Новые возможности для жизни на дне океана Земли и, возможно, в океанах других планет
В странном, тёмном мире океанического дна подводные разломы, называемые гидротермальными источниками, являются средой обитания сложных сообществ жизни. Эти источники извергают обжигающе горячие флюиды в крайне холодную морскую воду, создавая химические силы, необходимые для жизни мелких организмов в этой экстремальной среде.
В новом исследовании биогеохимики Джеффри Дик и Эверетт Шок определили, что специфические условия гидротермальных источников на дне океана создают уникальную среду обитания, где определённые организмы могут процветать. Это открывает новые возможности для жизни в темноте на дне океанов Земли, а также в других местах Солнечной системы. Результаты опубликованы в Journal of Geophysical Research: Biogeosciences.
На суше организмы получают энергию из пищи через процесс клеточного дыхания, включающий потребление кислорода и выделение углекислого газа. Молекулы в нашей пище нестабильны в присутствии кислорода, и эту нестабильность используют наши клетки для роста и размножения — процесс, называемый биосинтезом.
Но для организмов, живущих на морском дне, условия жизни кардинально иные.
"В кислородной атмосфере Земли создание молекул жизни требует энергии. В разительном контрасте, вокруг гидротермальных источников на дне океана горячие флюиды смешиваются с крайне холодной морской водой, создавая условия, где создание молекул жизни высвобождает энергию", — отмечает соавтор Эверетт Шок.
В глубоководных микробных экосистемах организмы процветают в зонах смешения гидротермальной жидкости с окружающей водой. Предыдущие исследования показали, что биосинтез основных строительных блоков клеток, таких как аминокислоты и сахара, особенно благоприятен в местах, где источники сложены ультраосновными породами (с очень низким содержанием кремнезёма), так как эти породы производят больше всего водорода.
Помимо основных блоков, клеткам необходимо формировать более крупные молекулы, или полимеры (биомакромолекулы). Белки — самые распространённые из таких молекул в клетках, и сама реакция полимеризации почти во всех мыслимых средах требует энергии.
"Где есть жизнь, там есть вода, но воду необходимо удалить из системы, чтобы полимеризация стала энергетически выгодной. Таким образом, есть два противоположных энергетических потока: высвобождение энергии при биосинтезе основных блоков и затрата энергии на полимеризацию", — объясняет ведущий автор Джеффри Дик.
Учёные задались вопросом: что получится, если их сложить? Возможно ли образование белков, чей общий синтез в зоне смешения будет энергетически выгодным?
Для решения этой проблемы они использовали уникальное сочетание теории и данных.
С теоретической стороны применялась термодинамическая модель для белков — «групповая аддитивность», учитывающая конкретные аминокислоты в последовательностях белков, а также энергии полимеризации. В качестве данных использовались все белковые последовательности целого генома хорошо изученного организма гидротермальных источников — Methanocaldococcus jannaschii.
Расчёты показали, что общий синтез почти всех белков в геноме высвобождает энергию в зоне смешения ультраосновного источника при температуре оптимального роста этого организма (~85 °C). Напротив, в другой системе источников, производящей меньше водорода (базальтовой), синтез белков энергетически невыгоден.
"Это открытие даёт новую перспективу не только для биохимии, но и для экологии, поскольку предполагает, что определённые группы организмов изначально более благоприятны для конкретных гидротермальных сред", — говорит Дик.
Исследования микробной экологии показывают, что метаногены (к которым относится M. jannaschii) более распространены в системах ультраосновных источников, чем в базальтовых. Благоприятная энергетика синтеза белков в ультраосновных системах согласуется с этим распределением.
В качестве следующих шагов Дик и Шок планируют применить эти энергетические расчёты ко всему древу жизни, что, как они надеются, обеспечит более прочную связь между геохимией и эволюцией геномов.
"Исследуя, мы снова и снова убеждаемся, что никогда не должны приравнивать место, где мы живём, к тому, что пригодно для обитания жизни", — заключает Шок.