Микробная жизнь широко распространена в самых разнообразных местах обитания и средах Земли.
Микроорганизмы приспособились расти в кислых и щелочных источниках, солончаках, пустынях, в средах с экстремальными температурами выше 122°C или ниже -20°C, а также при давлении окружающей среды, превышающем давление в океанических впадинах. Хотя считается, что в поверхностных экосистемах сосредоточена большая часть общей биомассы Земли, большая часть углерода бактериальной и архейной биомассы Земли хранится в подповерхностных экосистемах на глубине от менее 1 м до многих километров под поверхностью Земли.
Какие же микроорганизмы обитают под нами - в золотодобывающих шахтах, в водоносных горизонтах, в глубоких скважинах на морском дне - и как они связаны с микробиомами, покрывающими поверхность Земли, на суше и в море? Первое глобальное исследование, посвященное этому масштабному вопросу, проведенное в Морской биологической лаборатории США, выявило поразительно высокое микробное разнообразие в некоторых подземных средах (до 491 метра под морским дном и до 4 375 метров под землей). Эти открытия указывают на огромные, неиспользованные подповерхностные резервуары разнообразия для биоразведки новых соединений и лекарственных препаратов, для понимания того, как клетки адаптируются к экстремально низкоэнергетическим средам, и для понимания возможностей поиска внеземной жизни. Исследование, проведенное под руководством Эмиля Руффа, было опубликовано в журнале Science Advances.
«Принято считать, что чем глубже вы опускаетесь под поверхность Земли, тем меньше энергии, и тем меньше клеток могут там выжить», - говорит Руфф. "Чем больше энергии, тем большее разнообразие может быть создано и поддерживаться - как в тропических лесах или коралловых рифах, где много солнца и тепла. Но мы показали, что в некоторых подповерхностных средах разнообразие может легко соперничать с разнообразием на поверхности, а то и превосходить его. Это особенно верно для морской среды и для археев", - поясняет он.
Грязевой вулкан на морском дне, где богатые метаном потоки выбрасываются из недр в толщу воды. Эти экосистемы находятся на границе между подповерхностной и поверхностной сферами и часто являются оазисами жизни в глубоком океане. Фото: Mandy Joye/UGA.
Это масштабное исследование, на которое ушло восемь лет, также является одним из первых, в котором сравнивается морское и континентальное царства с точки зрения микробного разнообразия и состава сообществ. «Посмотрите на растения и животных - очень немногие из них приспособлены как к морской, так и к наземной среде обитания», - говорит Руфф. «Интересный вопрос - так ли это и с микробами?» Оказалось, что да. Морские и наземные микробиомы сильно отличаются по составу, в то время как степень их разнообразия схожа. «Похоже, это универсальный экологический принцип», - отмечает Руфф. «Существует очень четкое разделение между морскими и наземными формами жизни, причем не только на поверхности, но и в недрах. Селективное давление на суше и в море очень разное, и оно отбирает различные организмы, которым трудно жить в обеих сферах».
"Только в середине 1990-х годов ученые впервые осознали, что прямо под нашими ногами, на километровой глубине в скальных породах и под морским дном, находится огромный резервуар микроорганизмов", - рассказывает Руфф. "По оценкам специалистов, сейчас 50-80% микробных клеток Земли обитают в недрах, где доступность энергии может быть на порядки ниже, чем на освещенной солнцем поверхности". Благодаря этому исследованию «мы теперь можем также осознать, что, возможно, половина всего микробного разнообразия на Земле находится в недрах», - замечает Руфф.
Интересно то, что в этих низкоэнергетических средах жизнь замедляется, иногда до абсолютного минимума. По оценкам, некоторые подповерхностные клетки делятся в среднем раз в 1000 лет. Таким образом, у этих микроорганизмов совершенно другие временные рамки жизни и мы потенциально можем узнать от них что-то о старении. Чтобы выжить в недрах, «имеет смысл эволюционно приспособиться к тому, чтобы абсолютно минимизировать свои потребности в энергии и оптимизировать каждую часть своего метаболизма, чтобы быть как можно более энергоэффективным», - говорит Руфф. «И мы также можем научиться этому: как быть чрезвычайно эффективными, когда вы живете практически без ничего».
Если на Марсе или других планетах в какой-то момент их истории была жидкая вода, а есть доказательства, что на Марсе она была, то экосистемы на глубине 3 км под его поверхностью будут очень похожи на земные. Энергия была очень низкой, время генерации организмов было очень долгим. Понимание глубинной жизни на Земле может стать моделью для выяснения того, была ли жизнь на Марсе и сохранилась ли она.
Исследования микробной жизни в различных участках поверхности и недр Земли не являются чем-то новым, но, по словам Руффа, данные этих исследований было трудно, если вообще возможно, обобщить из-за несоответствия методик исследований, которые использовали разные группы. Напротив, для настоящего исследования группы ученых со всего мира отправляли образцы подповерхностной жизни в лабораторию Руффа, где использовались одинаковые методики секвенирования и анализа микробной ДНК образцов. Таким образом, впервые был получен единообразный набор данных, который позволил сравнить более 1000 образцов из 50 морских и наземных экосистем. «Впервые мы могли напрямую сравнить микробиомы, скажем, поверхностных отложений Великих озер с отложениями, находящимися на глубине двух километров под морским дном», - говорит Руфф. «В этом и заключается преимущество этой обобщающей статьи».
