Десять лет назад Карен Ллойд обнаружила одноклеточные микроорганизмы, живущие под морским дном. Теперь она изучает, как они могут выживать в земной коре, возможно, на протяжении сотен или тысяч лет, и расширяют границы жизни в плане времени и энергии.
от автора: Моника Алмейда для Quanta Magazine
Вдетстве Карен Ллойд нравилось бродить по устьям рек и пляжам на побережье Северной Каролины, где она жила. Вооружившись сачком, будущий геохимик-микробиолог доставал водоросли и ил, в котором копошились улитки, личинки крабов и другие мелкие беспозвоночные. Для юной Ллойд это были удивительные тайные миры, скрытые от глаз, но не менее интересные, чем рыбы и киты. Эти детские переживания произвели на неё неизгладимое впечатление и укрепили её веру в то, что «реальность гораздо больше, чем мы можем увидеть своими глазами», — сказала она. С тех пор она построила свою карьеру на этом убеждении. Используя инструменты биоинформатики и геохимии, Ллойд, которая сейчас работает в Университете Южной Калифорнии, делает видимыми организмы, которые находятся за пределами нашего восприятия — как из-за их микроскопических размеров, так и из-за труднодоступности мест, где они обитают. Она изучает одноклеточные микробы, которым удаётся выживать в горных породах на глубине 8 и более километров под поверхностью Земли, где они живут в невероятной дали от солнечного света и кислорода, и расширяет границы взаимодействия жизни со временем и энергией.
До 1980-х годов эти подземные экосистемы были неизвестны науке; земная кора считалась безжизненно на глубине 30 метров, началась гонка за поиском микробов в более экстремальных и неожиданных местах обитания. Но потребовалось несколько десятилетий, чтобы начать идентифицировать эти организмы с помощью анализа их ДНК. В 2013 году, воспользовавшись достижениями в области секвенирования ДНК, команда Ллойда опубликовала первые полногеномные последовательности микробных клеток, обитающих в морских отложениях на дне Орхусской бухты в Дании. Это новаторское исследование показало, что в этих отложениях обитает множество микробов, которые находятся глубоко в ветвях древа жизни и питаются, медленно расщепляя частицы белка, находящиеся в отложениях. Это был ранее неизвестный механизм питания архей — ветви одноклеточных организмов, отдельной от бактерий.
Насколько ей известно, в расплавленной лаве нет живых организмов. Она изучала, как новый вулкан повлиял на экстремофилов в близлежащих горячих источниках. Питер Барри
По словам Ллойд, научное сообщество признало, что бактерии и археи процветают в недрах Земли, представляя собой огромный биом, совокупный вес которого превышает 200 миллионов синих китов. За десять лет, прошедших с момента их открытия, Ллойд и её коллеги проанализировали ещё больше геномных данных и провели лабораторные эксперименты с этими клетками. Их открытия расширили представления о метаболических ограничениях жизни. От способности «дышать» камнями до возможности жить сотни тысяч или даже миллионы лет — эти подземные микробы, известные как «интратеррестриалы» из-за их способности выживать в недрах планеты, заставили Ллойд пересмотреть своё понимание универсальных законов биологии. Хотя для нас организм, живущий миллионы лет, может показаться чем-то невероятным, эти сверхдолгоживущие микробы на самом деле могут быть вполне обычными для Земли. В недавнем комментарии в Nature Microbiology Ллойд и её коллега, микробиолог из Университета Южной Калифорнии Эндрю Стин, предложили назвать этих долгоживущих подземных микробов «эонофилами» в честь их любви к эонам, то есть к неизмеримым отрезкам времени. Эти микробы не только расширяют наше представление о реальности, но и могут найти более практическое применение. Ллойд предположила, что ферменты, которые на протяжении тысячелетий стабилизируют эти клетки под землёй, могут стабилизировать и другие типы материалов, например лекарства, доставляемые в отдалённые районы. Благодаря работе Ллойд и её коллег в открытом доступе теперь находятся тысячи последовательностей генов с потенциальными кандидатами для такого практического применения. «Нужно просто просеять этот огненный поток возможностей и найти золотую жилу, — сказала Ллойд. — Маловероятно, что там нет ничего полезного».
После двух выступлений на TED и недавней публикации книги «Внеземные существа: в поисках самой странной жизни на Земле» Ллойд стала своего рода послом микробов, обитающих в глубоких слоях горных пород и осадочных отложений нашей планеты. Quanta Magazine поговорил с ней о её опыте исследования этих труднодоступных биомов и о том, что они могут рассказать нам о границах жизни на Земле. Интервью было сокращено и отредактировано для большей ясности.
«Может ли существовать организм, который готов измениться с наступлением ледникового периода так же, как существуют организмы, готовые измениться с наступлением времён года?»
— спросила она. Моника Алмейда для Quanta Magazine
Ваша работа связана с очень удалёнными местами, в том числе с морским дном. Каково это — работать там?
Вы когда-нибудь делали что-то настолько захватывающее, но при этом понимали, что не можете в полной мере выразить свой восторг? Именно так я себя чувствовал все три раза, когда погружалась на батискафе. Весь процесс очень волнителен, всё становится значимым и особенным. Самая большая глубина, на которую я погружалась, — 2000 метров, то есть около мили. Вы можете видеть только то, что освещают ваши фонари, прямо перед вашим подводным аппаратом. Двигаться нужно очень медленно, потому что вы можете на что-то наткнуться и застрять или повредить свой аппарат. Когда ты наконец находишь то, что [ищешь], это вызывает бурный восторг. То, что ты «находишь», зависит от миссии. Иногда нужно найти глубокую скважину, пробуренную в морском дне, чтобы взять из неё образцы. У нас есть баллоны, закреплённые снаружи на подводном аппарате, с помощью которых можно взять пробу придонных вод. У нас также есть всасывающий пистолет, с помощью которого можно всасывать мелких животных или воду. Спереди у нас есть углубления для сбора грязи.
Уже одно то, что вы нашли место для учёбы, — это большая победа.
Как вы впервые заинтересовались изучением неизведанных миров микробов, обитающих в осадочных породах?
Всё началось с моей докторской диссертации. Я извлекала последовательности ДНК из ила в устье реки в Северной Каролине. В геохимии, которую мы изучали, преобладала выработка метана, и я искала организмы, которые с этим справляются. Но я обнаружила огромное количество других организмов. Подавляющее большинство клеток, которые присутствовали в обычном устье реки, принадлежали к совершенно новым ветвям древа жизни, о которых никто ничего не знал.
Мне поступило несколько предложений о работе в качестве постдока, и одно из них было от Бо Баркера Йоргенсена из Центра геомикробиологии Орхусского университета в Дании. Он сказал: «У тебя полная свобода действий. Я не буду диктовать тебе, что делать с проектом. Единственное, чего я хочу, — это узнать что-то новое об этих безумных новых видах жизни». Чтобы разобраться [в этом], нужно было провести одноклеточную геномику, которую ещё не применяли к донным отложениям. В конце концов мы справились с этой задачей, подключив ещё одного специалиста, Рамунаса Степонаскаса из Лаборатории океанических наук Бигелоу [в штате Мэн], который согласился поместить наши отвратительные образцы в свою чрезвычайно дорогую машину. Технология, которую разрабатывал Рамунас, [позволяла] физически извлекать отдельные живые клетки и помещать их в пробирку. Это было революционно. Проблема в том, что любая соринка или частичка грязи, попавшая в его отлаженный механизм, может привести к поломке.
Мы используем слово «дышать» в значении «получать кислород». Но микробы способны на гораздо более сложные химические реакции. Он просто решил отбросить осторожность и сказал: «Это слишком масштабный проект, чтобы от него отказаться, потому что, если он сработает, мы действительно получим много новых знаний, которых у нас раньше не было». И он был прав. Я благодарна ему за то, что он проявил смелость и позволил нам поместить наши грязные, отвратительные образцы в его прибор. Мы были первыми, кто опубликовал полные геномы клеток из морских отложений [в 2013 году]. Мы опубликовали четыре генома. Сейчас это кажется забавным, я постоянно смеюсь со своими студентами. Технологии шагнули далеко вперёд по сравнению с той статьёй. Мои студенты создадут 400 геномов на основе одного и того же образца. Приятно быть частью отрасли, которая только набирает обороты.
Некоторые из изученных вами микробов действительно удивительны, в том числе те, которые, как вы выразились, «дышат» камнями. Можете объяснить, что вы имеете в виду?
Когда я говорю «дышать», я имею в виду химический процесс, происходящий с воздухом, когда мы его вдыхаем. Когда мы вдыхаем воздух, мы используем содержащийся в нём кислород и восстанавливаем его. Это значит, что наши ферменты внутри клеток берут электроны из пищи и передают их кислороду.
Поскольку [кислород — это] единственное, чем дышит практически всё живое на поверхности Земли, мы даже не задумываемся об этом. Мы используем слово «дышать» в значении «получать кислород». Но микробы способны на гораздо более сложные химические реакции. Вы можете взять культуру бактерий, которые могут использовать твёрдую форму железа, поместить её в среду с богатыми железом камнями, и они будут «дышать» ими. Для меня очень важно знать, что жизнь на самом деле гораздо разнообразнее и шире, чем то, что мы можем увидеть.
В своей книге вы также описываете микроорганизмы, которые могут дышать в обратном направлении. Что это значит?
Если нас поражает и удивляет то, что жизнь может дышать камнем, то, я думаю, ещё более поразительным и удивительным является то, что жизнь может дышать своими отходами. Это всё равно что найти в себе силы пробежать марафон, питаясь энергетическими батончиками. В данном случае и пища, и отходы — это химические вещества. Я измеряю количество пищи и количество отходов, а также соотношение этих величин.
Мы видим, что в некоторых типах морских отложений энергия, которую [микробы] могут получать в одних случаях, направляется в одном направлении, а в других случаях, всего на несколько сантиметров глубже в толще отложений, направление меняется. Предполагается, что это одни и те же организмы, просто ведущие себя по-разному. Это та часть, по которой до сих пор нет единого мнения. Это согласуется со всем, что я видел, но я допускаю, что это может быть ошибкой.
Это удивительно, потому что они были бы единственными организмами на Земле, способными на такое. Существует множество метаболических процессов, которые протекают как в прямом, так и в обратном направлении. Жизнь часто использует этот принцип, чтобы повысить эффективность наших ферментов. Но идея о том, что ваше дыхание — то, чем вы дышите, то, из чего вы получаете энергию, — что при других обстоятельствах вы могли бы получать энергию, запуская эту реакцию в обратном направлении, вызывает гораздо больше споров. Причина, по которой это не получило всеобщего признания, заключается в том, что это действительно сложно изучать. Сложно изучать явления на границе термодинамики. Сложно быть уверенным в том, что у вас чистая культура.
А как насчёт микробов, которые могут жить тысячи или миллионы лет? Что вы о них знаете?
Это ещё одно предположение, но все данные указывают на то, что многие из этих организмов просто не получают достаточно энергии с такой скоростью, чтобы это могло заметно повлиять на деление клеток. Это немного странно, если подумать о бактериях. Те, что вызывают у нас болезни, растут быстро. Но те, что находятся в недрах, глубоко под землёй, там, где мало что происходит, не могут [расти быстро]. Таким образом, можно сделать вывод, что отдельные клетки могут жить тысячи лет, десятки тысяч лет, а может быть, и сотни тысяч лет, не создавая при этом новых клеток. Они просто восстанавливают повреждённые части, метаболизируют, посылают сигнальные молекулы, чтобы общаться с соседними клетками. Занимаются экологией, но не создают новые клетки и не умирают.
Вы должны спросить: «Ну и как же вам эволюционировать для этого?» Мы знаем, что вы можете эволюционировать, впадая в спячку на сезон, потому что ожидание возвращения солнца через несколько месяцев, чтобы получить энергию для растений и пищу для всех остальных, имеет смысл. Но об этом легко рассуждать, потому что наша жизнь достаточно продолжительна, чтобы охватить этот период.
Моника Алмейда для Quanta Magazine
Если бы ваша жизнь была действительно очень долгой — если бы она длилась 100 000 лет, — то этого времени хватило бы, чтобы пережить ледниковый период. Так мог ли существовать организм, который был бы готов к изменениям, связанным с ледниковым периодом, так же, как у нас есть организмы, которые готовы к изменениям, связанным со сменой времён года? Наши данные указывают на то, что это вполне вероятно.
Как знание об этих формах жизни меняет ваше восприятие жизни?
Это действительно меняет мой взгляд на мир. Мне становится спокойнее от осознания того, что под моими ногами находятся эти безмолвные существа, которые просто выжидают и ждут геологического события. И это не грустно и не страшно. Они не мертвы. Они живы, и они связаны со мной глубокой ветвью на древе жизни, и такими они и должны быть. Я не могу сказать, почему это приносит мне умиротворение и покой, но это так.
Похожие:
- Даже одна бактериальная клетка может почувствовать смену времён года
- Клетки, которые дышат двумя способами
- Под нашими ногами — мир скрытой жизни
- Исследователь морских глубин смотрит на океаны других миров
Что мы потеряем, если глубоководная добыча полезных ископаемых нанесёт ущерб этим подземным средам?
Мы рискуем потерять всё, чего ещё не открыли. Это звучит как брошенное на ветер заявление, но это важно, когда ты знаешь, что окружающая среда таит в себе столько неизвестного и столько возможностей. Это то, в чём мы уверены: она полна возможностей. Не стоит просто продираться сквозь неё и разрушать её, пока ты не реализовал ни одну из этих возможностей.
Что ваша работа рассказала вам о границах жизни на Земле?
Мы должны быть готовы к тому, что жизнь может принимать самые неожиданные формы, просто потому, что это подтверждается снова и снова: если мы позволим себе быть достаточно свободными, чтобы смотреть, то всегда найдём что-то интересное. Автор Лаура Поппик. Автор, Вносящий свой вклад
источник: https://www.quantamagazine.org/the-pursuit-of-life-where-it-seems-unimaginable-20250820/