Вглибинах земних надр ховається таємничий світ “внутрішньоземних форм життя”, які занурені в дрімоту протягом сотень тисяч років — чого ж вони очікують, щоб “пробудитися”?
Мікроорганізми глибоко під морським дном можуть залишатися в дрімотному стані протягом сотень тисяч років. (Зображення: Nature Picture Library/Alamy) Підпишіться на нашу розсилку
Під земною поверхнею лежить сфера незвіданого мікроскопічного життя. Ці “внутрішньоземні створіння” виживають у найекстремальніших умовах на планеті — і вчені розшукують ці мікроби.
У цьому фрагменті з книги “Внутрішньоземні створіння: відкриття найдивнішого життя на Землі” (Princeton University Press, 2025) авторка Карен Г. Ллойд, мікробна біогеохімікиня з Університету Південної Каліфорнії в Дорнсайфі, вивчає концепцію еволюції серед життя, здатного виживати сотні тисяч, якщо не мільйони, років у неактивному стані, і на що воно може очікувати, щоб “ожити”.
Як істота може еволюціонувати, щоб припинити ріст на тисячоліття? Нещодавні дослідження показують, що мікроорганізми, поховані глибоко в осадових породах океанічного дна, можуть робити саме це. Такі створіння можна ідентифікувати як внутрішньоземні, це маленькі мікроорганізми, що мешкають у корі по всій планеті. Щоб відповісти на це непросте еволюційне питання, спершу нам слід подумати про те, що ці створіння переживатимуть протягом свого існування. Ці повільні створіння не будуть перейматися тривалістю дня. Вони заховані так глибоко, що все одно не можуть відчути сонце. Вони, ймовірно, навіть не помітять зміни сезону.
Однак їх можуть цікавити інші, триваліші геологічні цикли: утворення та закриття океанічних басейнів через тектоніку плит, формування та опускання нових острівних ланцюгів або нові потоки рідини, викликані повільним утворенням тріщин у земній корі. Біологія, якій мене навчали в школі, розглядала ці події як еволюційні рушійні сили для виду, а не для індивідуума.
Наприклад, дарвінівські в’юрки розвинули нові форми дзьобів, оскільки були ізольовані на острові з певним видом насіння для споживання. Ця еволюція відбувалася протягом геологічного періоду формування острова, але вона відбулася в межах видових ліній, а не в окремого птаха. Однак ми знаємо, що індивідууми також здатні змінюватися разом із ритмами свого середовища. Шерсть окремої арктичної лисиці (Vulpes lagopus) змінюється з білого на коричневий, коли щовесни тане сніг. Багато людей (хоча, на жаль, не я) прокидаються в один і той же час щоранку без допомоги будильника. Добові та річні цикли здаються очевидними речами, за якими істота чи тварина повинні слідкувати.
Льодовикові періоди — більш рідкісні. Прогнозувати зміни протягом триваліших часових масштабів здається нерозумним. Було б нелогічно припускати, що окремий в’юрок розвинув би здатність плавати, оскільки мав вроджене передчуття того, що його острів опуститься в море через 100 000 років. Або що жук у пустелі Гобі міг розмножуватися лише тоді, коли з’їв насіння амазонського тропічного лісу, бо він народився мільйони років тому, коли Південна Америка та Африка були тісно пов’язані одна з одною, і його ДНК наказувала йому розмножуватися, коли тектонічний розрив знову закрився.
Ці сценарії не мають сенсу для тварин, але вони можуть бути логічними для внутрішньоземних створінь. Індивідуум, який проживе мільйон років, може бути еволюційно схильний розраховувати на щось таке повільне, як опускання островів, так само, як ми еволюційно схильні чекати сходу сонця завтра. Щоб повністю зрозуміти внутрішньоземних створінь, нам, можливо, доведеться переосмислити те, що кваліфікується як еволюційний сигнал.
Живе мільйони років
Той факт, що живі клітини, ймовірно, перебувають у стані неросту протягом дуже тривалого часу, піднімає два важливих питання. Чи може мікроб бути пристосований так, щоб уникати поділу клітин протягом тисячоліть або довше, а не щоб це відбувалося випадково? І якщо так, то як працює еволюція для організму, який, здається, ніколи не має нащадків?
Розгляньмо перше питання, сформулювавши його таким чином, щоб краще зрозуміти це відкриття в контексті дарвінівської еволюції. Чи ці мікроби еволюційно адаптовані до існування в цьому неактивному, сплячому стані протягом тисячоліть або мільйонів років, чи вони просто зберігаються, тому що клітинам не потрібні жодні особливі адаптації, щоб залишатися живими так довго?
Мені здається малоймовірним, що життя протягом сотень тисяч років відбудеться без адаптації. Для підтримки такого способу життя потрібно занадто багато фізіологічних змін, щоб він був побічним ефектом “нормального” швидкого темпу життя. Крім того, якщо цей спосіб життя випадковий, то їхня основна підтримка росту повинна відбуватися в якомусь іншому місці. Але ми рідко бачимо ті види мікробів, які ми знаходимо під морським дном, деінде. Це не так, ніби вони були звичайними морськими мікробами, які щасливо плавали, ділилися та росли, коли вони падали на морське дно і забували померти.
Навпаки, більшість цієї дуже різноманітної групи мікробів, здається, існує лише в морських відкладеннях. З огляду на це, вони можуть бути так само відібрані для морських відкладень, як папуги для тропічного лісу. Справді, ми виявили, що зі збільшенням глибини в морських відкладеннях мікроби виробляють ферменти з вищою специфічністю до типу субстратів, доступних під поверхнею, що свідчить про те, що вони спеціально адаптовані до цього середовища.
Підземні мікроби також мають адаптації, які забезпечують надповільний метаболізм та поділ клітин. Це говорить про те, що вони якимось чином еволюційно схильні до тривалого перебування в стані незростання. Але тут у нас є проблема. Відповідно до теорії природного відбору Дарвіна, ці клітини повинні рости та створювати нове потомство, щоб еволюціонувати. Природний відбір працює тому, що під час розмноження організми зазнають мутацій. А коли в організму відбувається корисна мутація, ця мутація підвищує його пристосованість, тому потомство організму перевершує потомство немутованих організмів, що призводить до появи більшої кількості потомства з мутацією. Ці подальші покоління продовжують розвиватися краще, ніж немутовані лінії, і зрештою мутація поширюється по всій популяції.
Вуаля, адаптація відбулася шляхом природного відбору. Але як ми можемо взагалі думати про дарвінівську еволюцію в популяціях, які не розмножуються? Як можна адаптуватися, щоб не мати дітей? Не думаю, що Дарвін мав на увазі відсутність зростання, коли описував виживання найпристосованіших.
На щастя, у нас є гарна модель короткострокового сезонного спокою. Тут зимовий спокій має еволюційну перевагу, оскільки сплячі організми мають більші популяції, щойно навесні стають сприятливими умови для повторного росту. Таким чином, ці організми мають фору перед іншими організмами та можуть передавати свої гени спокою більшій популяції потомства навесні та влітку.
Це хрестоматійний дарвінівський природний відбір. Давайте поширимо цю модель на стан спокою, який триває тисячі років у морських осадах. Нам потрібно уявити собі подію, на яку могли б чекати внутрішньоземні створіння, щоб вивести їх зі стану спокою, коли вони поховані на глибині сотень метрів у земній корі. Якщо ми зіткнемося зі сплячим мікробом у ґрунті взимку, ми можемо припустити, що він чекає, щоб знову почати рости влітку. Яка еквівалентна ситуація для глибоко похованого організму в морських осадах, який перебуває у стані спокою протягом тисяч і мільйонів років?
Давайте проведемо уявний експеримент, щоб позбутися неявних уявлень про тривалість життя. Уявіть, що людське життя триває лише близько 24 годин. Ви б народилися опівночі, повстали б проти батьків за сніданком, оселилися б і народили дітей безпосередньо перед обідом, а риболовлю б почали б використовувати як хобі на пенсії приблизно під час вечері. До півночі ваші близькі, які самі народилися лише кілька годин тому, тулилися б ближче один до одного та тримали б вас за руку, поки ви мирно помираєте в похилому віці. Якби всі так робили, сотні людських поколінь з’являлися б і зникали протягом однієї зими. Протягом цього проміжку часу, який представляв би значну частину історії людства, листяні дерева залишалися б коричневими та млявими.
Що, якби люди жили лише 24 години, і це була зима? Ми б, ймовірно, повірили, що листяне дерево постійно позбавлене листя. (Зображення: DNY59/Getty Images)
Постійна мертвість дерев вважалася б незаперечним фактом, і такі вчені, як я, ймовірно, писали б гранти, щоб зрозуміти, чи живі дерева, враховуючи, що вони, здається, не ростуть і не дають потомства. Звичайно, якщо зазирнути досить далеко в минуле, люди були б присутні восени чи навіть влітку, але це могло бути так багато поколінь тому, що стабільної форми писемності ще не було винайдено.
Ми, люди, чия тривалість життя становить 100 років, знаємо, що дерева тільки й чекають, щоб скористатися літнім сонцем. Але люди, які живуть протягом дня, були б збентежені. Коли ми думаємо про життя під землею, чи схожі ми на людей, які живуть протягом дня, споглядаючи дерево? Чи довгоживучі внутрішньоземні створіння чекають на сигнали пробудження, які ми не розпізнаємо, бо наше життя занадто коротке, щоб їх побачити? Який взагалі сенс жити сотні тисяч років?
Має бути якась причина, чому ці внутрішньоземні створіння залишаються так довго. Існують докази того, що тривалий стан спокою має вибіркову перевагу. Коли ви дозволяєте лабораторній робочій конячці Escherichia coli сидіти без їжі місяцями або навіть роками, багато клітин переходять у стан тривалого спокою, коли вони живі та метаболізуються, але ростуть не так швидко, як коли ви їх годуєте. Якщо ви змішаєте цю майже мертву кишкову паличку зі свіжою порцією швидкозростаючої кишкової палички та заморите їх обох голодом, старі дядьки виб’ють живих дітей з милих маленьких молодят.
Ця перевага росту в стаціонарній фазі (GASP) може бути секретом того, чому внутрішньоземні створіння живуть так довго. Можливо, вони чекають на щось, що станеться лише через тисячі років, щоб саме вони могли скористатися новою ситуацією. Вони можуть діяти як ченці, звиклі до злиднів, поки навколо них вмирають ненажери.
Життя в геологічних часових шкалах
То чого ж ці мікроби-ченці чекають, щоб прокинутися? Сезонні цикли занадто швидкі. Єдине, що достатньо повільно, це геологічні процеси. Наприклад, опускання островів, повені, посухи чи шторми часто відбуваються з циклами від ста до тисячі років. Підводні зсуви, землетруси, цунамі та виверження вулканів можуть переміщувати матеріали в ще довших часових масштабах, відкриваючи внутрішньоземним створінням доступ до нових джерел їжі, які виводять їх зі стану спокою після сотень тисяч років.
Чи можуть мікроби, які ми очікуємо на такі події, як виверження вулканів, завершити свій стан спокою? (Зображення: Salvatore Allegra/Anadolu via Getty Images)
Здається дивним стверджувати, що мікроб пристосований чекати на щось таке рідкісне, як виверження вулкана, але історія Землі показує, що на виверження вулканів можна покладатися, якщо у вас є час їх чекати.
Якщо ми дійсно дамо волю своїй уяві, окремі мікроби можуть адаптуватися до подій із ще довшими періодами, таких як льодовикові цикли, які зміщуються приблизно кожні 30 000 років. Або повільний рух тектонічних плит. Коли нове морське дно з’являється в серединно-океанічних хребтах, існуюче морське дно постійно відштовхується від середини океану, як людина, що стоїть на рухомому тротуарі в аеропорту. Морське дно зрештою збивається з континентом у найповільнішій аварії поїзда в історії. Деякі осадові породи та внутрішньоземні створіння, які в них живуть, будуть затягнуті субдукуючою плитою вниз, щоб зрештою бути розчавлені за температур і тиску, які вбивають усе життя, яким ми його знаємо.
Навіть для екстремофілів затягування аж до мантії безумовно було б еволюційним глухим кутом. Однак деякі осадові породи, що знаходяться на ранніх стадіях субдукції під континентальними плитами, можуть бути повернуті назад через тріщини та розломи, що відкриваються в перекриваючій плиті. Під час цього зіткнення деякі осадові породи морського дна піднімаються вгору в акреційних призмах та супутніх розломах, утворених землетрусами або іншими деформаціями плит.
Чи може все це накопичення, розломи та виривання на поверхню бути тим, чого чекають внутрішньоземні створіння? Розглянемо наслідки. Це означатиме, що окремі мікробні клітини, які ми піднімаємо на наших бурових кораблях, що, здається, перебувають у стані спокою, просто терпляче чекають, поки надповільний рух плит стисне їх у континент, де вони матимуть шанс знову вийти на поверхню та відновити ріст.
Еволюційною нагородою за мільйони років очікування в глибоких морських відкладеннях було б повернення на верхні шари морського дна, де їжа є більш поживною, і в цей момент мікроб передавав би свої гени майбутнім поколінням. Як і в будь-якому стандартному дарвінівському природному відборі, особини, які мають найкращу адаптацію до стану спокою протягом мільйонів років, матимуть перевагу в зростанні, коли повернуться на поверхню, що забезпечить стабільність цих адаптацій у спільнотах. Чи є повернення в поверхневі відкладення внутрішньоземним варіантом літа?
Адаптовано з книги «ВНУТРІШНЬОЗЕМНІ ЖИТТЯ: ВІДКРИТТЯ НАЙДИВНІШОГО ЖИТТЯ НА ЗЕМЛІ». Авторське право © 2025 належить Карен Ллойд. Передруковано з дозволу видавництва Принстонського університету.
Було $27.95, тепер $16.08 на Amazon
Внутрішньоземні істоти: Відкриття найдивнішого життя на Землі Тверда обкладинка – доступно на Amazon
Розповідь біолога з перших вуст про пошуки життя під поверхнею Землі та про те, як нові відкриття ставлять під сумнів наші найпростіші припущення про природу життя на Землі.
Переглянути пропозицію
Sourse: www.livescience.com