Древние бактерии, живущие на глубине три с лишним километра под земной поверхностью: именно они заставили Туллиса Онстотта (Tullis Onstott) приступить к поискам жизни в самых невероятных местах. Геомикробиолог в 1992 году принял участие в совещании в министерстве энергетики США, посвященном горным породам, возраст которых оценочно превышает 200 миллионов лет. То есть, они старше динозавров. Эти доисторические породы были подняты из газовой скважины. Оказалось, что они кишат бактериями.
«Меня это поразило, — говорит Онстотт, работающий в Принстонском университете. — Мое воображение захватила мысль о том, что эти бактерии жили в триасовых породах еще до эпохи динозавров».
Данные породы стали одним из первых материальных доказательств того, что глубоко под землей есть жизнь. Это дало мощный толчок исследованиям жизни в так называемой глубокой геологической среде. За последние 20 лет Онстотт и другие ученые выяснили, что в негостеприимных местах жизнь намного разнообразнее, чем считалось прежде.
Глубинную жизнь находят по всему миру, причем в самых разных условиях: на нефтяных месторождениях, в золотых рудниках, подо льдом в Гренландии и Антарктиде, а также в отложениях и скальных породах на дне океана. Порой условия окружающей среды там чрезвычайно неблагоприятные, а давление в 10-100 раз превышает атмосферное. Температура может быть от нуля до 60 градусов Цельсия.
На глубине полутора-двух километров нет солнечного света и очень мало кислорода. В таких суровых условиях живым организмам приходится цепляться за жизнь, используя всю ту энергию, которую они могут найти вокруг себя. А это значит, что ритм жизни там может порой очень сильно замедляться. Микробов внизу может быть в тысячи и миллионы раз меньше, чем на поверхности. И некоторые из них существуют сотни, тысячи и даже миллионы лет. Настоящие микроскопические Мафусаилы.
Эти существа из земных глубин весьма разнообразны. Среди них есть бактерии и одноклеточные организмы, которые называются археи. На километровой глубине есть даже многоклеточные, в том числе, крошечные черви нематоды.
«Продолжая исследовать эту глубинную вселенную, мы с удивлением узнаем, что жизнь внизу намного сложнее, чем мы могли себе представить, когда в 90-е годы стали изучать образцы из триасового периода», — говорит Онстотт.
Такая сложная жизнь дает исследователям массу возможностей, начиная с очистки токсичных отходов и кончая поисками внеземной жизни. Некоторые из этих глубокоживущих организмов питаются непосредственно металлами и минералами, и могут оказывать воздействие на подземные воды, увеличивая или уменьшая содержание мышьяка, урана и токсичных металлов. Ученые надеются, что скоро эти бактерии удастся использовать для удаления и улавливания вредных веществ, скажем, из вытекающих из шахт сточных вод.
Но самая заманчивая идея заключается в следующем. Условия глубоко под землей настолько неблагоприятны и необычны, что могут дать ученым определенные подсказки о том, где искать внеземную жизнь — и как эта жизнь может выглядеть.
Это может дать ответ на вопрос о том, может ли существовать жизнь под поверхностью Марса, — говорит Онстотт. — Вот что привлекло меня к этой работе с самого начала, и это по-прежнему придает мне силы и энергию«.
В этих экстремальных условиях, где организмы довольно редки, ученые прилагают огромные усилия для изучения микробов. Они спускаются в шахты и карстовые пустоты, при помощи буровых инструментов извлекают образцы из-под земли и океанского дна. В некоторых местах уходит несколько дней на то, чтобы заполучить хотя бы они образец. «Отправиться в земные глубины или бурить, либо поехать в Арктику и там опуститься на километр в глубину за образцами — это непросто», — говорит Онстотт.
Исследуя адские глубины
В полутора километрах под земной поверхностью в южноафриканской золотой шахте Беатрикс Мэгги Лау (Maggie Lau) ищет жизнь. Там жарко и влажно, а свет дает только головная лампа. Лау, работающая геомикробиологом в группе Онстотта в Принстонском университете, собирает воду из пробуренных скважин. Геологи бурят их в поисках газа и водяных мешков перед началом добычи. Лау заполняет пробирки и флаконы образцами газа и воды. Емкости у нее разного объема: от чайной ложки до литра с лишним.
Собранный Лау газ может рассказать, насколько древняя там вода. «Образцам, которые я изучаю, от 40 до 80 тысяч лет», — говорит она. Эта вода могла просочиться с поверхности через трещины в горной породе тысячи и даже миллионы лет назад, принеся с собой организмы с поверхности или с небольших глубин.
В отличие от воды, Лау добирается до места исследований гораздо быстрее и интереснее. Она спускается в шахту по стволу в клетке подъемника, который падает на полуторакилометровую глубину менее чем за минуту. Затем она идет с тяжелым рюкзаком за плечами еще полтора километра или больше. По некоторым шахтам приходится ползти, волоча за собой рюкзак, а на затопленных участках пробираться по колено или по пояс в воде. Иногда в конце дня подъемник не работает, и Лау с Онстоттом приходится выбираться по лестнице. «Мы шутим, что это как лестница на небеса», — говорит она.
В этих адских глубинах, где вода разогревается до 55 градусов Цельсия, и где порода теплая на ощупь, жизнь встречается нечасто. Чтобы собрать как можно больше живых клеток для дальнейшего анализа, Лау оставляет часть емкостей, которые фильтруют сотни тысяч литров воды в течение нескольких недель и месяцев.
На глубине полтора километра под землей Лау обычно может найти от 1 000 до 10 000 клеток в чайной ложке воды. Кажется, что это много, но в щепотке земли с вашего огорода таких клеток в сто тысяч или в миллион раз больше. На глубине более полутора километров можно найти лишь 500 клеток на чайную ложку воды. Лау посчитала, что ей надо фильтровать воду непрерывно в течение 200 дней, чтобы набрать достаточное количество ДНК и РНК для анализа.
Иногда трудно выращивать в лабораторных условиях бактерии, не зная конкретно, чем они питаются и какие условия предпочитают. Ученым удается вырастить всего один процент от того количества бактерий, которые они находят в земных глубинах. В результате большинство видов известны лишь по их уникальным молекулярным признакам. А секвенирование ДНК и РНК указывает на существование огромного множества ранее неизвестных бактерий в тех образцах, которые ученые собирают на глубине.
В последнее время Лау сделала новый шаг в своих исследованиях. Она пытается узнать не только то, кто живет в земных недрах, но и как эти организмы выживают. Солнечного света там нет, как нет и растений, улавливающих солнечную энергию посредством фотосинтеза. Поэтому глубокоживущим бактериям приходится жить за счет энергии от химических реакций между породой и водой. Эти реакции могут производить водород, метан и сульфаты, и ученые думали, что три этих химических вещества питают большую часть бактерий, живущих на глубине.
К своему удивлению, Лау обнаружила, что это не так. Химические вещества питают лишь малую часть бактерий, которые затем вырабатывают серу и нитраты. В такой среде доминируют те бактерии, которые питаются этими производными химическими веществами.
Получается, что когда ученые занимаются поисками подземной жизни на Земле и других планетах, им следует искать более обширный круг метаболических реакций. «Не надо останавливаться лишь на нескольких главных процессах. Нам следует смотреть шире, охватывая взглядом весь метаболический горизонт», — говорит Лау.
«Реально увидеть, что они все делают здесь, на глубине, это самое интересное и волнующее достижение, нечто такое, о чем мы думали, и что пытались осуществить последние 20 лет. И вот наконец мы добились своего», — говорит Онстотт.
«Первый снимок Лау это как первое изображение с Марса или нечто подобное. Это невероятно», — добавляет он.
Настоящий зоопарк
Там, где есть дичь, обычно есть и хищники. А бактерии это вкусная еда для многих существ.
Когда Гаэтан Боргони (Gaetan Borgonie) услышал об этих глубокоживущих бактериях, он подумал: а нельзя ли найти там же, под землей, червей под названием нематоды, которые питаются бактериями? Боргони, работающий зоологом в Гентском университете в Бельгии, изучает этих червей уже 20 лет. Он знал, что нематоды могут жить в экстремальных условиях на поверхности, в том числе, при очень высоких и низких температурах и при малом содержании кислорода. Поэтому теоретически они должны были неплохо приспособиться к жизни глубоко под землей.
Боргони связался с Онстоттом, который пригласил его исследовать шахты в Южной Африке. Но найти этих червей оказалось нелегко. На поверхности они живут в изобилии, но в шахте Боргони пришлось взять на пробу почти 10 000 литров воды, чтобы найти одного-единственного нематода. «Пришлось поменять мировоззрение и отказаться от того, что ты знаешь о поверхности, потому что подземелье это совсем другой мир», — говорит он.
Боргони обнаружил большое количество нематодов в воде возрастом от 3 000 до 12 000 лет, которую он собрал в шахтных скважинах, а также в сталактитах, висящих в проходах шахт. Среди них был один новый вид, который он нашел на глубине полутора километров. А еще он нашел неопознанного червя, живущего на глубине три километра. По словам Боргони, эти организмы доказывают, что многоклеточная эукариотическая жизнь существует и на такой глубине.
В отличие от уникальных бактерий, найденных в этих глубинах, подавляющее большинство червей принадлежит к видам, живущим на поверхности. «Эти организмы уже привыкли к стрессу, и те, что приспосабливаются на поверхности, неплохо приживаются и под землей», — говорит ученый.
Подземная среда на самом деле дает некоторые преимущества, поскольку условия там стабильны, а охотящихся на червей хищников нет. «Для них это как отдых», — шутит Боргони.
Убедившись, что в шахтах могут жить и другие существа, Боргони оставил свое оборудование для забора проб в южноафриканской шахте Дрифонтейн на два года, чтобы профильтровать 12 с лишним миллионов литров воды. Этого достаточно, чтобы заполнить пять олимпийских плавательных бассейнов.
«Вот тогда мы обнаружили целый зоопарк», — заявляет Боргони. Он идентифицировал еще несколько многоклеточных организмов, включая плоских и кольчатых червей, а также нечто подобное ракообразным. Почти все эти виды питаются бактериями.
Открытие этих организмов вдохновляет ученых, занимающихся поисками внеземной жизни, говорит Боргони. «Мне кажется, это очень хорошо, что мы нашли такую огромную экосистему под землей, — рассказывает он. — Если мы сможем доказать, что эти организмы могут жить под землей бесконечно долго, то это станет отличной новостью для людей, ищущих жизнь на Марсе».
«Мне бы очень хотелось заняться такой работой на планете Марс, — заявляет Боргони. — Поэтому я всегда говорю: если мне когда-нибудь дадут билет в один конец на Марс, я тут же улечу».
Инопланетные глубины
Свой билет Боргони пока не получил, но предстоящие исследовательские полеты в космос могут дать нам лучшее представление о том, пригодны ли для жизни другие части Солнечной системы.
«Астробиологам чувство оптимизма придает знание того, что есть организмы, способные выживать в экстремальных для нас условиях», — говорит астробиолог из исследовательского центра НАСА имени Эймса Тори Хелер (Tori Hoehler). Хелер входит в состав исследовательского коллектива Астробиологического института НАСА, который изучает, как реакции между разными типами горных пород и водой вырабатывают энергию, которой достаточно для поддержания жизни.
«Самая распространенная среда состоит главным образом из породы и воды», — говорит Хелер. По его словам, можно себе представить водоносные слои, находящиеся глубоко под поверхностью Марса, или океаны, которые плещутся над твердой корой спутника Юпитера Европы или спутника Сатурна Энцелада.
Europa Multiple Flyby Mission — это проект автоматической межпланетной станции НАСА, предназначенной для изучения спутника Юпитера Европы. Ожидается, что она отправится в космический полет через пять или десять лет, и даст ученым расширенное представление о том, есть ли на этой ледяной луне Юпитера среда, способная к поддержанию жизни. А что касается Марса, говорит Хелер, то ученые уже перестали спрашивать, можно ли там найти пригодную для жизни среду. Теперь они занимаются поисками признаков самой жизни.
Хотя в настоящее время условия на марсианской поверхности крайне неблагоприятны для жизни, похоже, что на планете в прошлом была атмосфера и вода на поверхности. Если в тот период на Марсе развивалась жизнь, она могла сохраниться под марсианской поверхностью, где условия остаются стабильными, хотя сама поверхность стала враждебной. Возможно, жизнь еще существует в марсианских глубинах, дожидаясь, когда мы ее найдем.
Ждать осталось недолго. Скоро мы впервые увидим, что же скрывается под поверхностью Марса. В рамках программы Европейского космического агентства ExoMars в 2018 году на Марсе будет пробурена поверхность на глубину около двух метров в попытке найти признаки жизни. Наверное, этого мало, чтобы найти живые организмы, но достаточно глубоко, чтобы найти доказательства жизни.
Прошло более 20 лет с тех пор, как древние бактерии позволили Онстотту впервые посмотреть на жизнь в земных глубинах, но сейчас он ждет не дождется, что ученые найдут на Марсе, особенно когда они смогут копнуть гораздо глубже.
«Если на Марсе есть приятное место, где правильный баланс температуры и воды, то в этих условиях там могут сохраниться живые организмы».
