Фрэнсис Эшкрофт - На грани возможного: Наука выживания
Подземную жизнь осложняет, помимо всего прочего, почти полное отсутствие органики. В пробах породы, взятых из базальтовых скал реки Колумбия, органики для поддержания жизни явно недостаточно. Однако при этом породы изобилуют микробами. Судя по всему, бактерии питаются самим камнем. По мере выветривания породы высвобождается водород, с помощью которого бактерия превращает растворенный углекислый газ в биомассу, выделяя в качестве продукта распада метан. Выветривание породы обычно объясняют химическими процессами, в результате которых истощаются верхние ее слои. Однако некоторые ученые предполагают, что микроорганизмы тоже играют в нем немаловажную роль, веками точа поверхность породы, добывая минералы и откладывая химические элементы в земной коре.
Золотые прииски в Южной Африке – самые глубокие рудники на Земле, пробитые на глубине 3,5 км от поверхности, где давление в толще камня равно 400 атмосферам, а температура доходит до 60° С. Однако и здесь обитают археи, как установили Таллис Онстотт и Том Кифт (из Горного института Нью-Мексико), побывав на рудниках в 1997 г. Предельная глубина существования жизни определяется не весом каменной толщи, поскольку экстремальное давление одноклеточные организмы выдерживают относительно безболезненно, а температурой окружающей породы. Чем ближе к центру Земли, тем больше она повышается – примерно на 11° С через каждый километр, поскольку радиоактивный распад в ядре планеты происходит с выделением тепла. Следовательно, глубинные организмы должны быть гипертермофилами. Учитывая что верхний предел пригодной для жизни температуры составляет 120° С, археям остаются ближайшие к поверхности пять километров земной коры.
Пещерные жители
Даже погребенные в скальной породе бактерии меркнут в сравнении с уникальными серными экосистемами, обнаруженными в некоторых пещерах. Пещера Мовиле в Румынии сформировалась более 5,5 млн лет назад, и вход туда был перекрыт обвалами. Отрезанные от внешнего мира организмы через какое-то время поглотили почти весь кислород, поэтому воздух в пустотах над водой там крайне разрежен, однако при этом обогащен метаном, углекислым газом и сероводородом. Органические питательные вещества не могут попасть в пещеру извне. Несмотря на то что через пещеру сочатся к Черному морю вулканические воды с растворенным в них сероводородом, они проистекают из подземного резервуара, сформировавшегося тысячи лет назад (в отличие от остальных грунтовых вод Румынии, в них не наблюдается следов радиоактивности). И тем не менее в пещере процветает экосистема. Ее существование обеспечивают бактерии, тонкой слизистой пленкой покрывающие стены пещеры и образующие пенистый налет на поверхности воды. Бактерии объедают известковые стены пещеры, добывая углерод и получая энергию путем окисления сероводорода. За их счет, в свою очередь, существует невероятно пестрая компания беспозвоночных – прозрачных пауков, тысяченожек, мокриц, пиявок и земляных червей. Мокрицы и слизни питаются бактериальным налетом, а их затем поедают пауки и пиявки.
Попасть в пещеру Мовиле можно только по воде, проплыв по затопленным тоннелям, однако на свете имеются и другие, более доступные, но точно так же существующие за счет серы экосистемы. В Южной Мексике расположена Куэва-де-Вилла-Лус, представляющая собой запутанный лабиринт тоннелей и пещер, пронизывающих известковые скалы. Бурлящие на дне источники, насыщенные растворенным сероводородом и известняком, образуют молочно-белые озера. В воздухе стоит запах тухлых яиц. Конденсируясь на стенах, сероводород образует серную кислоту, которая разъедает камень и грозит ожогами любому, кто по неосторожности дотронется до стены. Однако, несмотря на такую негостеприимность, пещера вполне обжита. Камни покрывает бактериальная слизь и налет, с потолка свисают желеобразные нити, образуя живые дрожащие сталактиты, прозванные «соплями». В мелких молочно-белых озерцах снуют рыбешки, по камням бегают пауки, в воздухе танцует мошкара. Как и в пещере Мовиле, основой экосистемы служат хемосинтезирующие бактерии, разъедающие стены пещеры.
Жизнь без кислорода
Мало кому из многоклеточных удастся выжить без кислорода. Однако среди архей и бактерий достаточно таких, которые не только выживают, но и воспринимают кислород как нечто настолько токсичное, что не выносят даже кратковременное его воздействие и потому обречены на существование в бескислородном пространстве. Таких анаэробных сред немало. Например, в иле, покрывающем океанское и озерное дно, в болотах, в канализационных тоннелях и даже в кишечнике животных. Некоторые из этих организмов добывают энергию из водорода, а в качестве углеводного источника роста используют углекислый газ, выделяя в процессе большое количество метана. Поэтому их называют метаногенами. Среди них много сферических архей, относящихся к семейству Methanococcus. Именно они помогают коровам переваривать траву, поселяясь в качестве симбионтов в желудке и расщепляя целлюлозу. Метан, который они при этом вырабатывают, сильнейшим образом влияет на глобальное потепление, поскольку, как и углекислый газ, способствует усилению парникового эффекта.
Если сейчас атмосфера Земли насыщена кислородом, это не значит, что так было всегда. Изначально его было мало либо не было вообще, поэтому воздух состоял в основном из углекислого газа и азота. Кислород был побочным продуктом фотосинтеза одноклеточных – сине-зеленых, появившихся на Земле около 3 млрд лет назад, когда жизнь на планете уже развивалась вовсю (первые одиночные клетки возникли предположительно около 3,8 млрд лет назад). Эти сине-зеленые с помощью энергии солнечного света перерабатывали воду и углекислый газ в углеводы. В качестве побочного продукта реакции выделялся кислород, создавая привычную нам атмосферу. Благодаря сине-зеленым изменился и химический состав океанов. Вода древних морей была железистой, и кислород, производимый сине-зелеными, изначально уходил на окисление растворенного железа. Оно выделялось из раствора и откладывалось на океанском дне в виде закиси железа. Его возраст – около 2,8 млрд лет, позволяет определить и возраст сине-зеленых. Примерно через полмиллиарда лет запасы железа в морской воде истощились и начало увеличиваться содержание кислорода в атмосфере, достигнув сегодняшнего уровня около 0,8 млрд лет назад. Греет душу, что самое, пожалуй, широкомасштабное загрязнение атмосферы в истории планеты находится на совести одноклеточных организмов.
Кислород был (и остается) токсичным для большинства форм жизни, поэтому многие из них вымирали по мере повышения уровня кислорода в атмосфере. Уцелевшие вырабатывали способы защититься от высокоактивных ионов кислорода. Как ни парадоксально, кислород, без которого не выживет не только человек, но и большинство остальных обитателей планеты, является смертельным ядом. Внутриклеточные органеллы под названием «митохондрии» используют кислород в производстве химической энергии, которая питает наши клетки. Однако иногда кислород прихватывает лишний электрон и становится «свободным радикалом». Высокоактивные свободные радикалы мечутся по клетке, устраивая хаос, поскольку их лишний электрон, нуждаясь в партнере, норовит ухватить его из ближайшей молекулы. Мембраны, белки, жиры, ДНК – он нападает на все без разбора. Начинается цепная реакция, поскольку возмутитель спокойствия, отхватив свой электрон, стабилизируется, но создает при этом следующий свободный радикал. Немало молекул успевает пострадать, пока защитные механизмы клетки не уничтожат «хулиганов». Свободные радикалы – основная причина гибели клеток. Кроме того, окисление – способность кислорода отбирать электроны у других молекул – вызывает ржавчину, горение и прогоркание жиров.
Кислород был открыт Джозефом Пристли (1733–1804) во время изучения газа, выделяющегося при нагревании оксида ртути. Он выяснил, что «свеча в этом газе вспыхивает небывало сильным пламенем». Тогда он проверил его воздействие на мышах, помещенных под стеклянный колпак. Одна мышь, под колпаком с обычным воздухом, задохнулась через 15 минут, а вторая, дышавшая «чистым воздухом», как назвал его Пристли, и через полчаса была еще жива. Своим открытием Пристли поделился с французским химиком Антуаном Лавуазье (1743–1794), который впоследствии и дал газу название «кислород». В европейских языках его название происходит от греческих корней, означающих «порождающий кислоту», поскольку Лавуазье (как выяснилось, ошибочно) полагал, будто этот газ входит в состав всех кислот. К несчастью для науки, Лавуазье не успел узнать о своей ошибке, безвременно погибнув под ножом мадам Гильотины.
Пристли крайне дальновидно оценил большую роль кислорода в жизнеобеспечении. Он утверждал, что кислород можно использовать «для улучшения спертого воздуха в помещении, где скапливается много людей ‹…›, дабы из неприятного и нездорового он моментально стал здоровым и свежим». Кроме того, он пришел к выводу, что кислород «может пойти на пользу легким в особо тяжких случаях, когда простого воздуха недостаточно». В старину ученые часто экспериментировали на себе, и Пристли не был исключением. Обнаружив, что дыхание кислородом не приносит вреда, он высказал предположение, что «чистый воздух может стать модным предметом роскоши». В наши дни на улицах Токио продают баночный кислород – для надышавшихся городским смогом жителей пригородов, которым необходимо срочно взбодриться.
