Под дном океана обитают главным образом археи

Парусно-паровой корвет «Челленджер», совершивший знаменитую экспедицию 1872–1876 гг., в ходе которой был собран огромный материал по беспозвоночным, населявшим океаническое дно. См.: Challenger expedition. На русском языке очень хорошо описано в книге: Москалев Л.И. «Мэтры глубин: Человек познает глубины Океана. От парусно-парового корвета «Челленджер» до глубоководных обитаемых аппаратов». 2005. 256 с. Изображение с сайта en.wikipedia.org

Мощная толща отложений на дне Мирового океана населена живыми бактериями, причем ниже самого верхнего метрового слоя резко доминирующая группа бактерий — это археи. Их общая биомасса, выраженная в углероде, составляет около 90 млрд тонн, что значительно превышает биомассу всех живых организмов, населяющих океан.

В 1872-1876 годах экспедицией на британском парусно-паровом корвете «Челленджер» было доказано, что океаническое дно на больших глубинах (более 1000 м) вовсе не безжизненно, как то предполагали ранее некоторые исследователи. На поверхности грунта и в верхнем его слое было обнаружено множество разнообразных животных. Почти сто лет спустя появилась догадка о том, что живые организмы обитают не только на поверхности дна, но и проникают весьма далеко, по крайней мере на сотни метров, вглубь донных отложений. Основанием для такого предположения послужили наблюдения за химическими реакциями, происходящими в растворах между частицами глубинных донных отложений. Скорости этих реакций значительно превышали те, которые следовало бы ожидать, если бы процессы происходили без участия организмов. Соответственно, оставалось допустить, что в толще отложений обитают активные живые бактерии, которые и проводят окислительно-восстановительные реакции, необходимые им для получения энергии.

Реальный прогресс, достигнутый в последнее время при изучении бактерий, обитающих в глубинах донных отложений, стал возможным благодаря международным программам глубокого бурения океанического дна. Специальные корабли, в том числе показанный на этом снимке «ДЖОЙДЕС Резолюшн» («JOIDES Resolution»), оборудованы установками, позволяющими работать при глубине воды до 6000 м, а буром проходить более 2000 м породы. «JOIDES» расшифровывается как Joint Oceanographic Institutions for Deep Earth Sampling — «Объединенный океанографический институт исследования глубин Земли», а «Resolution» переводится как «Решимость»; название дано в честь корабля знаменитого мореплавателя XVIII века капитана Джеймса Кука). Фото с сайта www-odp.tamu.edu

Несколько позднее появилось выражение «глубинная биосфера» («deep biosphere»), под которым понимали мир бактерий, живущих глубоко под поверхностью дна, в полостях между частицами отложений на больших глубинах. Поскольку суммарный объем этих полостей очень велик, возникло предположение, что даже при относительно невысокой плотности бактериальных клеток общая их масса должна быть огромной, возможно превышающей суммарную биомассу бактерий, обитающих в океане и на суше. Сообщество микробов «глубинной биосферы» рассматривалось иногда как самое древнее, существующее не столько за счет круговорота веществ, как это обычно происходит на  суше и в толще океана, сколько за счет однонаправленного потока восстановленных (то есть богатых энергией) соединений, поступающих из глубин Земли в результате геофизических процессов. Источником углерода для таких бактерий могли быть неорганические вещества, например СО₂.

Поскольку в глубине отложений температура может быть довольно высокой, исследователи полагали, что из двух групп бактерий (или, правильнее, прокариот) — эубактерий и архей (= архебактерий, см. также Archaea) — преобладать там должны археи, так как именно среди них много термофилов (см. Thermophile), а так называемые «экстремальные термофилы» (см. Hyperthermophile), выносящие температуру около 100°C, — сплошь археи. Однако полученные данные оказывались противоречивыми. Спор шел о тех веществах (биомаркерах), по которым и судят о присутствии и количестве тех или иных групп микроорганизмов. А поскольку исследователей интересуют прежде всего живые бактерии, то выбранные биомаркеры должны были достаточно быстро разлагаться после гибели клеток.

Предположение о доминировании в толще отложений именно архей недавно было блестяще подтверждено специальным исследованием, результаты которого опубликованы в последнем номере журнала Nature. Авторы статьи, Юлиус Липп (Julius Lipp) из Группы органической геохимии при Центре морских исследований Бременского университета (Германия) и его коллеги из того же учреждения и Японского агентства морских исследований, использовали разные методы для выявления архебактерий, но основное внимание было уделено специфическим для архей фосфо- и гликолипидам — обязательным компонентам клеточных мембран. После гибели клеток такие липиды существуют относительно непродолжительное время и потому могут использоваться для оценки именно живой биомассы архей.

Используя пробы, взятые в нескольких рейсах, в разных точках океана, Липп и его соавторы показали, что в толще осадков по мере удаления от поверхности грунта и вплоть до глубины 367 м (максимальная в данной выборке проб) масса живых бактерий снижалась примерно в 1000 раз, а доля тех липидов, которые характерны именно для архей, была невелика только в самом верхнем метровом слое, а затем резко возрастала и оставалась очень высокой (около 90%).

Изменение с глубиной отложений (вертикальная шкала) общего и относительного содержания интактных полярных липидов (Intact polar lipids — IPL): a — общее содержание (в нг на мл); b — доля липидов, характерных именно для архей (%). Видно, что ниже верхнего метра отложений резко доминируют липиды, свойственные археям. Максимальная обследованная толщина отложений — 397 м. Обратите внимание, что обе шкалы — логарифмические. Разными значками показаны пробы, взятые в разных местах океана. Рис. из обсуждаемой статьи Julius S. Lipp et al. в Nature

Зная долю, которая приходится в бактериальной клетке на определенные липиды, авторы обсуждаемой работы оценили суммарную массу бактерий в верхних (охватывающих по крайней мере 300 метров) слоях океанических донных отложений. Полученная величина — 90 Пг (10¹⁵ г) — оказалась значительно больше, чем масса всех живых организмов, населяющих водную толщу океана, но в несколько раз меньше, чем масса наземной растительности.

Источники:
1) Julius S. Lipp, Yuki Morono, Fumio Inagak, Kai-Uwe Hinrichs. Significant contribution of Archaea to extant biomass in marine subsurface sediments // Nature. 2008. V. 454. P. 991–994.
2) Ann Pearson. Biogeochemistry: Who lives in the sea floor? // Nature. 2008. V. 454. P. 952–953

См. также:
1) На глубине 1626 м под уровнем морского дна обнаружена богатая микробная жизнь, «Элементы», 28.05.2008.
2) Японцы готовятся просверлить земную кору насквозь, «Элементы», 17.12.2005.
3) Gold T. The deep, hot biosphere // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1992. V. 89. P. 6045–6049 (полный текст — PDF, 1,2 Мб)

Алексей Гиляров

Последние новости: Экология, Микробиология, Алексей Гиляров

9 февраля Колонии муравьев, состоящие из особей с разным типом поведения, оказываются более успешными

2 февраля Флора тропических лесов — против гипотезы нейтральности

1 февраля Параллельная эволюция изучена в эксперименте на бактериях

27 января Изменение ветров, дующих над Южным океаном, пошло на пользу альбатросам

25 января Экспериментально показано образование многоклеточных эукариот из одноклеточных предков

11 января Для фитопланктона не действует закон Кляйбера

29 декабря Табачная белокрылка заражается симбиотическими бактериями через кормовое растение

28 декабря Одну треть рыбных запасов оставить птицам — новый закон в экологии

22 декабря Многоклеточный организм надежнее строить из схожих по генетике клеток

21 декабря Стойкость органического вещества почвы объясняется не столько его строением, сколько условиями, в которых оно пребывает

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):