Автор фото, Gaetan Borgonie et al., Nature, 2011
Когда в глубинах земной коры нашей планеты обнаружили одного-единственного червя, это стало началом невероятной цепи событий, изменившей наше понимание жизни.
Если бы вы могли пробурить землю под собой и спуститься в земную кору, то очень быстро стали бы чувствовать себя некомфортно.
Мерой того, как солнечный свет исчезает, а вы приближаетесь к расплавленному ядру планеты, температура и давление возрастают, а глубокие грунтовые воды заполняют трещины и полости в породе.
На жаркой глубине в 1,3 км можно было предположить, что здесь ничто не способно выжить. Но если вам повезет, вы можете их увидеть: миллиарды и миллиарды бактерий, иногда образующих ярко-оранжевые или белые ковры. А будь у вас микроскоп, возможно, вы даже увидели бы крошечного червяка, который с помощью придатков у рта передвигается по скале.
Это Halicephalobus mephisto, или дьявольский червь, охотящийся на микробов. Хотя он ничтожен по размерам — его длина составляет всего несколько человеческих волос — в этой лилипутской экосистеме он настоящий кит.
Когда он умирает в покрывающей породу слизистой микробной пленке, считают ученые, его тело потребляют бактерии и другие формы жизни, поддерживая этот странный цикл существования.
До 1980-х годов большинство биологов считали, что жизнь не существует глубже чем примерно 30 см под поверхностью земли. Обнаружение бактерий, обитающих на больших глубинах, а также открытие дьявольского червя в 2011 году, стали настоящим переворотом в нашем понимании недр Земли.
История этого червя демонстрирует, как животная жизнь находит способ существовать без энергии Солнца и без атмосферы, богатой кислородом, радикально расширяя представления ученых о возможностях живых организмов и порождая новые идеи о происхождении и будущей жизни.
«Если там можно найти червя, то что еще мы пропускаем? – удивляется геомикробиологиня Карен Ллойд из Университета Южной Калифорнии. – Это просто безграничное поле возможностей».
По счастливому стечению обстоятельств ученым удалось получить потомство от того единственного червя, и теперь они активно изучают его потомков, чтобы понять, как этот вид выживает в горячих и темных недрах Земли.
Автор фото, Gaetan Borgonie, Extreme Life Isyensya, Belgium
Знакомство с глубокой биосферой
Первые убедительные сообщения о жизни глубоко под поверхностью появились в 19. 00. К примеру, в 1997 году бактерии обнаружили на глубине 2,8 км внутри газовой скважины.
В начале 2000-х годов биолог Гаэтан Боргонье, изучающий червей и основавший бельгийский некоммерческий исследовательский институт Extreme Life Isyensya, задумался над тем, могут ли небольшие черви, известные как круглые черви или нематоды, также.
Боргонье вспоминает, что старшие ученые высмеивали мнение о том, что более сложные формы жизни могут существовать в таких глубинах. Но он, зная выносливость этих маленьких животных, считал, что это следует проверить.
В конце концов, когда космический шаттл Columbia потерпел крушение и распался в атмосфере в 2003 году, нематоды из эксперимента на борту упали на землю с высоты 64 км и выжили, после чего еще и успешно размножались.
В 2008 году Боргонье вместе со специалистами по экстремальным формам жизни посетил золотую шахту Beatrix в Южной Африке. На глубине 1,3 км команда получила доступ к отверстиям, пробуренным в стенах шахты для добычи воды при температуре примерно 37°C внутри породы. Воду пропускали через фильтры, предназначенные для ловли мелких форм жизни.
После фильтрации более 6 000 литров воды они поймали одного маленького червя.
В двух других шахтах Южной Африки они профильтровали еще большие объемы воды, более 12 миллионов литров в одной из них, и обнаружили горсть разных видов нематод, а также других беспозвоночных, грибов и несколько микроскопических форм жизни.
«Я никогда не ожидал найти целый зоопарк», — говорит Боргонье.
Большинство обнаруженных видов известны и на поверхности. Но червь из шахты Beatrix, хвост которого был поврежден во время фильтрации, принадлежал к виду, которого Боргонье не узнал.
В 2011 году они сообщили, что это новый для науки вид, и назвали его Halicephalobus mephisto.
Автор фото, Gaetan Borgonie, Extreme Life Isyensya, Belgium
Повреждение хвоста для нематоды означает смертный приговор. Но, к счастью, эта особь была самок и была партеногенетической, то есть могла размножаться самостоятельно без спаривания. До своей смерти она отложила восемь жизнеспособных яиц.
«Нам очень, очень повезло», — говорит Боргонье.
Он больше никогда не находил другого дьявольского червя.
«Это был выживший червь. Как Гарри Поттер», — восторженно говорит исследователь геномики Джон Брахт из American University в Вашингтоне.
Часть потомков того червя попала в лабораторию Брахта, где их выращивают в чашках Петри в условиях, подобных тем, в которых содержат родственника дьявольского червя, Caenorhabditis elegans, одного из наиболее исследованных видов нематод.
Но есть и отличия. Mephisto не плавает в воде, а цепляется за стенки пластиковых трубок, что, вероятно, помогает ему удерживаться на подземных породах.
Похоже, ему не нравится питание Caenorhabditis elegans – бактерия E. Coli. Черви-дьяволы ползут к другим бактериям, которые попадают в чашки и образуют колонии.
Важно, что mephisto плохо чувствует себя при комнатной температуре. При 20 С его развитие замедляется, и жизненный цикл длится восемь дней. Он предпочитает температуру 37°C, условия, которые обычно убивают Caenorhabditis elegans, но при которых mephisto успешно размножается каждые два дня.
Приспособление для выносливости
Изучать вид только по потомкам одной особи непросто, особенно если они давно находятся вдали от природной среды. Однако Брахт нашел подсказки по поводу того, как этот червь выживает под землей.
Когда он и его коллеги секвенировали ДНК mephisto в 2019 году, они обнаружили необычно большое количество генов, производящих белки теплового шока – молекулы, защищающие другие белки от повреждений, вызванных экстремальными температурами.
Позже, в 2024 году, команда Брахта подробно исследовала другую молекулу – цитохромоксидазу c, ключевой компонент процесса потребления кислорода и выработку энергии, необходимой для поддержания жизни.
Серия экспериментов показала, что цитохромоксидаза c в mephisto функционирует только при высоких температурах. При комнатной температуре молекула выключается, замедляя выработку энергии, что объясняет, почему эти черви настолько безжизненны в таких условиях.
Брахт предполагает, что этот механизм отключения может быть тактикой выживания.
«Они таким образом обеспечивают более интенсивное размножение в более благоприятной среде, т.е. Теплой», — говорит он.
Автор фото, Gaetan Borgonie, Extreme Life Isyensya, Belgium
Сейчас Брахт исследует, является ли партеногенетический способ размножения дьявольского червя также инструментом выживания. Поскольку они могут очень редко встречать представителей своего вида в бескрайних подземных пространствах, такой способ бесполого размножения может быть единственной возможностью оставить потомство.
Впрочем, считают, что бесполое размножение имеет определенную цену, ведь не создает здорового генетического разнообразия, возникающего при смешивании генетического материала самцов и самок. Именно поэтому многие ученые считают размножающиеся бесполыми видами обреченными на вымирание.
Возможно, самцы дьявольского червя все же существуют, что позволяет определенный уровень полового размножения во время встреч особей, но их пока не обнаружили, предполагает Брахт.
В любом случае эти черви демонстрируют исключительную способность нематод приспосабливаться.
«В любом месте, где есть источник пищи и возможность для животных попасть туда, нематоды эволюционируют так, чтобы занять эту нишу», — говорит он.
Устойчивость в глубинах
Остается загадкой, как эти формы жизни сюда попали.
Исследования Боргонье и геобиологии Кары Магнабоско из ETH Zürich в Швейцарии свидетельствуют, что по крайней мере некоторые нематоды спускаются с поверхностных сред вместе с водой, возможно, при содействии толчков землетрясений. Одни виды выживают, другие гибнут.
«Должна существовать определенная связь и транспорт от поверхности к этой глубокой среде», — говорит Магнабоско.
В целом, Магнабоско и другие исследователи оценивают, что микробы глубокой биосферы составляют значительную долю жизни на планете, обеспечивая от 12% до 20% всей микробной биомассы Земли.
Эти подземные бактерии, выработавшие сложные стратегии получения углерода и энергии из темного окружающего мира, предположительно играют важную роль в поддержании более сложных форм жизни, таких как нематоды.
Они не только обеспечивают еду, но и могут продуцировать небольшое количество кислорода, необходимого глубоководным нематодам, говорит Ллойд.
Кроме того, влияя на уровень кислотности внутри глубоких водных пустот, «они могут помогать создавать благоприятную среду для роста более крупных организмов», отмечает Ллойд.
Беспозвоночные в свою очередь снабжают микробов питательными веществами: азотом из-за выделения и углеродом из своих тел после смерти, добавляет Боргонье.
Исследование Мэгги Лау из Института глубоководной науки и инженерии Китая и ее коллег обнаружило свидетельство того, что один вид бактерий, обитающих на больших глубинах, может находиться в земной коре еще со времен распада суперконтинента Пангея, населяли динозавры.
Дьявольский червь и его подземные родственники вполне могут относиться к самым выносливым формам жизни на планете.
По мнению специалистов, изучение глубокой биосферы может помочь лучше понять условия, при которых зародилась жизнь, а также способствовать поискам внеземной жизни. Если жизнь существует на Марсе, она, вероятно, прячется под поверхностью.
И если астероид, способный уничтожить жизнь, поразит Землю и стерилизует ее поверхность, жизнь может вновь возникнуть благодаря существам, обитающим в недрах.
«Мы, люди, думаем, что управляем миром, но это не так», — говорит биохимик Эста ван Герден, ведущая экологическая ученая южноафриканской компании по биоремедиации iWater и член команды, открывшей дьявольского червя.
«Для меня это стало очень поучительным опытом. Осознание того, что они существуют здесь миллионы, а возможно и миллиарды лет, и останутся здесь еще долго после того, как нас уже не будет», — добавляет она.
