Клиффорд Пиковер

ИНОПЛАНЕТЯНЕ ГЛАЗАМИ НАУКИ

ЖИЗНЬ НА ГРАНИ

Везде за пределами нашего мира есть другие скопления материи, образующие иные миры. Мы не единственные, кто находится в объятиях эфира.

— Лукреций, римский философ первого века до н. э.

 

Одна из причин, по которым я не особо люблю научную фантастику, состоит в том, что ни один из инопланетян по своей странности и близко не сравнится с моими собственными беспозвоночными.

— Джанет Леонард, Центр морских наук, Университет штата Орегон

У меня нет рта, но я должен кричать

Писатели-фантасты давно представляли себе инопланетян, живущих в экстремальных условиях: в атмосферах солнц, в ядрах планет, на поверхности нейтронных звёзд с высокой гравитацией, в космическом вакууме, в атмосфере паров железа и даже в промышленных коридорах Нью-Джерси. У Ларри Нивена в «Брюхошлёпе» и «Известном космосе» у инопланетян были клетки на основе сверхпроводящего гелия, а не воды. В «Прыжке в Солнце» Дэвида Брина инопланетяне жили в верхних слоях Солнца. В «Конце детства» Артура Кларка на планетах, где температура меняется в широчайших пределах, существовали инопланетяне в виде кристаллических образований. В цикле книг Джеймса Уайта «Космический госпиталь» инопланетяне процветали благодаря жёсткой радиации.
Насколько надуманными кажутся эти сценарии? Может ли жизнь существовать в экстремальных условиях на других планетах нашей солнечной системы?
Когда мы задаёмся вопросом о внеземной жизни, то для того, чтобы узнать об условиях, которые могут поддерживать жизнь в других местах, полезно взглянуть на наш собственный мир. Хотя разнообразные среды обитания Земли не являются микрокосмами планетарных местообитаний изо всей Вселенной, в последние несколько лет стало ясно, что земная жизнь может выживать и даже процветать в таких условиях окружающей среды, которые кажутся совершенно инопланетными.
В экстремальных условиях хозяевами жизни являются микроскопические организмы вроде бактерий и грибов, хотя выживать в удивительно неблагоприятных условиях способны и более крупные существа (например, насекомые и ракообразные). Поскольку у наземной жизни водная основа, многие приспособления к суровым условиям связаны с высыханием, устойчивостью к замораживанию или предотвращением разрушения структуры белков при высоких температурах. Некоторые организмы могут процветать в условиях, которые крайне токсичны для большинства других форм жизни, – вроде присутствия тяжёлых металлов. В качестве лишь одного примера скажу, что в 1997 году Стивен Зиндер из Корнельского университета обнаружил бактерии, которые процветают в перхлорэтилене (ПХЭ) и трихлорэтилене (ТХЭ). Такие растворители обычно используются для чистки одежды, машин и электронных компонентов.
Земные формы жизни, которые процветают в экстремальных условиях окружающей среды, известны как экстремофилы. Разумеется, термин «экстремофил» отражает предвзятость: инопланетяне, живущие в экстремальных условиях окружающей среды, подумали бы, что экстремофилы – это мы, потому что, с их точки зрения, именно мы живём в экстремальных условиях. Например, формы жизни, живущие в космическом вакууме, такие как Звёздные семена и Внешние из книги Ларри Нивена «Известный космос», считают поверхность Земли – с её «сокрушительной» гравитацией, плотной «едкой» атмосферой и отсутствием радиации, экстремальной. С учётом этого предостережения, думаю, самые странные земные экстремофилы – это те, которые живут вблизи горячих глубоководных гидротермальных источников – трещин на морском дне, из которых изливается горячая морская вода, насыщенная сульфидами и металлами. В этой уникальной среде организмы существуют при полном отсутствии света, рядом с нагретыми магмой струями жидкости, температура которых превышает 752 градуса по Фаренгейту (400 градусов по Цельсию). Бактерии из этих сред культивировались при температуре 248 градусов по Фаренгейту (120 градусов по Цельсию), а максимальная температура роста может достигать выше 302 градусов по Фаренгейту (150 градусов по Цельсию). Для сравнения, вода закипает при температуре 212 градусов по Фаренгейту (100 градусов по Цельсию), а бумага загорается при температуре около 415 градусов по Фаренгейту (213 градусов по Цельсию).
Давайте начнём наше обсуждение экстремофилов с беспозвоночных – с животных, у которых отсутствует позвоночный столб. Свыше 90 процентов ныне живущих животных – это беспозвоночные. Они распространены по всему миру и варьируют по размеру от мельчайших простейших до гигантских кальмаров. Из 22 групп беспозвоночных, известных как типы, как минимум, 9 представлены в горячих источниках. Некоторые из этих животных, как правило, обитают в более прохладных водах, окружающих жерла горячих источников, где им приходится выдерживать чрезвычайно высокие концентрации тяжёлых металлов и серосодержащих соединений. И если большинство земных животных в конечном счёте зависит от световой энергии, улавливаемой растениями, животные из горячих источников зависят от бактериальных химических реакций с использованием сульфидов. Например, крупные черви из океанских впадин, живущие на слишком большой глубине, чтобы туда проникал солнечный свет, используют энергию, получаемую из смертоносных смесей сернистых газов (то есть «смертоносных» для других форм жизни). Эти черви длиной 10 футов (3 м), живущие под слоем воды толщиной 8000 футов (2400 м), куда более странные, чем нечто из голливудского научно-фантастического фильма. У гигантских червей нет ртов. Они не могут есть.
Пищеварительная система червей кишит красноватыми бактериями, которые добывают энергию для червей, переваривая сероводород из жерл горячих источников. В этой кислотной среде черви вырастают на 0,08 дюйма (2 мм) в день, что делает их самыми быстрорастущими морскими беспозвоночными на планете. Трудно поверить, что на Земле обитают существа вроде этих. Вообще, когда мне приходится создавать образы инопланетян для своих научно-фантастических романов, я черпаю идеи из фотографий земных беспозвоночных. На нашей планете нет ничего страннее их.
В дополнение к безротым червям из горячих источников есть ещё и гигантские моллюски, красные от присутствия подобных бактерий, которые процветают в воде, нагретой до 680 градусов по Фаренгейту (360 градусов по Цельсию) – значительно выше температуры, при которой воспламеняется бумага.
Давайте поговорим о бактериях, которые благоденствуют в кишечнике червей из горячих источников. Привычные нам микроорганизмы погибают при нагревании до 212 градусов по Фаренгейту (100 градусов по Цельсию). Однако экстремально термофильные (теплолюбивые) бактерии, или гипертермофилы (любители экстремальной жары), не только выживают при воздействии таких температур, но и растут наилучшим образом при температуре выше 212 градусов по Фаренгейту (100 градусов по Цельсию) – температуре, при которой вода остаётся жидкой только из-за чрезвычайно высокого давления. Эти бактерии известны под такими говорящими названиями, как Pyrococcus furiosus или Methanothermus fervidus, и встречаются и в естественных горячих средах, и в такой рукотворной среде, как резервуары с горячей водой. В отличие от гипертермофильных бактерий, менее экстремальные термофильные бактерии растут при температурах выше 140 градусов по Фаренгейту (60 градусов по Цельсию). Такие температуры наблюдаются в гниющих компостных кучах, горячих источниках, а также в океанических геотермальных источниках.
Гидротермальные источники могли обеспечивать существование первых форм жизни, а глубоководная среда, возможно, защищала их от катастрофических ударов метеоритов, случавшихся на древней Земле. Например, эволюция мало изменила примитивных бактерий, называемых архебактериями, со времени их возникновения миллиарды лет назад, и они предпочитают высокие температуры, вплоть до 248 градусов по Фаренгейту (120 градусов по Цельсию). На ранней Земле не было молекулярного кислорода, и поскольку гипертермофилы живут в отсутствие свободного кислорода, миллиарды лет назад они были бы вполне счастливы. Учёные исследуют, как организмы поддерживают структурную целостность своих компонентов, особенно если учесть тот факт, что белки и генетические материалы (ДНК и РНК) обычно весьма чувствительны к нагреву.
Потенциал коммерческого использования высокотемпературной стабильности, или термостабильности, ферментов, продуцируемых экстремофилами, обитающими в горячих источниках и щелочных озёрах, привлёк интерес компаний, занимающихся генной инженерией. В 1997 году Genencor International представила новую моющую добавку, позволяющую хлопчатобумажной одежде выглядеть как новая после сотен стирок. Добавка, фермент под названием целлюлаза 103, была взята у экстремофила. Она работает при рН мыльной воды для стирки – горячей или холодной (рН показывает относительную кислотность или щелочность раствора). Бактерии собраны из содовых озёр (водоёмов с сильнощелочной средой) на нескольких материках – хотя Genencor не раскрывает сверхсекретное расположение этих мест!

Чужие у нас под ногами

Возможно, самое вероятное место для обнаружения инопланетной жизни находится под землёй на планетах или лунах. Невероятно большое количество форм жизни обитает на глубине многих миль под поверхностью Земли без какой-либо «помощи» с поверхности в виде света, воздуха или питательных веществ. Как мы уже говорили, касаясь гипертермофильных существ из горячих источников, если бактерии (и архебактерии) могут выживать в этих, на наш взгляд странных условиях, то также возможно, что жизнь могла зародиться там же. На протяжении большей части истории Земли поверхность Земли была особенно некомфортным местом во многих отношениях. Поверхность часто подвергалась бомбардировке гигантскими метеоритами и огромными дозами ультрафиолетовых лучей Солнца. Там были грандиозные извержения вулканов, густые и смертоносные газы из недр и периоды солнечной нестабильности, которые превратили бы жизнь в сущий ад.¹ Однако глубины горных пород обеспечили бы защиту от стерилизующих температур и радиации.
Сегодня вполне возможно, что живые существа комфортно живут под пыльной красной поверхностью Марса и других планетных тел. Хотя поверхность Марса выглядит негостеприимной из-за отсутствия жидкой воды, по более тёплым недрам планеты могут протекать жидкости. Когда-то на Марсе было много воды, о чем свидетельствуют сети русел, похожих на те, что образуются на Земле при стоке воды из дождливых районов.
Удивительно, но многие геомикробиологи – биологи, изучающие, среди прочего, физические и химические взаимодействия микроорганизмов с Землёй, – считают, что под землёй может скрываться столько же жизни, сколько и поверх неё. Астрофизик Томас Голд из Корнельского университета, убеждённый сторонник повсеместного распространения жизни на глубинах, подсчитал, что вес всех подземных микробов может равняться весу всех организмов, находящихся на поверхности.
Каковы же свидетельства существования инопланетной жизни в недрах планет? Лучшее подтверждение поступают к нам в ходе исследования «глубинной биологии» на Земле. Глубинная биология включает в себя изучение подповерхностных бактерий и архей – микроскопических организмов, к которым относятся гипертермофилы. Представьте себе на минутку, что вы идёте по глубокой подземной шахте вместе с геологом Принстонского университета Таллисом К. Онстоттом. Хотите заглянуть в ад? В рубашках, промокших из-за 100-процентной влажности, вы пробираетесь по самому глубокому золотому руднику в Южной Африке, где температура породы достигает 1400 градусов по Фаренгейту (600 градусов по Цельсию) и нет ни малейшего намёка на солнечный свет. После часа пешей прогулки по проходам на глубине 2 миль (3,5 км) под поверхностью Земли вы добираетесь до недавно взорванного участка туннеля и берете молоток для выбивания из стены самородков из пород, которые последние 3 миллиарда лет были заперты под землёй. Исследования горных пород показали, что термофильным бактериям каким-то образом удается выживать даже на экстремальных глубинах. Этот сценарий не является фантастическим, и в горячих недрах Земли живёт множество бактерий.
Десять лет назад представление о том, что жизнь процветает так глубоко под поверхностью Земли, показалось бы маловероятным. Фактически, меня учили, что жизнь населяет лишь тонкую плёнку территории на поверхности Земли. Я узнал, что океаны, воздух, суша и даже почва изобилуют животными, растениями и микроорганизмами, но моё образование в области биологии никогда не готовило меня к мысли, что животные могут процветать, заключённые в горячие горные породы глубоко под землёй и окружённые токсичными химическими соединениями.
В настоящее время мы знаем этот вопрос лучше. В конце 1980-х годов исследователи обнаружили микробов, живущих в горной породе на глубине 1640 футов (500 м) под поверхностью земли в Южной Каролине. За последние четыре года Онстотт и другие исследователи значительно углубили границу жизни, продлив её примерно до 2 миль (3,5 км) под землёй. Во многих случаях размеры пор в образцах горных пород настолько малы, что они даже не позволяют проникать в них посторонним бактериям. Эти микробы – живые ископаемые, томящиеся в глубинах уже миллионы лет. Из-за нехватки питательных веществ жизнь на больших глубинах протекает чрезвычайно медленно. Клетки могут делиться раз в год или раз в столетие, а не каждые несколько минут, как в случае инфекции, или каждые несколько часов, как в почве. Грань между жизнью и смертью становится размытой и не имеет никакого значения.
По сравнению с некоторыми плотными породами в глубинах Земли, пористые породы вблизи поверхности представляют собой относительно райские условия для обитателей горных пород, потому что эти породы могут накапливать в своих порах воду и пропускать солнечный свет, что способствует фотосинтезу. Эти породы сравнительно удобны даже в жарких условиях, поскольку они фильтруют экстремально сильное освещение, которое может поджарить микроорганизмы в пустыне. Вообще, в пустынях внутри горных пород фотосинтез протекает в больших объёмах, чем в почве. На Марсе жизнь, которая могла бы в изобилии существовать на поверхности, возможно, отступила в толщу горных пород, когда марсианская поверхность лишилась своих рек.
На Земле жизнь также существует в горных породах под океанским дном – например, под системой вулканических срединно-океанических хребтов протяжённостью 37 000 миль (60 000 км), которая опоясывает планету. Исследователи даже добились роста множества микробов на диете из измельченной базальтовой породы, которая вступает в реакцию с лишённой кислорода водой с образованием водорода – единственного источника энергии в их экосистеме. Если на Марсе когда-либо и была жизнь, то она могла проникнуть в недра, которые, возможно, были такими же гостеприимными для жизни, как и недра Земли: умеренные температуры, жидкая вода, растворённые минеральные вещества и большая площадь поверхности горных пород.

Атака инопланетных пожирателей металла

Если бы однажды утром вы проснулись и услышали, как задорный ведущий шоу «Сегодня» рассказывает вам, что все наши отрасли промышленности, бытовая техника и компьютеры подверглись нападению инопланетян, пожирающих металл, и что этих существ нельзя убить дозами радиации, в миллионы раз превышающими те, которые могли бы убить человека, то это вас сильно напугало бы, верно? Тем не менее, такие существа, называемые металлофилами, уже довольно широко распространены прямо здесь, на Земле, и являются моделями для возможных форм жизни в других мирах. Эти существа – археи, примитивные организмы, похожие на бактерии, которые мы более подробно обсудим в этом разделе.
В 1996 году команда Крейга Вентера из Института геномных исследований в Роквилле, штат Мэриленд, узнала больше нового о микробе, который способен жить при низких температурах, поедать металл и с явным удовольствием выдерживать огромные дозы радиации. После секвенирования его полной генетической структуры, которая включает 1738 генов, они обнаружили, что две трети его генов не похожи ни на что из того, что учёным приходилось видеть когда-либо до этого. Некоторые из генов похожи на человеческие, тогда как другие напоминают гены бактерий.
Этот микроб, представитель многочисленной, но загадочной группы одноклеточных организмов, называемых археями, обладает генами, которые доказывают принадлежность этого существа к третьей ветви жизни, совершенно непохожей на две другие известные ветви на Земле: бактерии и сине-зелёные водоросли на одной ветви, и все представители растительного и животного царства – на другой. Хотите верьте, хотите нет, но большая часть земной жизни одноклеточна, а все эукариоты, или многоклеточные организмы (от растений до муравьёв и людей), представляют собой маленькую веточку, торчащую на огромном микробном дереве. Излишне говорить, что этот тенденциозный взгляд на биологию, когда его впервые предложили, биологи приняли не особенно быстро.
Группа архей может включать миллионы различных организмов. Они составляют половину всей массы живых организмов на Земле и среди них есть микробы, способные противостоять радиации в дозах, оцениваемых в 2 миллиона рад – 450 рад смертельны для любого человека. Другие представители этого класса процветают при температурах значительно ниже точки замерзания воды или могут выдерживать температуры выше температуры её кипения, или живут только за счет потребления металлов и минералов вроде серы.
Изучение архей ускорилось в 1982 году, когда океанографы на борту подводной лодки в 1000 милях (1613 км) от побережья Нижней Калифорнии обнаружили подводный вулканический горячий источник под названием белый курильщик, который извергает плотное белое облако в виде струй горячей воды. Экипаж подводной лодки собрал образцы горячей воды и обнаружил, что в ней содержится странный и неизвестный организм.
Поддерживать жизнь таких существ в лаборатории довольно сложно. В 1996 году группа Крейга Вентера культивировала их при высоких температурах в герметичных контейнерах, которые были снабжены клапаном, чтобы предотвратить взрыв метана, вырабатываемого организмами. Микроб под названием Methanococcus jannaschii обычно обитает в горячих источниках в Тихом океане на глубине 2 миль (3,2 км), где давление воды в сотни раз выше, чем на уровне моря. Он процветает в полной темноте при смертельной температуре 185 градусов по Фаренгейту (85 градусов по Цельсию), а кислород мгновенно убивает его, как и многих бактерий. Он кормится исключительно углекислым газом, водородом и азотом.
Последовательность генов одного из этих существ позволяет предположить, что у него есть общий эволюционный предок с бактериями. Поскольку самыми ранними указаниями на существование жизни на Земле были окаменелости бактерий возрастом 3,6 миллиарда лет из Западной Австралии и отложения возрастом 3,85 миллиарда лет из восточной Гренландии, неизвестные предки архей, должно быть, жили ещё раньше – возможно, ещё 4 миллиарда лет назад, когда Земля и планеты Солнечной системы были очень молоды. Некоторые учёные предполагают, что гипотетические окаменелости, найденные на Марсе, могли быть одноклеточными археями.
В будущем микроб будет всё более полезен человечеству, поскольку он выделяет большое количество метана, взрывоопасного природного газа, широко используемого в промышленности и в качестве источника энергии. Разнообразные метанообразующие организмы, относящиеся к группе архей, выделяют, как минимум, 200 миллионов тонн метана в год. Эти пожиратели металлов также могут оказаться полезными при производстве новых фармацевтических продуктов и при очистке мест захоронения опасных отходов, например, содержащих токсичные тяжёлые металлы.

Эукариоты

Традиционно земную жизнь разделяли на две основных категории: формы жизни, клетки которых лишены ядра (прокариоты), и те, чей генетический материал (обычно ДНК) сосредоточен в ядре (эукариоты); к последним относятся все высшие растения и животные. Как упоминалось в предыдущем разделе, совсем недавно некоторые биологи разделили самых примитивных прокариот на две категории: архебактерии и эубактерии, которые также носят более простые названия – археи и бактерии.
До сих пор мы обсуждали довольно примитивные формы жизни, бактерии и археи, населяющие местообитания, экстремальные в плане температур, освещения и химии. А насколько значительно число эукариот-экстремофилов?²
В этом разделе мы расширяем наш поиск и подразделяем более сложных экстремофилов на целый ряд категорий. Приготовьтесь познакомиться со скотофилами, анаэробами, термофилами, психрофилами, ацидофилами, алкалофилами, галофилами и барофилами. Это разделение подчёркивает ту же самую мысль, что и предыдущие случаи: куда бы мы ни взглянули на Земле, в условиях экстремальных холода, кислотности и давления жизнь всегда находится в изобилии.

Скотофилы – любители темноты

Вы вместе с капитаном Пикаром и лейтенантом Ворфом из сериала «Звёздный путь: Следующее поколение» исследуете подземную воздушную камеру на новой планете. В камеру никогда не проникал солнечный свет, поэтому вы рассчитываете найти лишь немногие формы жизни крупнее бактерий. Тем не менее, направив в камеру луч света, вы видите огромных инопланетных существ с суставчатыми ногами и незрительными органами чувств – «антеннами» просто ужасающе огромного размера.
Звучит неправдоподобно? Ничуть. Такую сцену недавно наблюдали на Земле.
Даже совершенно тёмные пещеры кишат крупными организмами разного рода. Возьмем, например, пещеру Мовиле в Добрудже, Румыния, изолированную от мира на протяжении миллионов лет, тёмную навеки, но кишащую жизнью. Это прямо-таки сцена из серии «Секретных материалов» или, возможно, «Арахнофобии». Несмотря на то, что пещера не получает энергии от солнца, в её извилистых недрах обитает уникальное сообщество животных инопланетного облика: сотни пауков, ранее неизвестных микробов, водяных скорпионов, хищных пиявок, равноногих раков, мокриц, ногохвосток, многоножек, щетинохвосток и других троглодитов (обитателей пещер) разного рода...
Как бы выглядел инопланетный скотофил (буквально «любитель тьмы»)? На Земле эти существа, чтобы «видеть», часто используют свои антенны или ноги, ощупывая ими окружающую местность. Кроме того, поскольку хищники не могут их увидеть, троглодитам совершенно не требуется менять окраску ради маскировки, поэтому многие из них бледно окрашенные или белые, а некоторые настолько прозрачны, что можно увидеть, как течёт их кровь. Если мы хотим поискать жизнь на Марсе, мы должны заглянуть в марсианскую версию пещеры Мовиле, где могла бы существовать жидкая вода, и куда не обязательно проникал бы свет.
В 1996 году учёные смогли получить доступ в пещеру Мовиле через искусственную входную шахту, случайно созданную в ходе работы над строительным проектом. Оказавшись в пещере, они обнаружили в сырых помещениях богатую фауну – на сегодняшний день это около 47 видов животных. Тридцать из 47 видов ранее были неизвестны. В случае комплекса особенностей, называемого трогломорфией, у всех существ наблюдается редукция или утрата глаз и пигментации, увеличение придатков и гигантские антенны. Предки некоторых из этих видов, возможно, оказались изолированными от своих наземных сородичей более 5 миллионов лет назад, когда климат южной Румынии стал очень сухим. В наше время пища и бактерии не попадают в пещеру с поверхности. Это означает, что единственным источником пищи для тех существ, которые находятся в самом низу пищевой цепи, являются сероводород и метан из подземных вод, просачивающихся через внутренние помещения пещеры. Некоторым образом пещера Мовиле является капсулой времени – крошечной изолированной частью мира. Со временем её обитатели эволюционировали во множество специализированных форм. Если бы поместить людей в среду, подобную пещере Мовиле, с достаточным количеством кислорода, просачивающегося в пещеру через мельчайшие трещины, то в каких существ мы эволюционировали бы в ближайшие 5 миллионов лет? Исчезнут ли со временем наши глаза? Станут ли кончики наших пальцев сверхчувствительными? Станем ли мы похожими на пришельцев из далёкого мира?

Анаэробы – не терпящие кислорода

Многие виды свободноживущих микроскопических простейших, очевидно, являются облигатными аэробами; то есть они не могут выжить без кислорода.³ Для различных процессов дыхания, происходящих в клеточных органоидах (называемых митохондриями), требуется кислород. С другой стороны, эукариотические организмы, которые являются облигатными анаэробами, и у которых обмен веществ должен протекать в отсутствие кислорода, встречаются гораздо реже. Тем не менее, из исследований жизни на Земле нам известно, что без кислорода могут существовать довольно развитые организмы. Мы можем классифицировать этих существ как экстремофилов, потому что по отношению к нам они живут в экстремальных условиях. Например, многие свободноживущие инфузории (микроскопические одноклеточные животные с похожими на волоски отростками) могут жить в анаэробных средах. Эти инфузории для выработки энергии вместо митохондрий используют клеточные органоиды, называемые гидрогеносомами. К анаэробным инфузориям, которым не требуется кислород, относятся дрожжи*, различные паразитические организмы в желудочно-кишечном тракте человека и организмы, связанные с сульфидсодержащими отложениями.

Термофилы – любители тепла

Мы уже обсуждали некоторые примитивные теплолюбивые бактерии и их сородичей. Обращаясь к более продвинутым эукариотам, способным жить при высоких температурах, мы находим ацидофильный фототроп (кислотолюбивое растение) Cyanidium caldarium – это «красная водоросль», которая ещё может расти при температуре 134 градуса по Фаренгейту (57 градусов по Цельсию). Практически все горячие, кислые почвы и воды в мире колонизированы Cyanidium.⁴
В последние годы было много жарких дискуссий относительно возможности эволюции гипертермофила, который процветает в кипящей воде, на основе эукариотического плана строения. Учёные не уверены, что центральный биохимический механизм – транскрипция и трансляция нуклеиновых кислот у эукариот – сможет работать при высоких температурах. Кроме того, состав мембраны клетки должен обладать способностью сохранять необходимую степень текучести, чтобы функционировать надлежащим образом. На сегодняшний день у всех известных гипертермофилов есть обратная гираза – фермент, который индуцирует положительную суперспирализацию ДНК для повышения её термостабильности. В настоящее время мы ещё не понимаем всех защитных механизмов, работа которых позволяет клеткам вроде археи Pyrococcus процветать при температурах выше точки кипения воды, и мы не знаем, каков может быть фактический верхний температурный предел для жизни.⁵

Психрофилы – любители холода

Несколько планет и лун в нашей Солнечной системе довольно холодны. Может ли инопланетная жизнь процветать в условиях экстремального холода? Изучая живых существ на Земле, мы узнали, что есть некоторые растения и животные, которые обладают химическими антифризами, позволяющими им жить на экстремальном холоде. Эти химические вещества подавляют образование внутриклеточных кристаллов льда путём переохлаждения, что позволяет им выдерживать температуры до -40 градусов по Фаренгейту (40 градусов по Цельсию).
Моим любимым примером холодолюбивых животных являются антарктические рыбы, которые вырабатывают химические соединения с мощными антифризными свойствами для снижения температуры замерзания жидкостей точно так же, как антифриз в радиаторе автомобиля предотвращает замерзание жидкости, пока температура не станет значительно ниже. В целом выживание этих рыб зависит от нескольких различных молекул антифризов, называемых гликопептидами, которые содержатся во всех жидкостях их организма, кроме мочи. Когда эти молекулы гликопептидов поглощают крошечные частицы льда, которые могут образовываться в крови, они предотвращают увеличение ледяных кристаллов. Почки животного препятствуют попаданию гликопептидов в мочу (с которой они вышли бы из организма), устраняя тем самым необходимость заново синтезировать их молекулы.⁶
Кроме холодолюбивых рыб существуют разные другие земные существа, приспособленные к жизни на холоде. К ним относятся бореальные (из холодного Северного полушария) древесные виды, которые замерзают, но для образования кристаллов льда используют внеклеточные пространства.⁷ Помимо растений, многие организмы также выработали методы сопротивления замерзанию, особенно существа, населяющие антарктические местообитания. На паковых льдах, окружающих Антарктиду, обитают сотни видов бактерий, простейших и водорослей. Облигатным психрофилам для выживания требуется именно холод. Оптимальная температура для их роста составляет около 50 градусов по Фаренгейту (10 градусов по Цельсию), и они не выживают при воздействии температуры 68 градусов по Фаренгейту (20 градусов по Цельсию).
Приспособленные к холоду формы жизни вроде фотосинтезирующих эукариот Chlamydomonas nivalis, Chloromonas (Scotiella), Ankistrodesmus, Raphionema, Mycanthococcus и некоторых динофлагеллят (мелкие морские существа) часто видны простым глазом, потому что они окрашивают снег. Если бы кто-то осмелился предложить вам съесть снег, вам, вероятно, нечего было бы особенно бояться. Похоже, что мы в достаточной степени защищены от психрофильной инфекции, поскольку все патогены животных (болезнетворные микробы) явно принадлежат к мезофильным бактериям, то есть, к бактериям, оптимальный рост которых происходит при температуре от 68 до 113 градусов по Фаренгейту (20-45 градусов по Цельсию).
Некоторые наземные организмы могут выдерживать периоды неблагоприятных условий благодаря тому, что способны надолго впадать в спячку. Поскольку мы задаемся вопросом о возможности существования жизни в космическом пространстве и возможной передаче жизни с одной планеты на другую, эта способность может быть полезной для организмов, путешествующих автостопом на ледяных кометах или другом замороженном мусоре. В 1997 году различные снимки со спутника НАСА показали, что Земля ежедневно подвергается бомбардировке тысячами снежков размером с дом, которые распадаются высоко над поверхностью Земли и проливаются мягким космическим дождём. Если это спорное открытие окажется верным, то оно говорит о том, что Земля постоянно собирала воду и, возможно, на протяжении геологического времени приобрела несколько океанов.
Однако даже если микробы могут выжить в ледяных головах комет или в кусках льда на земле, замороженные микроорганизмы не могут существовать вечно. Излучение, вызванное либо радиоактивностью горных пород, либо космическими лучами, струящимися с неба, повреждает ДНК и за миллионы лет убивает микробы. Даже при очень низких температурах для восстановления ДНК и замены старых аминокислот была бы нужна метаболическая активность на очень низком уровне. Тем не менее, существует много интересных примеров бактерий, которые оставались живыми на протяжении целых эпох в сибирской вечной мерзлоте. Эти замечательные выживальщики практически ничего не делали на протяжении 3 миллионов лет, и это происходило при температуре 15 градусов по Фаренгейту ниже 0, без солнечного света, без воздуха и без свежей пищи. Даже при температуре 24 градуса по Фаренгейту (-4 градуса по Цельсию) у бактерий всё ещё происходит обмен веществ. Вместо того чтобы размножаться, они находятся на грани между жизнью и смертью, пока проходят эпохи, а цивилизации возникают и гибнут. Если такие существа возникли на Земле естественным образом, есть вероятность существования форм жизни в различных мирах с полярными льдами (например, Меркурий, наша Луна и Марс) и в мирах, покрытых большим количеством льда (например, на различных спутниках Юпитера, Сатурна и других внешних планет, а также на кометах и астероидах).
Мы можем многое узнать о холодолюбивых организмах, изучая существ, обитающих в подземных антарктических озёрах. Учёный из НАСА Дейл Андерсен исследовал дно озера Хоар в Антарктиде, просверлив отверстия во льду. Он обнаружил там водорослевые маты, похожие на примитивную жизнь, которая господствовала на Земле 3 миллиарда лет назад. На окружающей суше он также нашёл водоросли, бактерии, лишайники и мхи, которые цепляются за жизнь в долине, которая достаточно холодная и сухая, чтобы стать моделью Марса. Если на Марсе есть жизнь или ископаемые остатки жизни из более ранней, более влажной истории этой планеты, то она может напоминать эти антарктические колонии. По мере того как мы всё больше узнаём о жизни в Антарктике, НАСА может воспользоваться этой информацией для улучшения проектирования космических аппаратов-роботов, которые занимаются поиском марсианской жизни.
В регионах с кратковременными циклами замерзания/оттаивания и суточными колебаниями температуры, составляющими до 72 градусов по Фаренгейту (40 градусов по Цельсию), также существуют несколько антарктических организмов. Одним из таких существ является Heteromita globosa, гетеротрофный жгутиконосец.⁸ В этих условиях также существуют не менее 24 видов простейших (одноклеточных организмов с ядрами) и некоторые кустистые лишайники и мхи. Многие организмы, обитающие в морском льду Антарктики, которые обычно растут при температуре 28 градусов по Фаренгейту (-2 градуса по Цельсию), плохо себя чувствуют при подъёме температуры выше 36 градусов по Фаренгейту (2 градуса по Цельсию). Некоторые любители холода гибнут, когда их нагревают до комнатной температуры, потому что их мембраны не выдерживают высокой температуры. При стабильно низкой температуре моря жгутиконосцы утратили способность синтезировать некоторые компоненты мембран, возможно, липиды или жирные кислоты, что делает невозможным их рост при более высоких температурах.⁹

Ацидофилы – любители кислоты

В своём романе «У критической точки» американский писатель Хол Клемент рассказывает об инопланетянах, которые живут в серной кислоте. Смогли бы инопланетяне действительно жить в кислоте настолько сильной, что она обжигала бы нашу кожу при малейшем прикосновении? До самого недавнего времени были известны лишь четыре земных организма, все из числа эукариот, которые растут в чрезвычайно кислой среде, где значение рН близко к 0. Это Cyanidium caldarium и три гриба: Acontium cylatium, Cephalosporium sp. и Trichosporon cerebriae. Это не означает, что внутреннее содержимое их клеток кислое. Фактически, Cyanidium поддерживает рН своей внутренней среды близким к нейтральному. В 1995 году были обнаружены два ацидофильных прокариота: Picrophilus oshimae и P. Torridus; оба вида – термофильные археи, обнаруженные в Японии, в сольфатарах, естественных источниках испарений, в которых сернистые газы смешиваются с горячим паром.¹⁰ На Земле есть множество примеров простейших и грибков, живущих при чуть более умеренных значениях рН, – например, те, что благоденствуют в желудках некоторых животных.
Относительная кислотность или щелочность раствора указывается по шкале рН, которая является мерой концентрации ионов водорода в растворе. Нейтральные растворы имеют рН 7,0. Значение рН менее 7,0 указывает на кислотность (повышенную концентрацию ионов водорода), а выше 7,0 – щелочность (пониженную концентрацию ионов водорода). Многие важные молекулярные процессы внутри живых клеток протекают в очень узком диапазоне рН. Следовательно, чтобы жить, клетки должны регулировать внутренний уровень рН. Уровень рН может локально отличаться в пределах организма; однако у большинства тканей он находится в пределах одной единицы рН от нейтрального значения.
Хотя в этом разделе мы уделяем особое внимание эукариотам, я хотел бы оставить комментарий в отношении нескольких ацидофильных бактерий. Многие из бактерий растут в диапазоне значений рН, близких к нейтральным, от 5,0 до 8,0, хотя немногие виды бактерий приспособились к жизни в более кислых или щелочных условиях. Например, когда в ходе горных работ угольные пласты подвергаются воздействию воздуха, залежи пиритного сульфида железа подвергаются атаке Thiobacillus ferrooxidans, которая вырабатывает серную кислоту и снижает рН до 2,0 или даже до 0,7. Этот организм может выдерживать высокие концентрации ионов железа, меди, кобальта, никеля и цинка, и кислотность до pH 1,3. Многие бактерии процветают в кислых болотах, сосновых лесах и озёрах с рН от 3,7 до 5,5. Любитель кислой среды Sulfolobus acidocaldarius обладает высокой устойчивостью к кислотам, которые достаточно сильны, чтобы разъесть вашу кожу за считанные секунды.

Алкалофилы – любители щёлочи

Озеро Накуру, африканское содовое озеро с рН около 10, – это дом для многочисленных форм жизни. На озере Накуру живут миллионы фламинго, которые питаются цианобактериями вроде спирулины, растущей в озере. Каждый день фламинго сбрасывают в озеро 15,6 тонны фекалий и мочи в сухом весе, которые дают питание стабильному урожаю прокариот, не относящихся к цианобактериям. В озере также процветают двадцать различных гетеротрофных (бактерии, нуждающиеся в органическом источнике углерода – см. примечание 8) видов простейших и три вида коловраток (многоклеточных водных беспозвоночных).¹¹

Галофилы – любители соли

Может ли инопланетная форма жизни существовать в чрезвычайно солёной воде? Уровень солёности – это количество растворённых солей, которые присутствуют в воде. Природные воды различаются по солёности – от почти чистой воды, лишённой солей (например, талая снеговая вода), до насыщенных растворов в солёных озёрах вроде Мёртвого моря, в котором концентрация соли составляет примерно 332 части на тысячу. Экстремальная солёность Мёртвого моря исключает большую часть животной или растительной жизни, за исключением галофильных (солелюбивых) бактерий. Рыба, занесённая туда Иорданом или более мелкими ручьями во время наводнения, погибает мгновенно. Если не считать растительности вдоль рек, растительный мир состоит в основном из галофитов – растений, произрастающих на солёной или щелочной почве. Такие экстремальные галофилы, как представители рода Halobacterium, демонстрируют оптимальный рост при 20-30-процентном содержании соли и распадаются при снижении этого уровня солёности. Такие бактерии встречаются в Мёртвом море и даже на солёных рыбе и шкурах.
В сверхсолёных водах обитают очень разнообразные одноклеточные существа, в частности, диатомовые водоросли и жгутиконосцы. Африканские содовые озёра вроде озера Накуру также являются сверхсолёными и при наличии достаточного количества пищи могут обеспечить существование очень разнообразной микробной популяции. Существует также множество видов галофильных и галотолерантных водорослей.
Основной проблемой, с которой сталкиваются галофилы, является контроль их осмотического давления – давления, вызываемого поступлением воды внутрь живого организма и из него. Без такого контроля они могли бы терять воду, уходящую в окружающую среду. Естественная тенденция заключается в том, что вода перетекает из мест, где её концентрация выше, в места, где её концентрация ниже. Я экспериментировал с морскими червями, механизм реакции которых позволяет им вначале набухать, когда они брошены в воду с низкой концентрацией соли, а потом спадаться, когда они брошены в воду с высокой концентрацией соли. Если изменения солёности незначительны, черви могут регулировать расход воды, пытаясь вернуть своим телам нормальный объём. Организм гораздо меньшего размера, Dunaniella salina, синтезирует внутриклеточный глицерин в высокой концентрации, чтобы уравновесить внешнее осмотическое давление.¹²

Барофилы – любители давления

Вполне возможно, что инопланетяне могли бы жить в условиях экстремального давления. На Земле мы знаем, что инфузории могут выдерживать циклическое изменение давления от одной до трёх атмосфер в минуту без каких-либо вредных последствий, а на континентальном шельфе, по крайней мере, на глубине 6560 футов (2000 м), существуют многочисленные сообщества эукариот. Поскольку сложные позвоночные обитают в самых глубоких океанах, вполне вероятно, что при наличии достаточного количества пищи гетеротрофные эукариотные микробы встречаются даже на больших глубинах. С другой стороны, многие организмы, обитающие на поверхности, не могут выдержать высокого давления: например, амёбы с увеличением давления теряют способность образовывать псевдоподии (выпячивания). Когда амёбы подвергаются давлению в 6000 фунтов (2720 кг) на квадратный дюйм, они фактически превращаются в крошечные сферы и остаются совершенно неподвижными.¹³
В 1997 году учёные из Японского морского научно-технологического центра в Нацушима Йокосука, Япония (см. примечание 8), обнаружили новый вид морского червя, обитающий на глубине 21 000 футов (6500 м) вблизи дна Японского жёлоба в западной части Тихого океана, где давление в 650 раз выше, чем на уровне моря. Тело червя прозрачно, что позволяет легко разглядеть его внутренние органы. Также в 1997 году были обнаружены другие замечательные морские черви, обитающие в Мексиканском заливе на глубине всего 1640 футов (500 м). Эти ледяные черви являются частью ранее неизвестной глубоководной экосистемы, которая включает грибовидные выходы гидрата метана – разновидности льда, образующегося в иле морского дна. Окружающая среда потенциально очень ядовита, поскольку в этом регионе в воду просачиваются пропан, этан, сульфиды и сырая нефть. К удивлению учёных, на выходах метана были обнаружены сотни плоских безглазых розовых червей, копошащихся на их поверхности.

Аридофилы – любители сухости

Самые засушливые регионы Земли также могут обеспечивать существование эукариотной жизни: лишайники растут на камнях и в пустыне Негев, и живые организмы также обитают в сухих песчаных долинах Антарктики, где жидкость, вероятно, не выпадала на протяжении 2 миллионов лет.¹⁴

Что всё это означает?

В этой главе мы обсуждали жизнь, которая выживает, казалось бы, на грани возможного. На Земле бактерии и их родственники могут жить в экстремальных условиях и способны осуществлять самые необычные обменные процессы. Некоторые существа благоденствуют при температуре свыше 212 градусов по Фаренгейту (100 градусов по Цельсию) в воде под давлением; другие могут пережить замерзание и сохранять активность, если вода остаётся жидкой. Жизнь может процветать под сильным давлением на дне океана, в насыщенных солевых растворах, в кислой и щелочной средах, а также в средах, где нет ни малейшего следа кислорода. Одни существа могут выдерживать такие условия; другим они совершенно необходимы. Если речь идёт о рационе, то существуют формы жизни, которые усваивают железо, серу, водород, кислоты, нефть и ещё более странные вещества. Жизнь существует даже тогда, когда концентрация питательных веществ, получаемых из воздуха или дистиллированной воды, крайне мала.
Бактерии и их родня выглядят ещё более неуязвимыми, чем любые инопланетяне, выдуманные авторами научно-фантастических произведений. Бактерии могут плодиться в ядерных реакторах. (Даже насекомые часто довольно устойчивы к радиации.) Бактерии могут жить в вакууме, о чём свидетельствуют бактерии, извлеченные из камеры, возвращённой экипажем «Аполлона-12» после трёх лет пребывания в жёстком вакууме. Бактерии, которые делятся надвое, причём указать родителя невозможно, претендуют на бессмертие, а бактериальные споры, вне всяких сомнений, могут сохраняться веками, а возможно, и тысячелетиями.
В заключение этой главы позвольте мне сделать обзор и обобщение современных научных взглядов на экстремофилов. Первыми формами жизни на Земле, вероятно, были археи, а не бактерии. Чарльз Дарвин предположил, что жизнь эволюционировала в тёплом бульоне из органических молекул, но археи родились в аду: в кипящих сернистых бассейнах или в горячих, насыщенных минералами глубоководных вулканических источниках при температурах выше точки кипения воды. Возможно, общим предком всей жизни на Земле был гипертермофил с метаболизмом, основанным на неорганических веществах вроде углекислого газа или сероводорода. Парадоксально, но экстремофилы жили «в безопасности»: возможно, что дождь из метеоритов и астероидов в ранней истории Земли мало влиял на глубоководные вулканические источники или ведущие под землю трещины на морском дне. В последние годы микробиологи и геологи отследили очень глубокие границы жизни. Они обнаружили живые организмы, запертые на миллионы лет на глубине почти 1,8 мили (3 км) под штатом Вирджиния, микробов, живущих на голых скалах и в воде на глубине 0,9 мили (1,5 км) под Колумбийским плато, и признаки жизни, получающей питание из стекла и богатой минералами воды под срединно-океаническими хребтами. Микробы, изолированные в глубинах на протяжении миллионов лет, приспособились к своей скудной жизни благодаря экзотическому метаболизму и, в некоторых случаях, очень медленному темпу размножения. Эти странные и многочисленные формы жизни определяют облик нашего мира и его вод, и глубину их воздействия мы только начинаем определять. Они могут контролировать химический состав нашей планеты, словно невидимая инопланетная армия – безмолвная, но вездесущая. Если человечество когда-нибудь погибнет в результате ядерной войны или природной катастрофы, эти крошечные обитатели глубин выживут. Возможно, Иисус был прав, когда говорил, что кроткие унаследуют Землю.

СОДЕРЖАНИЕ