По оценкам ученых пятая часть всей биомассы нашей планеты — это организмы из так называемой «подземной биосферы», населяющие осадочные и магматические породы, водоносные горизонты, нефтяные пласты.
Защищенные от быстро меняющихся природных явлений на поверхности Земли, подземные микробные сообщества эволюционируют медленно и по своей организации могут напоминать те, что существовали миллионы и даже миллиарды лет назад. Микробиологи ФИЦ Биотехнологии РАН совместно с геологами МГУ им. М.В. Ломоносова изучили микроорганизмы минеральных вод «Ессентуки», добываемых из скважин, с глубины около 1 км. В самом глубоком водоносном горизонте преобладали бактерии, по способу питания аналогичные предполагаемому последнему общему предку всех живых организмов (Last Universal Common Ancestor). Предложенный молекулярными биологами «Лука» (LUCA) существовал 3,4 миллиарда лет назад (по некоторым данным, более 4 миллиардов лет назад). Как оказалось, за счет комплекса сложных геологических и гидрохимических факторов в подземном Ессентукском месторождении минеральных вод созданы условия, которые можно считать современной моделью древних экосистем Земли. Свое открытие ученые описали в статье, опубликованной в журнале mBio.
К Ессентукскому месторождению минеральных вод относятся несколько водоносных горизонтов, по древности не уступающих динозаврам: они относятся к верхнеюрскому, нижнемеловому и верхнемеловому периодам. Однако, как выяснилось, полученные образцы могут стать «окном» в гораздо более далекое прошлое нашей планеты. В отличие от поверхности, где такие факторы как влажность, температура, освещенность, концентрация различных химических веществ, газов могут измениться в одночасье, например, из-за погодных условий, под землей условия гораздо стабильнее. Сообщества микроорганизмов подземной биосферы живут без света, к ним практически не поступает кислород и питательные вещества с поверхности, а движение воды происходит очень медленно. В основном, они используют растворенные в воде минеральные вещества и газы, а также минералы из окружающих пород. В результате подземные обитатели эволюционируют очень медленно, изменяясь под давлением внешних факторов. Описанные исследователями ФИЦ Биотехнологии РАН микробные сообщества водоносных горизонтов, из которых добывается минеральная вода «Ессентуки», оказались похожими на самых ранних обитателей Земли.
«Мы проанализировали геологические и гидрохимические параметры трех водоносных горизонтов и области питания подземных вод, а также изучили микробные сообщества в них. Самый глубокий водоносный горизонт стал первой известной современной экосистемой, где 80-90% сообщества составляет ацетогенная бактерия, использующая углекислый газ и водород как в качестве энергодающей реакции. Такой же способ питания предполагается и для «Луки», — рассказала первый автор статьи Дарья Заварзина, старший научный сотрудник лаборатории метаболизма экстремофильных прокариот ФИЦ Биотехнологии РАН.
Предыдущие исследования группы микробиологов фокусировались на скважинах №49-Е и №46, где добывают с XIX века самые популярные в санаторно-курортном лечении воды «Ессентуки №4» и «Ессентуки №17». Их полезные свойства медики объясняют повышенной концентрацией гидрокарбонат-ионов, борной кислоты и углекислого газа. В сообществах этих скважин преобладали древние безъядерные микроорганизмы (прокариоты) – археи Hadarchaeota, которых не удалось вырастить в лабораторных условиях, и бактерии филума Actinomycetota, один из представителей которых был выделен в чистую культуру.
В новой работе ученые проанализировали микробные сообщества из трех водоносных горизонтов, взяв образцы из пяти скважин. Микробиологи выяснили, что разнообразие обитателей водоносных горизонтов напрямую зависит от глубины их залегания. Так, наибольшим разнообразием отличалось сообщество из приповерхностных вод, добываемых скважиной №70, большинство микроорганизмов которой не культивировалось в лабораторных условиях. В минеральных водах типа «Ессентуки №4», добываемых из скважин №№ 49-Е и 71 и относящихся к верхнемеловому горизонту, доминировали представители Methanobacteriota, а также некультивируемые Aminicenantia и актиномицеты класса Coriobacteriia и группы RBG-16–55-12. Воды из скважины №46, откуда добывается вода «Ессентуки №17», отличались большим разнообразием некультивируемых архей из групп Hadarchaeales, Thermoplasmata и Halobacteriota, которые вместе составляли 40% сообщества.
Относящаяся к самому глубокому, верхнеюрскому горизонту вода скважины 75-бис отличалась самым низким биоразнообразием. 80–95% сообщества составляла термофильная гидрогенотрофная ацетогенная бактерия вида Aceticella autotrophica, описанная ранее сотрудниками ФИЦ Биотехнологии РАН при изучении проб из камчатских горячих источников. Сложная характеристика этих бактерий означает, что они получают энергию, перерабатывая углекислый газ и водород в органику (уксусную кислоту) и воду. Так же мог питаться и «Лука» – «прародитель» всех современных живых организмов.
«Мы обнаружили первый пример экосистемы, где преобладает микроорганизм, подобный «Луке». В глубоком верхнеюрском горизонте за счет медленного водообмена, повышенной температуры и высокой концентрации углекислоты созданы специфические условия, благоприятные для развития таких микроорганизмов. Т.е., это современная экосистема, в которой благодаря сочетанию нескольких факторов создались условия, аналогичные самому раннему этапу развития биосферы Земли. Продолжая изучение подземных микробных сообществ, мы можем узнать больше не только об эволюции отдельных микроорганизмов, но и понять, как менялся состав биосферы по мере изменения условий в течение геологической истории Земли, до появления высших организмов», — заключает Дарья Заварзина.
