Как зарождается жизнь в условиях глубокого мрака?

Под толщей арктического морского льда в разгар кромешной полярной ночи живые клетки осуществляют фотосинтез при рекордном для живой природы минимуме освещенности

Научные наблюдения показали, что водоросли подо льдом начинают усваивать свет в момент появления первых весенних лучей сквозь мрак полярной ночи при интенсивности, которая близка к абсолютному теоретическому минимуму для фотосинтеза — менее одной стотысячной доли от дневного солнечного освещения.

Большая часть земной биосферы функционирует благодаря солнечному свету. Фотоны преодолевают атмосферную преграду и активно поглощаются автотрофами — растениями и водорослями. В ходе фотосинтеза световая энергия запускает внутриклеточные реакции, синтезирующие органические соединения (углеводы). В дальнейшем эта энергия распределяется по пищевым сетям, питая травоядных животных, хищников, редуцентов и прочих обитателей экосистемы.

В ясный полдень недостатка в фотонах не ощущается. Однако исследователей давно интриговал вопрос: каков абсолютный световой предел для поддержания фотосинтеза? Иными словами, какое минимальное количество световых частиц и с какой частотой должно поступать в клетку, чтобы ее аппарат перерабатывал углекислоту в кислород и энергию? Расчетные модели демонстрировали значение примерно в 0,01 микромоля фотонов на квадратный метр ежесекундно — это доля, не достигающая и стотысячной части обычного дневного света.

Десятилетиями эти выкладки оставались исключительно на бумаге из-за технологической сложности подобных замеров. Подтвердить их на практике в природных условиях до сих пор никому не удавалось, хотя на планете немало труднодоступных для света зон. Так, из-за наклона земной оси Арктика ежегодно погружается в многомесячную зимнюю темноту. Метровые пласты снега и льда надежно экранируют остаточное сияние, превращая подводный мир в подобие абсолютной пустоты. Общепринятая гипотеза гласила, что микроскопические водоросли, населяющие арктические воды и лед, просто впадают в анабиоз в ожидании тепла и света.

«Бытовало мнение, что полярная ночь — это мертвый сезон, где всякая активность замирает, а живые организмы погружаются в спячку до прихода весны, — поясняет биогеохимик Клара Хоппе из Института Альфреда Вегенера (Германия). — Однако в реальности этот феномен никогда детально не изучался».

Зимой 2020 года Хоппе провела несколько месяцев на борту затертого льдами судна, изучая предельные возможности фотосинтеза в условиях затяжной темноты. В недавней статье ее коллектива, опубликованной в издании Nature Communications, приведены доказательства активного роста и размножения микроводорослей при освещенности, равной расчетному минимуму или находящейся вблизи него, — показатели оказались беспрецедентно низкими для естественной среды.

Полученные результаты доказывают, что даже в самых суровых и темных экосистемах биосфера способна функционировать на гранитных световых лимитах. «Как минимум отдельные представители фитопланктона при определенных обстоятельствах сохраняют жизнеспособность и функциональность при минимальной инсоляции, — подчеркивает Дуглас Кэмпбелл, эксперт по водному фотосинтезу из Университета Маунт-Эллисон (Канада), не принимавший участия в проекте. — Это выдающееся исследование».

Потенциал полярного мрака

Исторически Арктика воспринималась наукой как регион биологического затишья на протяжении большей части года. С наступлением зимы подвижные животные мигрируют в другие районы, а оставшиеся переходят на внутренние резервы или засыпают. Лишь с возвращением солнца экосистема взрывается бурной жизнью. Весеннее цветение фитопланктона дает мощный старт пищевой цепи, обеспечивая процветание ракообразных, рыб, морских млекопитающих, птиц и белых медведей.

Хоппе предположила, что те виды фитопланктона, которые научатся стартовать раньше конкурентов, получат колоссальное эволюционное преимущество. Это побудило ее выяснить, в какой именно момент организмы способны уловить первые признаки возвращающегося света.

Интерес исследовательницы к этой проблеме усилился в 2015 году после участия в норвежской научной экспедиции Тромсё. Тогда междисциплинарная группа обнаружила неожиданно богатую экосистему в зимних арктических водах возле Шпицбергена, где некоторые моллюски проявляли даже большую активность, чем в теплое время года. К всеобщему изумлению, фитопланктон также не спал: Хоппе зафиксировала аномально высокие концентрации хлорофилла — маркера фотосинтетической деятельности. Вместо того чтобы опуститься на дно и впани в анабиоз, значительная часть клеток вела полноценную активную жизнь.

«Раз эти создания не спят, — задалась вопросом Хоппе, — значит, они задействованы в круговороте экосистемы круглый год?» Так началось ее погружение в загадки ледяной полярной ночи.

В начале 2020 года Хоппе лично занялась проверкой этих гипотез, отправившись в экспедицию на исследовательском судне, вмороженном в дрейфующие льды. Масштабный проект MOSAiC (Многодисциплинарная дрейфующая обсерватория для изучения климата Арктики) объединил специалистов со всего мира, сменявших друг друга на борту ледокола «Полярштерн» ради сбора уникальных данных об арктической зиме.

Ученые трудились в условиях круглосуточной темноты, бескрайних торосов и экстремальных морозов до -60°C. Подвижки льда постоянно разрушали подходы к импровизированной лаборатории под названием «Оушен-Сити», откуда группа Хоппе регулярно отбирала сотни литров арктической воды для лабораторного анализа.

Исследователи параллельно вели два типа замеров. Сначала добытые образцы микроводорослей помещали в бортовые термостаты, где их подкармливали меченым углеродом (с изотопным контролем ядер) и подвергали минимальному искусственному освещению (превышающему реальные арктические значения). Измеряя скорость усвоения углерода, биологи оценивали потенциал фотосинтеза.

Параллельно в пробах воды отслеживалась динамика популяции фитопланктона и концентрации хлорофилла. Всю зиму оба параметра оставались стабильными, но в конце марта показатели поглощения углерода, клеточной массы и пигмента резко пошли вверх. Исключив прочие факторы, команда пришла к выводу: всплеск активности спровоцирован появлением первых солнечных лучей.

Тем не менее, окончательное подтверждение гипотезы потребовало трех лет аналитической работы со стороны физиков-океанологов, замерявших проникновение света сквозь ледяную броню. Подобные измерения всегда сопряжены с погрешностями: «Получить корректные данные о свете подо льдом без разрушения среды практически невозможно, — поясняет Хоппе. — Любое бурение лунок или даже следы на снегу искажают световые потоки».

Чтобы решить эту задачу, специалист по морскому льду Нильс Фукс вмонтировал сверхточные датчики освещенности в нижнюю часть ледового массива еще в начале полярной ночи. Оставляя аппаратуру на всю зиму, ученые получили беспрерывный массив данных о реальной световой обстановке под толщей льда.

В феврале мрак был абсолютным — сквозь лед не пробивались ни лунный свет, ни сумеречные лучи. Но в конце марта солнце впервые поднялось над кромкой горизонта. Подводные сенсоры зафиксировали минимальные значения инсоляции: верхний порог составил 0,04 микромоля на квадратный метр в секунду, что вплотную приближается к расчетному порогу фотосинтеза. Реальное же количество света было еще ниже.

«Световой поток, зафиксированный нами в сравнении с обычным солнечным днем, можно сопоставить с одной каплей воды против трех литров», — образно поясняет Фукс, гляциолог из Гамбургского университета и соавтор статьи.

«Наши оценки имеют запас прочности, — добавляет исследователь. — Не исключено, что до водорослей доходило еще меньше фотонов. Ледяной покров неоднороден, поэтому мы ориентировались на верхние границы измерений, чтобы исключить любые сомнения в точности».

Сопоставление физических замеров Фукса с биологическими пробами Хоппе подтвердило догадку: в конце марта, при появлении малейших следов света, микроводоросли не просто включили фотосинтез, но и начали наращивать биомассу. Это зафиксированное в полевых условиях событие стало первым доказательством протекания фотосинтеза при световых потоках, на порядок уступающих всем ранее известным природным значениям.

Конец долгой спячки

Хотя сам факт запуска фотосинтеза на абсолютном минимуме света привел ученых в восторг, оставался открытым фундаментальный вопрос: каким образом организмы ухитрялись сохранять готовность к мгновенной активации сразу после пробития ледяного панциря первыми лучами?

Анализ показал, что в самые темные недели полярной ночи водоросли не поглощали углерод и не росли, однако они не впадали в глубокий анабиоз. Клетки функционировали в режиме глубокого энергосбережения. Как только уровень освещения в конце марта позволил фиксировать углерод, этот скрытый потенциал мгновенно реализовался.

«Это напоминает механизм почвенного банка семян, — отмечает Кэмпбелл. — Способность усваивать мизерные порции света гарантирует выживание и обеспечивает молниеносный старт при малейшем улучшении условий».

Полные механизмы выживания водорослей в абсолютной темноте еще предстоит изучить. К примеру, диатомовые водоросли способны усваивать растворенную органику прямо из воды. Не исключено, что им помогали редкие фотоны, проникающие через трещины во льду, или следы биолюминесценции. Также возможно развитие уникальных метаболических адаптаций, позволяющих поддерживать минимальный обмен веществ при экстремальном холоде.

По словам Кевина Флинна, специалиста по планктону из Плимутской морской лаборатории, подобные эволюционные механизмы имеют колоссальное экосистемное значение. «Организмам свойственно запускать подготовительные процессы заблаговременно», — считает он, называя исследование важным вкладом в понимание реального поведения живой природы.

Впрочем, Флинн сохраняет скептицизм относительно того, обеспечивал ли мартовский рост именно фотосинтез: «Появление хлорофилла не обязательно служит прямым источником энергии для роста. Возможно, клетки просто синтезируют пигмент за счет внутренних резервов в рамках подготовки к сезону, ведь ранний старт гарантирует победу в конкурентной борьбе».

Напротив, Кэмпбелл допускает, что фотосинтетические процессы стартовали даже раньше, чем зафиксировала группа Хоппе. Учитывая консервативный характер оценок освещенности, биохимический синтез мог идти задолго до того, как его результаты стали заметны в виде прироста биомассы. По его мнению, арктические организмы балансируют на самой границе термодинамических пределов.

Полученные данные радикально меняют наши представления об экологии арктической полярной ночи и потенциально всей биосферы Земли. Жизнь в полярных водах не замирает на летние месяцы — экосистемы сохраняют продуктивность и жизнеспособность круглогодично. Это заставляет по-новому взглянуть на энергетические балансы и жизненные циклы арктических сообществ.

Более того, Хоппе задается вопросом, не обладают ли аналогичными адаптациями обитатели глубоководных и темных участков Мирового океана. Если эта гипотеза верна, зона продуктивности океана простирается гораздо глубже, чем принято считать. «Если арктический фитопланктон освоил такие стратегии выживания, — резюмирует ученая, — нет сомнений, что аналогичные механизмы развились и у обитателей других океанических регионов».

 

Источник