Сверкающая бездна. Какие тайны скрывает океан и что угрожает его глубоководным обитателям - Хелен Скейлс
Густонаселенные гидротермальные экосистемы основаны на пище, обеспечиваемой хемосинтезом. Креветки и крабы собирают и поедают скопления микробов на поверхностях гидротермальных образований, тогда как другие животные не утруждают себя поиском бактерий, вместо этого они приглашают их жить внутри своих тел.
Гигантский трубчатый червь рифтия (Riftia pachyptila)[44], которого Джэк Корлисс увидел в иллюминатор «Элвина», первым открыл истину о хемосинтезе. Идея об альтернативном пути получения энергии была выдвинута во второй половине XIX века русским микробиологом Сергеем Виноградским и немецким химиком и ботаником Вильгельмом Пфеффером, но тогда никто еще не находил организмов, способных к хемосинтезу. Вскоре после открытия гидротермальных источников в 1977 году Коллин Кавано, аспирантка первого курса Гарвардского университета, посетила лекцию о трубчатом черве без рта и пищеварительного тракта. Услышав, что у червя есть губчатый орган – трофосома, занимающий половину его тела длиной около 2,7 метра и заполненный кристаллами серы, она рассмотрела образец под микроскопом и обнаружила, что он заполнен бактериями, окисляющими серу. В чайной ложке исследуемой ткани их оказалось сто миллиардов! Перья, торчащие из трубки червя, оказались жабрами, наполненными красной кровью и поглощающими из морской воды все, что необходимо бактериям: углекислый газ, кислород и сероводород. Все эти вещества доставляются по кровотоку в трофосому, где бактерии осуществляют хемосинтез, питая червя изнутри. Таким образом и червь, и бактерии находятся в беспроигрышной ситуации – в симбиотической связи, от которой выигрывают оба.
Последующие открытия гидротермальных животных показали, что они развили различные способы ухода за личными колониями бактерий. У чешуйчатоногой улитки – брюхоногого с блестящей железной раковиной и конечностью, – покрытой сотнями чешуек, в глотке развился мешочек для микробов, и остальная часть тела приспособилась к их содержанию. Относительно большое сердце улитки занимает четыре процента от объема ее тела (при таких пропорциях сердце человека было бы размером с голову)[45]. Сердце улитки перекачивает огромное количество крови через гигантские жабры, поглощающие кислород и сульфиды из гидротермальных жидкостей, тем самым обеспечивая потребности бактерий, от которых зависит жизнь моллюска.
Но как эти улитки умудряются выжить на такой химической и микробной диете? Подсказка содержится в уникальной железной раковине и покрытой чешуйками конечности. Когда в 2000 году люди впервые увидели этих улиток, они резонно предположили, что металлический экзоскелет развился как некая форма защиты от внешней опасности, так как жесткая чешуя не позволяет обитающим у гидротермальных источников хищникам поглощать мягкую плоть под ней. Но на самом деле все наоборот: моллюски защищаются от внутренней угрозы, поскольку хемосинтезирующие бактерии, обеспечивая их пищей, в процессе своей жизнедеятельности выделяют токсичную для улиток серу. Внимательное изучение чешуек показало, что они состоят из тысяч наноскопических трубок, которые действуют, словно крошечные выхлопные трубы, выводящие сернистые токсины из тела улитки. Когда сера достигает чешуйчатого покрытия, она вступает в реакцию с железом в воде и образует наночастицы сульфида железа (некоторые из них в виде пирита, известного как «золото дураков»), благодаря которым чешуйки становятся черными и блестящими[46]. Таким образом эти улитки в сияющих доспехах выработали противоядие, чтобы защищаться от токсичных веществ, поступающих изнутри.
В отличие от чешуйчатоногой улитки, у гидротермальной креветки – римикарис экзокулата (Rimicaris exoculata) нет особого органа для выращивания бактерий. Вместо этого в ее жабрах и во рту живут разнообразные сообщества микробов. Чтобы обеспечить их всем необходимым, у креветки на спине имеется гигантский глаз, наполненный зрительным пигментом – родопсином. Такой примитивный орган не может формировать четкие изображения, но позволяет креветке ощущать тепловое излучение гидротермальных жерл – тусклое свечение, которое незаметно для человеческого глаза. Благодаря этому креветки могут находиться рядом с горячими гидротермальными источниками – идеальным местом для постоянного снабжения микробных компаньонов необходимыми химическими веществами. В свою очередь, микробы являются пищей для креветок, которые едят либо их самих, либо отходы их жизнедеятельности.
Помимо культивирования микробов, существам, обитающим возле гидротермальных источников и даже в жерлах, приходится прикладывать усилия для выживания в смертельно опасных температурных и чрезвычайно токсичных условиях. Одним из самых выносливых видов является помпейский червь (Alvinella pompejana), сооружающий липкие трубки прямо на стенках жерл. Названный в честь древнеримского города, разрушенного вулканом, червь покрыт серым ворсом, состоящим из нитевидных бактерий, которые, как предполагается, выводят из организма тяжелые металлы и ядовитый сероводород, содержащийся в гидротермальных растворах. Червь длиной около 13 сантиметров вырабатывает антибиотик, который, похоже, уничтожает вредоносных микробов и оставляет только нужный вид бактерий, создающих защитную оболочку. Что касается испепеляющего жара, то неясно, как сильно нагревается вода внутри трубок помпейских червей. Температурные зонды, установленные в хвостовой части трубки, показывали температуру до 60 градусов Цельсия, со скачками до 76 градусов и выше. Когда океанологи осторожно подняли помпейских червей на поверхность в контейнерах под давлением, большинство из них погибло при нагреве воды внутри трубок до 49–55 градусов. И тем не менее эти черви считаются одними из самых жаровыносливых существ на планете. Соперничать с ними могут лишь сахарские серебристые муравьи, которые вылезают из своих нор при температуре до 70 градусов Цельсия и короткими перебежками следуют к тушам погибших в пустыне животных, чтобы добыть корм.
Ключ к разгадке устойчивости помпейского червя к этим знойным условиям сокрыт в молекулярных ухищрениях, заложенных в его генах. Он вырабатывает белки теплового шока, которые позволяют его клеткам продолжать функционировать и предотвращают разрушение жизненно важных молекул под воздействием жара. Кроме того, червь производит сверхпрочные молекулы коллагена, устойчивые к большому давлению. И, наконец, у него сверхэффективная форма гемоглобина, способная поглощать кислород даже при очень низком его уровне.
Но еще выносливей микробы, которые живут не внутри животных, а непосредственно на гидротермальных жерлах. Среди них встречаются гипертермофилы – любители сверхвысоких температур, которые лучше всего растут при температуре от 79,5 градусов Цельсия и выше. В 2003 году Дерек Лавли и Казем Кашефи из Массачусетского университета в Амхерсте выделили гидротермальный микроб, известный как «штамм 121». Когда его поместили в печь при температуре 121 градус Цельсия, он продолжал делиться и расти!
* * *
Жизнь в гидротермальных источниках существует благодаря многочисленным адаптациям к высоким температурам, токсинам и необычной хемосинтезированной диете. Но у всего этого есть и обратная сторона. В силу своих особенностей животные, обитающие возле гидротермальных источников, не могут удаляться
