Самодостаточная форма жизни

Глубоко под землей ученые обнаружили бактерию, которая получает энергию от радиоактивного распада и не зависит ни от энергии Солнца, ни от других живых организмов, что показывает возможность существования подобных форм жизни на других планетах, говорится в статье, опубликованной американскими учеными в журнале Science.

Необычную бактерию обнаружили в Южной Африке, в шахте, где добывали золото, на глубине 2,8 километра. Стены шахты покрыты трещинами, из которых сочится вода температурой 60 градусов. Здесь живет единственный в этом подземном мире живой организм - бактерия, получившая название Candidatus Desulforudis audaxviator ("смелый путешественник к центру Земли").

Впервые микроорганизмы в этой шахте обнаружили в 2006 году. Чтобы выяснить, какие именно виды там обитают, ученые собрали воду и провели анализ всей содержащейся в ней ДНК. Неожиданно оказалось, что вся ДНК принадлежит только одному виду бактерий.

По словам ученых, эти бактерии - единственные обитатели данной экосистемы, которые могут существовать независимо от остальной жизни на Земле.

"Это первая известная нам в природе экосистема, которая состоит из одного вида. Это необычно с философской точки зрения - все, что необходимо для существования жизни, находится в одном организме", - утверждает ведущий автор исследования доктор Дилан Чивиан (Dylan Chivian) из Национальной лаборатории Лоренса, слова которого приведены на сайте журнала Nature.

Ученые расшифровали весь генетический материал "смелого путешественника" и обнаружили у него 2157 генов, в том числе гены, позволяющие получать энергию от распада радиоактивного урана. Также бактерия может включать в состав органических веществ углерод и азот, содержащийся в окружающей породе.

Сама бактерия имеет форму палочки, у нее есть жгутик для движения, и она может синтезировать плотную оболочку, предохраняющую от вредных воздействий.

По словам исследователей, способность этой бактерии существовать в полном одиночестве, независимо от остальной жизни на Земле, указывает на вероятные формы жизни на других планетах.

Вполне возможно, что похожие микроорганизмы могут жить под поверхностью Марса или спутника Сатурна Энцелада, и для этого не нужно ни солнечной энергии, ни присутствия сложных экологических систем, как на поверхности Земли.

Более подродное описание появилось в Элементах:

Бактерия Desulforudis audaxviator под сканирующим электронным микроскопом. Видна одна длинная палочковидная бактерия на фоне мелких минеральных частиц. Фото из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

В Южной Африке на глубине 2,8 км под землей обнаружена уникальная экосистема, всё население которой представлено одним-единственным видом бактерий. Микроб, получивший название Desulforudis audaxviator, живет в полном одиночестве в горячей подземной воде, насыщенной сульфатами, и сам производит все необходимые ему для жизни вещества из неорганических соединений.

«Элементы» уже рассказывали об удивительных микробных сообществах, обнаруженных под землей на глубине свыше 2 км в Южной Африке (см. Обитатели земных недр не нуждаются в солнечном свете, «Элементы», 23.10.2006). Все найденные до сих пор подземные (и не только подземные) микробные сообщества включают не один, а много видов микроорганизмов, которые обычно образуют симбиотические комплексы, то есть помогают друг другу, деля между собой биохимические функции.

Самое однообразное сообщество, в котором более 88% микробов относились к одному виду, было обнаружено на глубине 2,8 км в золотом прииске Мпоненг, о чем и рассказывалось в вышеупомянутой заметке. Этот доминирующий вид микробов является сульфатредуктором, то есть добывает необходимую для жизни энергию, осуществляя химическую реакцию восстановления сульфата (SO₄^2–).

Продолжая изучение подземной биосферы, исследователи из США, Тайваня и Канады выделили ДНК из 2600 литров воды, добытой в том же прииске и на той же глубине, но из другой скважины. К немалому удивлению ученых, в пробе обнаружился генетический материал лишь одного-единственного вида микробов. Анализы были проведены весьма аккуратно, и результат был подтвержден несколькими независимыми методами. Пришлось констатировать неожиданный и удивительный факт: обнаружена подземная экосистема, всё население которой представлено лишь одним видом микробов. Если там и есть другие микроорганизмы, то их доля, согласно полученным результатам, не превышает 0,1%. Это значит, что доминирующий вид микробов должен обеспечивать себя всем необходимым без всякой помощи со стороны других организмов. Такая независимость и самодостаточность среди живых существ встречается очень редко, а микробные сообщества, состоящие только из одного вида, ранее вообще не были известны.

Что же это за микроб, живущий сам по себе в 60-градусной воде на глубине 2,8 км? Он оказался «старым знакомым», тем самым сульфатредуктором, который доминирует в пробах из прииска Мпоненг, изученных ранее. До сих пор, однако, об этом микробе было известно немногое (ему даже не было присвоено имя), и только теперь появилась возможность изучить его более основательно. Дело в том, что выращивать таких микробов в лаборатории практически невозможно, и судить об их биохимии, строении и образе жизни можно только на основе анализа ДНК. Однако если в пробе присутствуют геномы многих микроорганизмов, то понять, кому из них принадлежит тот или иной обрывок ДНК, технически очень сложно.

Поэтому исследователи в большинстве случаев ограничиваются анализом нескольких наиболее «показательных» генов, прежде всего — генов 16S-рРНК. По этим генам можно довольно точно определить, сколько и каких микробов присутствует в пробе. Если попадается микроб, науке не известный, то по его гену 16S-рРНК можно определить, какой из известных микробов является его ближайшим родственником, а уже из этого делаются выводы о его биохимии и образе жизни. Именно таким способом ранее было установлено, что бактерия, о которой идет речь, является сульфатредуктором, а ее ближайший родич из известных науке микроорганизмов — сульфатредуцирующая бактерия Desulfotomaculum.

Другое дело, если в пробе присутствует только один микроб — в этом случае современные технологии позволяют сравнительно быстро и недорого собрать из кусочков весь его геном. Именно это и проделали исследователи с уникальной бактерией. Имея в руках полную нуклеотидную последовательность генома, о микробе можно сказать очень многое.

Для начала подземная бактерия получила имя — ее назвали Desulforudis audaxviator. В дополнительных материалах к статье авторы поясняют смысл видового названия. «Audax viator» — слова из таинственной латинской фразы, указавшей герою повести Жюля Верна путь к центру Земли. В переводе они означают «отважный странник». Что ж, название вполне подходящее. По мнению исследователей, микроб совершил свое отважное путешествие в недра Земли и приспособился к жизни в полном одиночестве не менее 20 млн лет назад.

Размер генома D. audaxviator — 2,35 млн пар нуклеотидов. Это нормальный размер генома для свободноживущих бактерий. Геном содержит 2157 белок-кодирующих генов. Генетический полиморфизм в популяции подземных микробов оказался очень низким (из 2,35 млн нуклеотидов только 32 варьируют). Это говорит о том, что популяция недавно проходила через «бутылочное горлышко» (период очень низкой численности) или подвергалась сильному давлению отбора.

Поскольку «отважный странник» в одиночку выполняет все функции, которые должны выполнять живые существа в экосистеме, авторы ожидали, что его геном должен содержать полный набор средств жизнеобеспечения в экстремальных условиях, включая биохимические механизмы для получения энергии, фиксации азота и углерода и синтеза всех необходимых веществ. Так и оказалось. В геноме D. audaxviator обнаружились следующие «рабочие инструменты»:

• полный набор генов для сульфатредукции, причем некоторые из этих генов бактерия явно позаимствовала когда-то у архей — микробов, по праву считающихся лучшими экспертами по выживанию в экстремальных условиях;
• набор гидрогеназ — ферментов, позволяющих утилизировать молекулярный водород (который используется многими анаэробными микробами в качестве донора электрона в окислительно-восстановительных реакциях);
• набор белков-транспортеров для перекачки готовых органических соединений — сахаров и аминокислот — из внешней среды в клетку (это значит, что бактерия может вести себя не только как автотроф, то есть синтезировать органику из неорганических соединений, но и как гетеротроф, то есть питаться готовой органикой, если таковая вдруг появляется в окружающей среде. Очевидно, что там, где живет D. audaxviator, единственным источником готовой органики могут быть мертвые распадающиеся клетки тех же самых бактерий. Не такова жизнь у «отважного странника», чтобы разбрасываться столь ценными ресурсами. Кстати, по имеющимся оценкам, бактерии, обитающие в подобных условиях из-за острого дефицита ресурсов должны расти и размножаться невероятно медленно. Ученые не исключают, что между двумя клеточными делениями у таких микробов могут проходить сотни и даже тысячи лет);
• белки для автотрофного метаболизма, позволяющие использовать в качестве источника углерода углекислый газ (CO₂), угарный газ (CO) и формиат (HCOO^–);
• полный набор ферментов для синтеза всех 20 аминокислот;
• гены, необходимые для формирования спор с плотной оболочкой (это, очевидно, позволяет «страннику» переживать периоды, когда условия становятся совсем уж невыносимыми);
• гены, обеспечивающие образование жгутиков, при помощи которых микроб может плыть, куда пожелает;
• гены различных рецепторов и систем передачи сигналов, то есть того, что заменяет микробам органы чувств и нервную систему (по-видимому, «странник» чует, где выше концентрация дефицитных веществ, и плывет туда);
• белки для транспорта аммония (NH₄⁺) из внешней среды. В исследованных пробах концентрация аммония достаточно высока, чтобы полностью обеспечить микробов азотом, но, по всей видимости, так бывает не всегда. Поэтому D. audaxviator имеет в своем арсенале еще и нитрогеназу — фермент, позволяющий осуществлять азотфиксацию, то есть превращать молекулярный азот в удобоваримые для живой клетки азотистые соединения (прежде всего — в тот же аммоний). Нитрогеназа, как и многие другие белки, была заимствована «странником» у архей путем горизонтального генетического обмена.

Так устроена подземная экосистема с единственным живым участником — бактерией Desulforudis audaxviator. Сама бактерия вместе со своим обменом веществ изображена в верхней части схемы в виде большого овала. Видно, что важную роль в функционировании экосистемы играет радиоактивный распад урана (показан «молниями»). Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Ученые нашли в геноме D. audaxviator немало других генов архейного происхождения. Большинство из них связано с приспособлением к жизни в экстремальных условиях. «Странник» позаимствовал у архей также и некоторые гены для защиты от вирусов (от них, оказывается, даже под землей не спрячешься). По-видимому, ему не удалось бы стать таким независимым и самодостаточным, если бы он предварительно не пообщался очень тесно с другими микробами и не одолжил бы у них кое-какие полезные гены.

Насколько можно судить по геному, «странник» вполне может жить при температурах более высоких, чем те, в которых его обнаружили.

А вот чего у «странника» нет совсем, даже в рудиментарном виде, так это белков, позволяющих утилизировать кислород или хотя бы защищаться от его токсичного действия. Это значит, что с кислородом «страннику» не приходилось иметь дела уже очень давно.

Главный теоретический вывод, сделанный авторами из изучения «отважного странника», состоит в том, что вся биологическая составляющая простой экосистемы, как выяснилось, может быть закодирована в одном-единственном геноме.

Источник: Chivian D. et al. Environmental Genomics Reveals a Single-Species Ecosystem Deep Within Earth // Science. 2008. V. 322. P. 275–278.

Александр Марков