Знание-сила, 2001 №05 (887)

Кладовка с запасной биосферой, или Об автотрофных животных, которых не бывает

Привычное «распределение труда» в биологическом мире отводит растениям роль производителей, а животным – нахлебников. А все потому, что растения являются автотрофами: в процессе фотосинтеза они способны добывать пишу словно «из ничего». Животные же – хрестоматийный пример гетеротрофов, «питающихся за счет других».

Однако в действительности все совсем не так просто. Растения стали автотрофами лишь благодаря внутриклеточным симбионтам, превратившимся в пластиды. Но и среди животных (особенно морских) есть масса видов, содержащих в своих клетках водоросли, которые превращают их в самых настоящих автотрофов – не хуже растений. Таковы, например, коралловые полипы, которым требуется не меньше света, чем зеленой траве. А вот представить себе, что существуют животные-автотрофы, да еще и обитающие в полном мраке, невозможно. Таких просто не бывает!

Но в природе есть даже такие животные. Более того, их открыли почти сто лет назад, в 1914 году. Просто тогда еще ученые не представляли, какое необычное существо они держат в руках. Речь идет о погонофорах. Это червеобразные животные, которые прячутся в трубках из хитина и белка, высунув наружу только жабры, напоминающие «бороду» (поэтому их так и назвали – погонофоры, что означает «несущие бороду»). Способ питания погонофор оставался загадкой до 1980-х годов. Рот и кишечник у них отсутствуют. Их дом – глубоководная пустыня, куда попадают лишь жалкие крохи съедобной органики (меньше одного грамма на десять квадратных метров), то есть материала для роста практически нет. Но ведь погонофоры достигают метрового размера. Пытаясь объяснить это противоречие (скудная диета – крупные размеры), некоторые специалисты выдвигали фантастичную гипотезу, что погонофоры имеют крайне низкий уровень обмена веществ и продолжительность жизни… в десятки тысяч лет!

Биология этих загадочных существ стала проясняться с тех пор, как во второй половине 1970-х были открыты сходные формы жизни в уникальных глубоководных сообществах «черных курильщиков». Напомню, что это такое. В океане есть рифтовые зоны, где сквозь трещины на стыке литосферных плит вырывается раскаленный газ, нагревающий воду до 300-400°С. В этой воде растворено много сероводорода и сульфидов металлов, которые окрашивают ее в черный цвет. Потоки раствора напоминают столбы черного дыма – отсюда «черные курильщики». Казалось бы, условия напоминают адское пекло: ядовитый кипяток, более горячий, чем расплавленный свинец, да еще и огромное давление воды. А вокруг – ледяная бездна (всего 4°С) и кромешная тьма.

Но оказалось, что на границе этих миров развиваются удивительно богатые сообщества – настоящие оазисы, где обитают мириады креветок, крабы, моллюски и главное – очень крупные (иногда более 2 метров) черви, близкие родственники погонофор. Их назвали вестиментиферами, что означает «несущие одежду» (средний отдел тела образует складки, как бы одевающие его).

Богатые коллекции, собранные с помощью подводных аппаратов «Пайсис» и «Мир» Института океанологии РАН, позволили мне вместе с коллегами выполнить серию работ построению и развитию вестиментифер. Казалось бы, задача вполне традиционная. В учебнике есть главы о моллюсках, кольчатых червях и прочей живности. Все подробно, все известно. Но вестиментиферы – очень необычные организмы, для которых не было ответа на самые простые вопросы. Есть ли у них сердце? Органы выделения? Не было понятно даже, где у них брюшная, а где спинная сторона тела. И вот приходилось брать этого огромного червя, делать десятки тысяч срезов толщиной в несколько микрон. И – смотреть, сопоставлять. Кстати, такая работа не в характере современной науки. Сейчас предпочитают интенсивные пути: разработать сложный метод и с его помощью делать открытие за открытием. Но для меня было важно провести именно скрупулезное исследование. И теперь вестиментиферы уже не являются «белым пятном»: в нашем Бестиарии для них, можно сказать, появилась своя полноценная глава.

Протяженность рифтовых разломов на дне океана огромна.

Здесь изображены только известные на сегодня источники геотермальной энергии. Но их должно быть гораздо больше. Вполне хватит на «запасную биосферу».

Что же такого особенного в этих существах? Мало ли червеобразных животных – чем погонофоры и вестиментиферы заслужили такое внимание? А тем, что в их лице мы словно имеем дело с обитателями «параллельного мира». Систему гидротермальных оазисов можно считать небольшой самостоятельной биосферой. Она почти изолирована от «верхнего мира», поскольку не зависит от солнца и использует собственный источник энергии – земные недра. Идущие в недрах тектонические процессы, радиационный распад и гравитационное сжатие высвобождают огромное количество тепла. А выделяющийся оттуда нагретый водород, вступая в химические реакции, превращается в метан и в сероводород – источники энергии для бактерий-хемоавтотрофов.

Эти бактерии и становятся основой пищевых цепей в «альтернативной биосфере». За их счет существует множество видов, образующих «оазис в пустыне». И ведь система гидротермальных сообществ очень устойчива – почти бессмертна. Ее обитателям не грозит гибель от похолодания или потепления. Им не страшно ультрафиолетовое излучение. Да и вообще они мало чего боятся, ибо и так обитают в «адском пекле». Все мы знаем, что жизнь на Земле время от времени почти полностью уничтожалась катастрофами, в первую очередь похолоданием климата. Ведь если ледяные шапки опустятся до сороковой параллели, то из-за повышения альбедо этот процесс станет необратимым и льдом покроется практически вся поверхность планеты. Предполагают, что одно из таких оледенений случилось в протерозое. Однако жизнь тогда не исчезла совсем. Возможно, сохранились полыньи, через которые в морские сообщества проникал свет Но были еще гидротермальные сообщества, сыгравшие в тот момент роль убежищ. С окончанием периода оледенения организмы, «спрятавшиеся» в этих оазисах, быстро заселили освободившиеся ниши. Весьма вероятно, что глубоководные оазисы смогут пережить и возможные катаклизмы будущего, в том числе рукотворные («ядерную (или астероидную) зиму»). Кстати, «черные курильщики» – никакая не редкость (вроде Долины гейзеров или Йеллоустона). Протяженность рифтовых разломов и хребтов на дне океана огромна. Соответственно и источников геотермальной энергии должно быть очень много. Мы еще только начали их изучение.

Вообще на нашей планете в миллионы раз больше видов, чем нужно для осуществления биологического круговорота. Теоретически, чтобы снарядить космический корабль с людьми, для поддержания круговорота жизни понадобятся только капуста и кролики (если не обращать внимания на микроорганизмы). Но представим, что капуста погибла… Вслед за ней отправятся все остальные, если только в кладовке не обнаружатся семена, допустим, салата (что за животы должны быть у космонавтов…). Во всяком случае. Земля – это космический корабль, который летит уже миллиарды лет. Поэтому у нее «в кладовке» миллионы видов. И, как видим, такая кладовка у нее даже не одна.

Происходят катастрофы. Вымирают тысячи видов, целые сообщества. Но освободившееся место тут же заселяют новые формы жизни. Разнообразие – залог устойчивости биосферы. Есть масса видов и даже целые типы, через которые идет ничтожный поток биомассы. Убери их – ничего не изменится. Вот я занимаюсь киноринхами. Крохотные создания, не делающие никакой погоды. Основной поток биомассы идет через моллюсков, аннелид, хордовых. А через киноринхов – доля процента. Никто не заметит их исчезновения! Но случись что-нибудь – и незаметные существа, выйдя из своих убежиш, могут превратиться в господствующие группы.

Рифтии прячутся в трубках из хитина и белка, оставив снаружи только жабры, напоминающие бороду. Отсюда и название погонофоры – «несущие бороду».

Гидротермальные оазисы – явление очень древнее. Скорее всего, они появились уже с самого начала существования биосферы. Может быть, в них даже кроется решение одной из главных загадок биологии – возникновения жизни.

Ведь, по современным данным, получается, что промежуток времени между формированием Земли и появлением жизни – меньше полумилямарда лет, а между первыми прокариотами и человеком – где-то в шесть раз больше. Это при том, что бактериальная клетка отделена от неживой органики такой пропастью, по сравнению с которой расстояние между любыми формами жизни кажется одним шагом. Очень уж маловероятным кажется появление за такой срок бактерий на поверхности океана. Существует гипотеза, что гидротермальные условия больше способствовали этому[• Возможность возникновения жизни в гидротермальных источниках обсуждается в статье А. Журавлева в № 10 «Знание – сила» за 1997 год.].

Наличие глубоководных «параллельных миров» на Земле заставляет задуматься: нет ли аналогичных возможностей на других планетах? Ведь если бы можно было взглянуть из космоса на безжизненный «снежный шар», в который Земля превратилась во время протерозойского похолодания, ничто бы не указало на то, что под слоем льда кипит жизнь. А в Солнечной системе чем-то похожим мосут оказаться спутники планет-гигантов, например И о или Европа. Это огромные планеты, обладающие тектонической активностью: там есть вулканы, там есть движение коры, активное истечение газов. Очевидно, что фотоавтотрофной жизни на них быть не может – солнечного света слишком мало. А вот «глубоководные сады» подо льдами теоретически возможны.

Но вернемся к нашим «животным-автотрофам, которых не бывает». Погонофоры и вестиментиферы – это сестринские классы. Анатомически они имеют общий план строения. Но симбиотические бактерии у них абсолютно не родственны. Внутри погонофор живут метанокисляющие архебактерии (из обособленного царства!), а внутри вестиментифер – бактерии, окисляющие сероводород. Находятся они в особом органе – трофосоме («питающее тело»), к которому через кровь переносится сероводород, соединение токсичное, поэтому оно тщательно «упаковывается» внутрь белковой части молекулы гемоглобина. А другая часть гемоглобина – гем – в это же время переносит кислород. Почему же сестринские ветви погонофор и вестиментифер «пускают внутрь» только определенные разновидности бактерий? Это связано со специфичностью молекул клеточной адгезии, благодаря которым бактериальная клетка «прилипает» к мембране и проникает в цитоплазму. Интересно, что в клетки вестиментифер проникает единственная из двухсот разновидностей сульфид- окисляюших бактерий «черных курильщиков».

Симбионты появляются в организме вестиментифер не сразу: личинка их не имеет. Она, подобно далеким предкам этих животных, питается грунтом, обогащенным бактериями. Постепенно бактерии внедряются в стенки кишечника, прямо в цитоплазму клеток. Фактически это заражение организма. Точно так же в клетку проникают болезнетворные бактерии. Можно было бы даже усмотреть здесь патологический процесс. Ведь инфекционная патология – это приспособительное изменение организма, идущее под воздействием микробов. Личинка вестиментифер не без влияния бактерий претерпевает метаморфоз, в том числе теряет пищеварительный тракт. Но на данном этапе эволюции это уже никакая не «болезнь», а союз, являющийся средством выживания. В цитоплазме бактерии делятся и передаются от одной клетки к другой. Постепенно стареющие клетки вытесняются на периферию трофосомы и разрушаются (вместе с бактериями), а их содержимое разносится кровью и усваивается.

Перед нами «живое ископаемое» – такие формы жили больше 130 миллионов лет назад. Этот рачок фильтрует бактерий, как и его родственники – морские желуди.

Свое название «неолепас зевинус» он получил в честь известного российского зоолога Г. В. Зевиной

Гидротермальные оазисы дают приют многим животным. Трещины, откуда струится «флюид», облепляют крупные двустворчатые моллюски. На трубках вестиментифер буквально пасутся крабы битогрэи. Но в отличие от флегматичных коров, им приходится соревноваться в проворности с «травой»: краб должен ухватить щупальца, пока они не втянулись в трубку. Откушенные щупальца быстро восстанавливаются. Здесь нашли приют многие виды, не выдержавшие конкуренции и давно исчезнувшие в «верхнем мире». Таким «живым ископаемым» оказался, например, моллюск неомфалюс – раньше считалось, что подобные ему формы вымерли около 200 миллионов лет назад.

Большинство здешних обитателей зависят от хемосинтезирующих бактерий – либо питаются ими, либо вступают в симбиоз (а часто и то, и другое). V креветок бактерии живут на жабрах, у моллюсков – в кишечнике. А кольчатый червь альвинелла покрыт слоем бактерий снаружи и всасывает их выделения через покровы. Но все эти существа – единичные представители своих классов. А вот классы погонофор и вестиментифер на сто процентов состоят из «животных-автотрофов». Вообще для этих животных напрашивается сравнение с растениями. У растений есть орган фотосинтеза – лист и «химический насос» – корень. А у погонофор есть орган хемосинтеза – трофосома, а в качестве корня – «борода». Только это «растение наоборот» – родом из биосферного Зазеркалья.

Записал Кирилл Ефремов.