Когда в 1872 году HMS Challenger отправился в плавание, некоторые ученые все еще верили в азоическую теорию: жизнь не может существовать на глубине ниже 300 саженей или 550 метров. Другие думали, что в бездне обитают существа, но холод и темнота мешают им развиваться. Имея не более чем земснаряды, ученые «Челленджера» вскоре опровергли обе идеи.
Исследование жизни на поверхности темного морского дна и под ней началось со статьи 1936 года Клода Зобелла и Квентина Андерсона из Океанографического института Скриппса, которые обнаружили обильные бактерии в поверхностных слоях кернов отложений длиной от 40 до 75 сантиметров, взятых с поверхности моря. побережье Южной Калифорнии.
Глубокое море и его обитатели стали предметом большого интереса в 1930-х годах, что было вызвано изобретением глубоководного аппарата, своего рода мини-субмарины, созданной для того, чтобы выдерживать огромное давление бездны . Самым примечательным из этих ранних судов была двухместная «Батисфера», которую использовал знаменитый ученый и писатель Уильям Биб (1877–1962), чьи книги с фотографиями причудливых глубоководных существ очаровывали и вдохновляли молодежь того времени. Инженер Отис Бартон спроектировал судно, и он и Биб использовали его, чтобы совершить несколько глубоких погружений у берегов Бермудских островов. В 1934 году они оба достигли рекордной глубины в 923 метра.
Преемником «Батисферы Биба» стал «Элвин», названный в честь своего изобретателя, одноименного Эла Вайна, и спущенный на воду в 1964 году Океанографическим институтом Вудс-Хоул. Он был спроектирован так, чтобы доставить двух ученых и пилота на глубину 4500 метров и позволить им оставаться на этой глубине в течение девяти часов. Элвин совершил более 5000 погружений и опубликовал около 2000 исследовательских публикаций. Но начало у него было, мягко говоря, непростым. Первое погружение Элвина состоялось в 1965 году на глубину 1800 метров. В марте 1966 года «Элвин» использовался в безуспешной попытке найти водородную бомбу, потерянную в результате катастрофы в воздухе и упавшую на морское дно на глубине 910 метров у побережья Испании. Затем, в октябре 1966 года, когда «Элвина» спускали с борта судна обеспечения с членами экипажа на борту и открытым люком, два стальных троса, удерживающие его, оборвались. Экипаж смог спастись, но судно упало на морское дно на глубине 1500 метров. Удачливые члены экипажа оставили свои обеды, и когда Элвина вытащили наверх, еда была целой и без каких-либо признаков нападения перекусывающих микробов . Это укрепило мнение о том, что глубокое море губительно для значительной части бактериальной жизни.
Уильям Биб ( слева ) и Отис Бартон ( справа ) со своей Батисферой. Источник: Исследование океана NOAA, любезно предоставлено Обществом охраны дикой природы.
Однако самым известным погружением «Элвина» стало исследование места крушения злополучного «Титаника» в 1986 году. После капитального ремонта, завершившегося в 2014 году, Элвин вернулся на действительную службу в Вудс-Хоул. Летом 2022 года подводный аппарат достиг рекордной глубины в 6453 метра в желобе Пуэрто-Рико, а это означает, что Элвин мог достичь практически любой точки морского дна.
Черные курильщики
Одна из ключевых концепций тектоники плит заключается в том, что под центром океанических хребтов лежат камеры расплавленной магмы. Они нагревают близлежащую морскую воду, которая поднимается и вытекает через гидротермальные источники. В 1977 году ученые совершили 24 погружения на реке Элвин, чтобы изучить жерла вдоль Галапагосского разлома, ответвления Восточно-Тихоокеанского поднятия. Они обнаружили , что две трети тепла, теряемого в разломе, уходит через эти выходы.
Ученые на борту «Элвина» обнаружили обильную жизнь в различных формах на Галапагосском разломе, на глубине намного ниже той, куда может проникать солнечный свет.
До этих погружений на «Элвине» ученые считали, что фотосинтез является основным и незаменимым источником энергии, необходимой для поддержания жизни, а это означает, что живые существа не могут существовать в черноте океанских глубин. Тем не менее, ученые на борту «Элвина» обнаружили обилие жизни в различных формах в Галапагосском разломе на глубине, намного ниже той, куда может проникнуть солнечный свет. Откуда эти существа брали энергию для поддержания себя, если не за счет фотосинтеза? Ученые ответили, что фитопланктон, который состоит из микроскопических растений и живет вблизи поверхности, умирает и оседает в виде «морского снега» — термин, придуманный Бибом, и процесс, признанный учеными «Челленджера». Рэйчел Карсон описала это в своей книге «Море вокруг нас»: «Когда я думаю о дне глубокого моря… я всегда вижу устойчивый, неослабевающий, нисходящий дрейф материалов сверху, чешуйку за чешуйкой, слой за слоем — самый колоссальный «снегопад», который когда-либо видела Земля». Мертвый фитопланктон падает на темное абиссальное дно океана и служит источником пищи для живущих там организмов. Согласно этой теории, фотосинтез по-прежнему будет основным источником энергии для существ бездны.
Но гидротермальные источники Галапагосского разлома содержали концентрацию организмов в тысячи раз большую, чем морское дно вокруг них. Какой-то неизвестный процесс внутри жерл, а не фотосинтез, обеспечивал энергию, от которой зависит экосистема жерл. Оказалось, что это «хемосинтез», при котором бактерии окисляют неорганические материалы, в первую очередь сероводород, в ходе химических реакций, которые, в свою очередь, обеспечивают энергию для поддержания высших форм жизни. Черные дымоходы неправильной формы отмечают некоторые жерла, где химические вещества, растворенные в горячей воде, выпадали в осадок в виде темных сульфидов, когда горячая вода жерла встречается с холодным океаном. Впоследствии ученые обнаружили этих «черных курильщиков» во многих местах Атлантического и Тихого океанов, а также на суше — например, вдоль побережья Калифорнии, где тектоника плит подняла старое океанское дно значительно выше уровня моря.
Существа жерловых экосистем в конечном итоге зависят от сероредуцирующих бактерий, которые, можно сказать, «дышат» серой, и включают в себя множество странных обитателей, никогда ранее не встречавшихся. Ни один из них не был более странным, чем трубочные черви, длина которых достигает 3 метров, а ширина всего 4 сантиметра и которые живут скоплениями по тысячам особей на квадратный метр. Они зависят от бактерий в качестве источника энергии и не нуждаются в пищеварительной системе. Их существование в таких негостеприимных условиях еще раз подняло вопросы о том, какие еще формы жизни могут существовать на морском дне и под ним.
Томас Голд
Если жизнь может существовать в глубинах океана, может ли значительная часть всей жизни на Земле находиться именно в этих глубинах, а не над ними? Таков был тезис одного из самых изобретательных и иконоборческих ученых второй половины ХХ века. Томас Голд родился в Австрии в 1920 году в семье евреев, бежавших в Англию в 1938 году после того, как Гитлер аннексировал Австрию. Голд поступил в Тринити-колледж в Кембридже, но когда разразилась Вторая мировая война, британцы интернировали его как вражеского иностранца и депортировали в лагерь в Канаде. Через 15 месяцев ему разрешили вернуться в Англию, где он снова поступил в Кембридж, чтобы изучать физику и работать над важнейшим радаром. Разнообразных интересов и достижений Голда достаточно, чтобы написать целую книгу или даже несколько. Неудивительно, что он будет одним из первых, кто исследует более серьезные последствия глубоких гидротермальных источников.
В провокационной статье 1992 года «Глубокая горячая биосфера» и в одноименной книге 1999 года Голд экстраполировал микробную жизнь жерл и предположил, что такая жизнь также существует в изобилии под морским дном. Он зашел так далеко, что предположил, что подповерхностная микробная жизнь может быть сопоставима по массе и объему со всей жизнью на поверхности. Микробная жизнь может быть распространена повсюду под поверхностью Земли, в порах между минеральными зернами — и не только на Земле, но и на других телах Солнечной системы: например, на Луне и Марсе. У них слишком мало воздуха и воды, чтобы поддерживать жизнь на их поверхности, но она вполне может существовать внизу. Возможно, сначала возникла микробная подповерхностная жизнь, защищенная от поверхностного насилия ранней Солнечной системы и использующая хемосинтез, а затем превратившаяся в фотосинтетическую жизнь. Голд считал, что микробная жизнь может быть широко распространена во Вселенной. Эта концепция, известная как панспермия, восходит к греческому философу Анаксагору, жившему в пятом веке до нашей эры. Многие известные ученые поддержали эту идею, но, не имея возможности проверить ее, внимание переключилось на возможность того, что органические строительные блоки жизни могли присутствовать по всей Солнечной системе в ее начале.
Бурение бездны
Обнаружение жизни под морским дном было целью одного из первых рейсов в рамках проекта глубоководного бурения (DSDP), 15-го этапа в 1970 году, под руководством главного ученого Уоллеса Брокера из Колумбийского университета. Экипаж обнаружил метан, побочный продукт микробной деятельности, в отложениях на глубине 800 метров под морским дном возрастом десятки миллионов лет. В октябре 1986 года экипаж 96-го этапа DSDP пробурил «Веер Миссисипи» — подводную кучу отложений в северо-восточной части Мексиканского залива. Они обнаружили подземную микробную активность на глубине 167 метров под морским дном. К концу столетия в рамках программы океанского бурения были отобраны пробы на 14 участках на предмет наличия бактериальной активности. Резюме этих исследований показало, что, хотя количество микробов обычно уменьшается с глубиной морского дна, живые клетки все еще присутствуют на глубине до 700 метров. Авторы пришли к замечательному выводу , что биомасса верхних 500 метров донных отложений составляет 10 процентов от всей поверхностной биосферы. Эти ранние результаты показали, что живые бактерии, вероятно, существуют на большей глубине, чем удалось достичь при бурении. Это привело к созданию первой экспедиции, специально предназначенной для изучения подземной жизни.
Весной 2002 года в рамках 201-го этапа Программы океанского бурения (ODP) было проведено бурение в двух местах: одно на континентальной окраине у Перу, а другое в экваториальной части Тихого океана. Оказалось, что в подземных экосистемах обитает большое разнообразие микробов, включая не только сульфатредуцирующие бактерии, обнаруженные в жерлах, но и новый тип, получающий энергию от углеродных реакций. Микробы были «живыми» в том смысле, что они участвовали в метаболической деятельности, такой как восстановление ДНК и деление клеток. Они включали все три области жизни: археи (одноклеточные организмы), бактерии и эукариоты (клетки, имеющие ядро). К этому времени ученые подсчитали, что подповерхностная бактериальная жизнь может составлять одну треть от общей живой биомассы Земли. В 2003 году 210-й этап ODP пробурил морское дно у Ньюфаундленда и снова поднял ставки. Он обнаружил живые бактериальные клетки на глубине 1626 метров ниже морского дна, в камнях возрастом 111 миллионов лет, при температуре 113 градусов по Цельсию. Это привело авторов к выводу, что бактерии в подземных отложениях могут составлять до двух третей общей бактериальной биомассы.
Микробы были «живыми» в том смысле, что они участвовали в метаболической деятельности, такой как восстановление ДНК и деление клеток.
В октябре 2010 года экспедиция 329 Комплексной программы открытия океана (IODP), последовавшая за ODP, провела бурение в Южно-Тихоокеанском круговороте, одном из самых глубоких вод на Земле. Это крупнейшая из пяти гигантских океанических систем вращения, которые перемещают огромные объемы морской воды. Южно-Тихоокеанский круговорот вращается против часовой стрелки и ограничен экватором на севере, Австралией на западе, Южной Америкой на востоке и Антарктическим циркумполярным течением на юге. Его центром является « океанический полюс недоступности »: место, наиболее удаленное от любого континента. Южно-Тихоокеанский круговорот имеет одну из самых низких скоростей седиментации в океанах, а его донные отложения имеют самую низкую концентрацию клеток и наименьшую метаболическую активность. Это место, куда стоит отправиться, чтобы открыть для себя самые экстремальные условия, в которых может существовать жизнь на Земле.
На борту «JOIDES Резолюции» , все еще усердно работающего после всех этих лет, на глубине почти 6 километров ученые пробурили морское дно на глубину 100 метров. Они обнаружили микробы на всем протяжении керна, хотя и не в таком количестве, как в более богатых областях ближе к поверхности. Ученые подсчитали, что самым глубоким микробам было не менее 100 миллионов лет, поэтому создается впечатление, что они могут быть только окаменелостями. Конечно, ничто не могло «выжить», что бы это ни значило, в течение 100 миллионов лет. Но когда их вернули в лабораторию и предложили питательные вещества, микробы начали расти и размножаться .
Это, казалось бы, фантастическое открытие подняло вопрос о том, что делали микробы под круговоротом на протяжении 100 миллионов лет. Возможно, у клеток было слишком мало пищи для деления, но достаточно для восстановления поврежденных молекул. Но это «кажется безумием», — сказал Стивен Д’Хондт, один из ведущих специалистов по микробной жизни морского дна, который задавался вопросом, нет ли еще одного неоткрытого источника энергии — возможно, радиоактивности — который мог бы поддерживать медленное деление клеток.
В ходе 337-й экспедиции IODP японское буровое судно «Тикю» («Земля»), предназначенное для глубоководного бурения, извлекло керн на глубину 2466 метров под морским дном у японского полуострова Симокита. В угле и сланцах были обнаружены микроорганизмы, напоминающие микроорганизмы в почве современных тропических лесов. Считается, что эти микробные сообщества являются остатками тех микробов, которые населяли почвы около 20 миллионов лет назад, а не более современными микробами, которые могли мигрировать в угольные слои из других мест. Чтобы исследовать верхний температурный предел, при котором микробы могут выжить, на 370-м этапе IODP Чикю пробурил скважину в зоне субдукции Нанкайского желоба у мыса Мурото на юге центральной части Японии. Бурение достигло глубины 4776 метров, а самый глубокий керн был собран на глубине 1177 метров, где температура составляла 120 градусов по Цельсию. Микробная жизнь была обнаружена вплоть до нижней части столба осадка. Клетки на этой глубине, похоже, тратили большую часть своей энергии на восстановление повреждений, вызванных высокой температурой. Некоторые ученые писали, что температурный предел жизни в недрах составляет 80 градусов по Цельсию, но Голд предсказал, что верхний температурный предел для жизни бактерий будет в диапазоне от 120 до 150 градусов по Цельсию — и он оказался прав.
Марсиане
Эти результаты научных исследований океана позволяют предположить, что микробная жизнь может распространяться повсюду под поверхностью Земли в условиях, которые долгое время считались негостеприимными, если не фатальными. Это повышает вероятность того, что, как постулировал Голд, бактериальная жизнь могла существовать и все еще существовать на других телах Солнечной системы, включая Марс. И это несмотря на адские условия на поверхности Красной планеты, постоянно подвергающейся смертельному излучению Солнца и космоса. Температура поверхности Марса составляет в среднем минус 60 градусов по Цельсию и настолько сухая, что чашка воды мгновенно испарится. Группа ученых экспериментировала с земной бактерией Deinococcus radiodurans , которая, согласно Книге рекордов Гиннеса, считается самой живучей на Земле, чтобы проверить, сможет ли она выжить на Марсе. Это существо процветает в ядерных реакторах. Они обнаружили , что если D. radiodurans похоронить на глубине 9 метров под землей, он сможет выдерживать марсианский уровень радиации в течение 280 миллионов лет.
Позднее в этом десятилетии Европейское космическое агентство планирует отправить на Марс космический корабль, который пробурит скважину на глубину более 2 метров под поверхностью и проанализирует обнаруженные там органические молекулы. Как мы, люди, отреагируем, если, когда на другой планете обнаружат жизнь, она не будет похожа ни на нас, ни даже на маленьких зеленых человечков, а будет микробной? Если на Марсе будут обнаружены доказательства микробной подповерхностной жизни, это, возможно, была первая форма жизни в Солнечной системе, где, защищенная от поверхностного насилия и используя хемосинтез, она действительно могла бы развиться в фотосинтетическую жизнь и, в конечном итоге, в нас. Если на Земле и Марсе есть подземная бактериальная жизнь, то почему не на других планетах?
Джеймс Пауэлл — геолог на пенсии и администратор университета. Он является автором нескольких книг, в том числе « Инквизиция климатологии » (издательство Колумбийского университета), « Отчет 2084 года: устная история Великого потепления » (Саймон и Шустер) и « Тайны глубин » из из которого взята эта статья.
Исправление: в более ранней версии этой статьи говорилось, что самым известным погружением Элвина было исследование затонувшего «Титаника» в 1968 году. «Элвин» исследовал обломки в 1986 году.
Автор: Джеймс Лоуренс Пауэлл
фото: Микробная жизнь может распространяться повсюду под поверхностью Земли в условиях, которые долгое время считались негостеприимными, если не фатальными. Фото: Хусни Мубаарик, через Unsplash
Источник: https://thereader.mitpress.mit.edu/how-deep-does-life-go/