы добывают драгоценные металлы, в холмах живут эльфы и хоббиты, а пещеры с сокровищами охраняют свирепые драконы. Там же расположены копи Мордора и жилища троллей. В недрах земли многие древние народы селили души умерших – вполне логично, ведь на поверхности для всех места не хватит. Орфей, отправляясь на поиски Эвридики, своей утраченной возлюбленной, должен был спуститься в подземное царство, где правил Аид. Месопотамский бог Нергал вместе со своей свитой из демонов и бесов, которые в конце концов уничтожили друг друга, тоже царствовал под землей.
Долгие годы биологи считали, что подземная жизнь существует только в сказках и мифах, и что глубже нескольких метров от поверхности живые организмы можно уже не искать. Однако эти представления остались в прошлом. Невероятно, но микроорганизмы способны выжить в толще скальных пород на значительной глубине, где нет ни кислорода, ни света, зато имеется ощутимое давление. Обнаружили их в 1920 г. в пробах грунтовых вод, собранных на нефтяном месторождении на глубине сотен метров под землей. Тогда этому не придали значения, посчитав найденные формы жизни привнесенными извне во время бурения скважин, однако сейчас способность микроорганизмов существовать глубоко под землей – признанный научный факт. В 1992 г. компания «Тексако», разведывая месторождения нефти и газа в осадочных породах на глубине 2,8 км под Тейлорсвиллским бассейном в Вирджинии, подарила ученым отличную возможность поискать глубинные формы жизни. Даже при строжайшем соблюдении стерильности во время сбора проб в них все равно обнаруживались бактерии. Более того, в основном это были прежде неизвестные науке виды, не нуждающиеся в кислороде, поскольку энергию они добывали из окружающей древней органики, окисляя ее с помощью магния, железа и серы. Кроме того, они обладают жаростойкостью, поскольку населяемые ими породы нагреваются до температуры выше 60° С. Один из видов, обитающих в таких суровых условиях, получил название Bacillus infernos («адская бактерия»).
В наше время микроорганизмы уже обнаружены и глубоко в земных недрах, и под океанским дном, в осадочных и вулканических породах. Осадочные породы откладывались на поверхности Земли и только потом постепенно погружались вглубь, так что найденные в них микроорганизмы, возможно, ровесники этих пород, запертые в их толще с тех самых пор, как миллионы лет назад началось их образование. Эти породы достаточно пористые, поэтому микроорганизмы живут в них повсюду. Однако плотность их невелика. При культивации в лабораторных условиях обнаруживается менее десяти бактерий на каждый грамм породы{41}. Не сравнить с миллиардом бактерий, обитающих в одном грамме садовой почвы. Вулканические породы – граниты и базальты – образуются при затвердении расплавленной магмы. Поскольку они представляют собой монолит, бактерии селятся в основном в тончайших трещинах, однако в некоторых случаях микробы «роют» собственные ходы, растворяя камень. В вулканических породах микроорганизмы появились, скорее всего, уже после застывания – вместе с водой, тысячелетиями просачивающейся с поверхности.
В лабораторных условиях бактерии, выделенные из проб, взятых в Тейлорсвиллском бассейне, росли крайне медленно. По следам дыхательной деятельности бактерий в населяемых ими горных породах Таллис Онстотт из Принстонского университета вместе с коллегами установил, что средний срок удвоения популяции у этих бактерий тоже невероятно долог (несколько тысяч лет). Видимо, в толще породы все силы микробов направлены исключительно на выживание, а не на размножение. А поскольку скорость эволюционного развития в основном определяется скоростью размножения, эти виды бактерий, возможно, практически не изменились за миллионы лет, в течение которых они были погребены заживо в этой толще. Выдумка Жюля Верна о доисторических животных, сохранившихся глубоко в недрах Земли, оказалась не так уж далека от действительности. Он не угадал лишь с размерами, но сама идея существования живых ископаемых где-то под землей оказалась на удивление провидческой.
