Бактерии-экстремалы: как выжить ниже дна океана

Говоря о неизведанном, мы часто поднимаем свой взор к небу, будто пытаемся увидеть собственными глазами далекие планеты, звездные системы и галактики. Тем не менее, в путешествиях длиной тысячи световых лет нет нужды, когда неизведанное лежит у нас под носом. Конечно же, речь идет об океанах. Занимая большую часть нашей планеты, океаны являются домом для множества разнообразных существ: одни обитают у самого берега, другие предпочитают беспросветный мрак ближе ко дну. Про обитателей околодонных слоев океанов мы знаем не особо много, но еще меньше про обитателей донных пород. Ученые из Токийского университета (Япония) обнаружили новый вид бактерий, обитающий многочисленными колониями в породе океанского дна на протяжении многих миллионов лет. Ученые считают, что изучение этих организмов, поможет найти жизнь на Марсе. Где были найдены бактерии, каковы их особенности и как именно данное открытия связано с жизнью на Марсе? Ответы на эти вопросы ждут нас в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Верхние слои океанической коры состоят по большей мере из базальтов. Источником базальтов является магма, застывающая при контакте с воздухом или водой после извержения. В океанах основным местом происхождения базальтов считается срединно-океанический хребет — вереница хребтов, расположенных в центральных областях всех океанов. Высота этих подводных гор составляет около 2-3 км от абиссальных равнин (равнины океанических котловин). Не секрет, что сам процесс образования базальта, будучи высокотемпературной реакцией, косвенно обеспечивает достаточно энергии для поддержания хемосинтеза, когда неорганические соединения служат топливом для синтеза органических соединений из СО₂. Такой метод автотрофного (органика из неорганики) питания присущ исключительно археям (безъядерные одноклеточные организмы) и бактериям.

На боковых сторонах хребта циркуляция коровой жидкости осуществляется гидротермально в пределах базальтовой лавы, перегруженной осадками. Часть базальтовой лавы под осадочным слоем называется базальтовым основанием (фундаментом). Ранее проведенные исследования океанических гребней возрастом 3.5-8 миллионов лет показали, что эти относительно молодые водоносные горизонты* земной коры богаты анаэробными термофилами* и аэробными мезофилами*, которые участвуют в циркуляции водорода, углерода и серы.

Водоносный горизонт* — осадочная горная порода из одного или нескольких подземных слоев горных пород с различной степенью водопроницаемости.

Термофилы* — организмы, обитающие в местах, где температура выше 45 °C.

Мезофилы* — организмы, обитающие в местах, где температура варьируется в пределах от 20 до 45 °C.

Когда трещины породы заполняются вторичными минералами, интенсивность циркуляции жидкости и реакции образования базальта снижается, что соответствует увеличению возраста коры. Большая часть окисления протекает в первые 10 миллионов лет после формирования коры, а это около 90% всей океанической литосферы Земли.

Как говорят ученые, учитывая огромную площадь и труднодоступность океанического дна, полноценное изучение его структуры является крайне сложным процессом, даже при нынешних технологиях. Тем не менее имеются данные о том, что возраст изменений в океанической коре, свидетельствующих о биологической активности, составляет порядка 3.5 миллиардов лет. Однако оценка роли микробной активности в происхождении этих изменений ранее не проводилась.

В данном труде ученые описывают результаты анализа образцов, полученных в ходе экспедиции IODP (комплексная программа бурения в океане от integrated ocean drilling program), проведенной в области Южно-Тихоокеанского круговорота (SPG от South Pacific Gyre).

Анализ образцов показал наличие микробных клеток в богатом железом смектите (группа глинистых минералов, куда входят монтмориллонит, нонтронит, бейделит и т.д.). Анализ липидных профилей и последовательностей ДНК этих организмов показал, что они являются гетеротрофными бактериями, что свидетельствует о наличии органических веществ в подводном базальте.

Результаты исследования

В SPG скорость осаждения достаточно низкая, от чего отложения, падающие на дно, практически полностью лишены органики.

Таблица №1: данные образцов (mbsf — метров ниже океанического дна; NS — забор образцов не проводился; Ма — миллионов лет).

Забор образцов был проведен в трех областях с разным возрастом: U1365 — 104 Ма; U1367 — 33.5 Ма; U1368 — 13.5 Ма.

В столь ультраолиготрофной среде* растворенный O₂ проникает со дна океана в базальтовый фундамент и поддерживает жизнь аэробных микробов по всей глубине отложений.

Ультраолиготрофная среда* — среда с крайне низким содержанием питательных веществ.

В первую очередь была проведена характеризация минералов из образцов керна с трещинами, чтобы определить присутствие глинистых минералов, обычно производимых низкотемпературными взаимодействиями породы и воды (т.е. выветриванием). Рентгеноструктурный анализ выявил присутствие богатого железом смектита в образцах керна возрастом 33.5 Ма и 104 Ма, но не в образцах керна 13.5 Ма.

Далее из этих двух образцов были подготовлены тонкие срезы (U1367F-6R1, U1365E-8R4 и U1365E-12R2), соответствующие глубинам 51, 109.6 и 121.8 mbsf (метров ниже океанического дна). Срезы были изучены посредством растрового электронного микроскопа (РЭМ) и просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Также был задействован метод энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS от energy-dispersive X-ray spectroscopy).

Богатый железом смектит был обнаружен в трещинах, заполненных главным образом оксигидроксидами селадонита в образце U1365E-8R4 и железа в U1365E-12R2. Тогда как в образце U1367F-6R115 трещины были заполнены смектитом, богатым на железо.

В U1367F-6R1 были обнаружены два типа композиционно отличающихся Fe-богатых смектитовых трещин:

• первый тип похож на те, что были найдены в U1365E-8R4 и U1365E-12R2 с высоким содержанием Mg и K;
• второй тип характеризуется высоким содержанием железа, что обычно наблюдается в Fe-богатом смектите из глубоководных гидротермальных насыпей.

Флуоресцентная микроскопия тонких срезов показала наличие клеточных флуоресцентных сигналов в областях трещин и жил, связанных с Fe-богатым смектитом в образцах U1365E-8R4 и U1365E-12R2 (снимки ниже).

Изображение №1: снимки (световая и флуоресцентная микроскопия) клеток, окрашенных SYBR Green I, в трещине, заполненном селадонитом в U1365E-8R4 (a) и в жиле, заполненной оксигидроксидами железа в U1365E-12R2 (b).

Хотя богатый железом смектит с высоким содержанием Mg и K в U1367F-6R1 соответствует сигналам флуоресценции, в жилах, заполненных богатым железом смектитом в U1367F-6R1, сигналы флуоресценции не были обнаружены.

Чтобы подтвердить, что эти зеленоватые сигналы на снимках исходят от микробных клеток, а не от автофлуоресцентных материалов, с помощью фокусируемого ионного пучка были подготовлены срезы 10х10 мкм толщиной 3 мкм для наноразмерной масс-спектрометрии вторичных ионов (nanoSIMS).

Анализ U1365E-8R4 выявил перекрывающиеся сигналы 12C14N-, 31P- и 32S- на плотных пятнах, окрашенных SYBR Green I, что указывает на то, что эти зеленоватые сигналы получены из микробных клеток.

Микробные клетки локализованы в непосредственной близости от микромасштабных пустот и окружены богатым железом смектитом. Тот же результат был получен и для образца U1365E-12R2.

Использование просвечивающего растрового электронного микроскопа (ПРЭМ) подтвердило, что микробные клетки пространственно связаны с пластами богатого железом смектита. Учитывая эту связь и большую композиционную разницу между богатым железом смектитом и бентонитовой глиной, используемой для бурового раствора, ученые пришли к выводу, что микробные клетки не были введены из бурового раствора, т.е. не попали в образцы извне.

Совокупность этих данных говорит о том, что в глубинах океанического дна (простите за каламбур) обитают многочисленные колонии микроорганизмов. Следующим этапом исследования стало определение микробного состава этих колоний.

Изображение №3

В соответствии с филогенетической принадлежностью, основанной на последовательностях генов 16S рРНК (изображение №3), были идентифицированы три типа микробных сообществ:

• Тип SPG-I (сообщества из относительно молодой земной коры: 13.5 Ма). На участке U1368 последовательности γ- и ε-протеобактерий были пропорционально распределены и включали штаммы, относящиеся к родам Arcobacter, Thioreductor, Sulfurimonas и Sulfurovum (серо- и/или водород-окисляющие хемолитоавтотрофы*) и к роду Alteromonas (аэробные гетеротрофы*).

Хемолитоавтотрофы* — бактерии, единственным источником углерода для которых является диоксид углерода.

Аэробные организмы* — организмы, которым для синтеза энергии необходим свободный молекулярный кислород.

Гетеротрофы* — организмы, которые не могут преобразовывать неорганику в органику.

• Тип SPG-II (33.5–104 Ма). На участках U1365 и U1367 преобладали последовательности β-протеобактерий, родственные аэробным органотрофам*, таким как бактерия Roseateles depolymerans.

Органотрофы* — организмы, которые используют органические вещества в качестве доноров электронов.

• Тип SPG-III наблюдался исключительно в U1365E-12R2 (глубина 122 mbsf), где преимущественно были обнаружены последовательности γ-протеобактерий, принадлежащие к семейству Methylococaceae. По большей степени эти микробные колонии состояли из представителей Methylococaceae, обычно обитающих в богатых метаном жидкостях, выбрасываемых из глубин дна океана.

Микробные сообщества ранее наблюдались в образцах керна и воды из Североатлантического региона экспедиции IODP (возраст керна 8 Ма), где насыщенная кислородом холодная жидкость активно циркулирует в базальтовом фундаменте, покрытом отложениями. Однако есть явные отличия в видовой принадлежности. Микробные сообщества в образцах жидкости Североатлантического участка в основном состоят из представителей Campylobacterales и Alteromonadales. А в новых образцах был значительный перевес в сторону Alteromonadales, тогда как представители Campylobacterales были в явном меньшинстве.

Если же сравнивать образец из относительно молодого участка (8 и 13.5 Ма), то его микробные сообщества почти идентичны тем, что были найдены в образцах из Североатлантического участка. Следовательно, в Атлантическом океане и в Тихом океане микробные сообщества, найденные на одинаковой глубине дна, являются практически идентичными.

Зная, кто обитает в дне океана, необходимо было установить, как эти организмы там выживают, то есть как они взаимодействуют с окружающей средой.

Фундамент на 13.5 и 33.5 Ма в основном состоит из лавовой подушки, покрытой отложениями толщиной от 12 до 17 м. Самый глубокий осадок на обоих участках содержит одинаковые концентрации растворенного O2 и растворенного нитрата. Хотя структура коры и химический состав растворенного окислителя довольно схожи на обоих участках, состав микробных сообществ заметно различается в фундаментах 13.5 и 33.5 Ма. Глинистые минералы, которые образуются в трещинах/жилах при низкотемпературных взаимодействиях породы и воды, предоставляют информацию, которая может объяснить разницу между этими сообществами.

Изображение №4

Так наличие и отсутствие богатого железом смектита в трещинах/жилах на участках U1367 и U1368 указывают на то, что образование богатого железом смектита было ингибировано активной циркуляцией морской воды в U136816.

Хотя базальтовый фундамент на участке U1365 включает потоки лавы, где поток жидкости обычно находится между листовыми слоями, а не вдоль охлажденных краев лавовой подушки, состав его микробного сообщества аналогичен тому, который обнаружен на участке U1367, что согласуется с присутствием богатого железом смектита на участках U1365 и U1367.

Тепловой поток на дне U1367 и U1365 указывает на теплопроводность, как основной способ передачи тепла. В то время как тепловой поток на U1368 не столь активные, из чего следует, что тут основной способ передачи тепла — циркуляция жидкости в скалистой коре.

Это различие согласуется с возрастом фундамента на соответствующих участках, поскольку циркуляция жидкости и перенос тепла, как правило, гораздо более активны в относительно молодой теплой коре (такой, как кора 13.5 Ма на участке U1368), чем в более старой и, следовательно, более холодной коре (например, кора 33.5 Ма на участке U1367 и 104 Ма на участке U1365).

Ученые считают, что обитаемость фундамента контролируется потоками тепла и жидкости, которые, как правило, со временем уменьшаются по сравнению с первичной структурой коры. Кроме того, образование богатого железом смектита в базальтовом фундаменте, по-видимому, коррелирует с видами микроорганизмов в более старой океанической коре.

Более детальное рассмотрение среза 10х10 мкм, который упоминался ранее, показало, что диапазон плотности клеток составляет n х 3.3 х 10⁹ клеток / см³, где n количество клеток, обнаруженных в срезе.

Следовательно, в образцах U1365E-8R4 и U1365E-12R2 приблизительные количества клеток составило 5.0х10¹⁰ и 0.7х10¹⁰ клеток / см³. Скопление клеток было ограничено богатым железом смектитом на интерфейсе между базальтом и другими минералами.

В пределах этого интерфейса плотность клеток чрезвычайно высока по сравнению с плотностью клеток в самом глубоком осадке (~ 10² клеток / см³), лежащем над базальтовыми фундаментами на участках U1365 и U136714, и по сравнению с низкотемпературными жидкостями, собранными из базальтового фундамента (8 Ма) из Североатлантического региона (~ 10⁴ клеток / см³).

Изображение №5

Для проверки правильности определенной плотности клеток была проведена µ-рамановская спектроскопия, позволяющая получить спектр по микробно-смектитовым скоплениям (изображение №5).

Спектр был получен во всех интерфейсах, заполненных богатым железом смектитом с высоким содержанием Mg и K в U1367F-6R1, U1365E-8R4 и U1365E-12R2, но не из U1367F-6R1 с богатым железом смектитом и высоким содержанием Fe. Отсутствие спектра у богатого железом смектита может быть связано с его образованием в глубоководном гидротермальном кургане вблизи срединно-океанического хребта.

Смектит — это мелкозернистый глинистый минерал с большой площадью поверхности для адсорбции органических веществ. Поскольку доминантные микробные сообщества, обнаруженные в базальтовых основаниях 33 и 104 Ма, являются гетеротрофными, возможно, что органическое вещество, связанное с богатым железом смектитом, помогает поддерживать высокую плотность клеток на интерфейсе базальтов.

Взятые для анализа образцы смектита содержали в 22 раза больше органического углерода, чем было найден в других участках керна. А это полностью подтверждает теорию о том, что органическое вещество, связанное с минералами, стимулирует гетеротрофную активность микроорганизмов на интерфейсе базальтов.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В данном труде ученые изучили образцы океанического дна разной глубины бурения, следовательно, и разного возраста (104, 33.5 и 15.1 миллионов лет). Образцы оказались богаты микроорганизмами, плотность которых в некоторых участках составляла порядка 0.7х1010¹⁰ клеток / см³. Возможность жить в столь непривлекательных условиях для бактерий обусловлена глинистым минералом, окружающим их, — смектитом.

В породе имеются трещины, заполненные смектитом, который в свою очередь концентрирует питательные вещества, необходимые бактериям.

Результаты этого исследования помогают не только раскрыть некоторые секреты океанического дна, но и способствуют созданию новых методик выявления жизни на других планетах. Сами исследователи говорят, что их находка может пригодится для таких поисков на Марсе, поскольку минеральный состав дна океанов, вероятно, похож на минеральный состав поверхности Марса.

Исследователи намерены продолжить свою работу, но уже в команде с представителями NASA. Они планируют проверить свою методику на образцах породы, полученной с Марса.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. 🙂

Немного рекламы 🙂

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?