Инопланетяне глазами науки
Шрифт:
Относительная кислотность или щелочность раствора указывается по шкале рН, которая является мерой концентрации ионов водорода в растворе. Нейтральные растворы имеют рН 7,0. Значение рН менее 7,0 указывает на кислотность (повышенную концентрацию ионов водорода), а выше 7,0 — щелочность (пониженную концентрацию ионов водорода). Многие важные молекулярные процессы внутри живых клеток протекают в очень узком диапазоне рН. Следовательно, чтобы жить, клетки должны регулировать внутренний уровень рН. Уровень рН может локально отличаться в пределах организма; однако у большинства тканей он находится в пределах одной единицы рН от нейтрального значения.
Хотя в этом разделе мы уделяем особое внимание эукариотам, я хотел бы оставить комментарий в отношении нескольких ацидофильных бактерий. Многие из бактерий растут в диапазоне значений рН, близких к нейтральным, от 5,0 до 8,0, хотя немногие виды бактерий приспособились к жизни в более кислых или щелочных условиях. Например, когда в ходе горных работ угольные пласты подвергаются воздействию воздуха, залежи пиритного сульфида железа
Озеро Накуру, африканское содовое озеро с рН около 10, — это дом для многочисленных форм жизни. На озере Накуру живут миллионы фламинго, которые питаются цианобактериями вроде спирулины, растущей в озере. Каждый день фламинго сбрасывают в озеро 15,6 тонны фекалий и мочи в сухом весе, которые дают питание стабильному урожаю прокариот, не относящихся к цианобактериям. В озере также процветают двадцать различных гетеротрофных (бактерии, нуждающиеся в органическом источнике углерода — см. примечание 8) видов простейших и три вида коловраток (многоклеточных водных беспозвоночных). {25}
25
Подробнее об алкалофилах см. Curds et al. (1986), Finlay et al. (1987) и Kroll (1990).
Может ли инопланетная форма жизни существовать в чрезвычайно солёной воде? Уровень солёности — это количество растворённых солей, которые присутствуют в воде. Природные воды различаются по солёности — от почти чистой воды, лишённой солей (например, талая снеговая вода), до насыщенных растворов в солёных озёрах вроде Мёртвого моря, в котором концентрация соли составляет примерно 332 части на тысячу. Экстремальная солёность Мёртвого моря исключает большую часть животной или растительной жизни, за исключением галофильных (солелюбивых) бактерий. Рыба, занесённая туда Иорданом или более мелкими ручьями во время наводнения, погибает мгновенно. Если не считать растительности вдоль рек, растительный мир состоит в основном из галофитов — растений, произрастающих на солёной или щелочной почве. Такие экстремальные галофилы, как представители рода Halobacterium, демонстрируют оптимальный рост при 20-30-процентном содержании соли и распадаются при снижении этого уровня солёности. Такие бактерии встречаются в Мёртвом море и даже на солёных рыбе и шкурах.
В сверхсолёных водах обитают очень разнообразные одноклеточные существа, в частности, диатомовые водоросли и жгутиконосцы. Африканские содовые озёра вроде озера Накуру также являются сверхсолёными и при наличии достаточного количества пищи могут обеспечить существование очень разнообразной микробной популяции. Существует также множество видов галофильных и галотолерантных водорослей.
Основной проблемой, с которой сталкиваются галофилы, является контроль их осмотического давления — давления, вызываемого поступлением воды внутрь живого организма и из него. Без такого контроля они могли бы терять воду, уходящую в окружающую среду. Естественная тенденция заключается в том, что вода перетекает из мест, где её концентрация выше, в места, где её концентрация ниже. Я экспериментировал с морскими червями, механизм реакции которых позволяет им вначале набухать, когда они брошены в воду с низкой концентрацией соли, а потом спадаться, когда они брошены в воду с высокой концентрацией соли. Если изменения солёности незначительны, черви могут регулировать расход воды, пытаясь вернуть своим телам нормальный объём. Организм гораздо меньшего размера, Dunaniella salina, синтезирует внутриклеточный глицерин в высокой концентрации, чтобы уравновесить внешнее осмотическое давление. {26}
26
Чтобы получить дополнительную информацию о галофилах, см. Rothschild et al. (1994), Gilmour (1990), Grant (1991) и Brown (1990).
Вполне возможно, что инопланетяне могли бы жить в условиях экстремального давления. На Земле мы знаем, что инфузории могут выдерживать циклическое изменение давления от одной до трёх атмосфер в минуту без каких-либо вредных последствий, а на континентальном шельфе, по крайней мере, на глубине 6560 футов (2000 м), существуют многочисленные сообщества эукариот. Поскольку сложные позвоночные обитают в самых глубоких океанах, вполне вероятно, что при наличии достаточного количества пищи гетеротрофные эукариотные микробы встречаются даже на больших глубинах. С другой стороны, многие организмы, обитающие на поверхности, не могут выдержать высокого давления: например, амёбы с увеличением давления теряют способность
27
Подробнее о барофилах см. Bruun (1977), Marsland (1977) и Douglas (1996).
В 1997 году учёные из Японского морского научно-технологического центра в Нацушима Йокосука, Япония (см. примечание 8), обнаружили новый вид морского червя, обитающий на глубине 21 000 футов (6500 м) вблизи дна Японского жёлоба в западной части Тихого океана, где давление в 650 раз выше, чем на уровне моря. Тело червя прозрачно, что позволяет легко разглядеть его внутренние органы. Также в 1997 году были обнаружены другие замечательные морские черви, обитающие в Мексиканском заливе на глубине всего 1640 футов (500 м). Эти ледяные черви являются частью ранее неизвестной глубоководной экосистемы, которая включает грибовидные выходы гидрата метана — разновидности льда, образующегося в иле морского дна. Окружающая среда потенциально очень ядовита, поскольку в этом регионе в воду просачиваются пропан, этан, сульфиды и сырая нефть. К удивлению учёных, на выходах метана были обнаружены сотни плоских безглазых розовых червей, копошащихся на их поверхности.
Самые засушливые регионы Земли также могут обеспечивать существование эукариотной жизни: лишайники растут на камнях и в пустыне Негев, и живые организмы также обитают в сухих песчаных долинах Антарктики, где жидкость, вероятно, не выпадала на протяжении 2 миллионов лет. {28}
Что всё это означает?
В этой главе мы обсуждали жизнь, которая выживает, казалось бы, на грани возможного. На Земле бактерии и их родственники могут жить в экстремальных условиях и способны осуществлять самые необычные обменные процессы. Некоторые существа благоденствуют при температуре свыше 212 градусов по Фаренгейту (100 градусов по Цельсию) в воде под давлением; другие могут пережить замерзание и сохранять активность, если вода остаётся жидкой. Жизнь может процветать под сильным давлением на дне океана, в насыщенных солевых растворах, в кислой и щелочной средах, а также в средах, где нет ни малейшего следа кислорода. Одни существа могут выдерживать такие условия; другим они совершенно необходимы. Если речь идёт о рационе, то существуют формы жизни, которые усваивают железо, серу, водород, кислоты, нефть и ещё более странные вещества. Жизнь существует даже тогда, когда концентрация питательных веществ, получаемых из воздуха или дистиллированной воды, крайне мала.
28
Дополнительную информацию об аридофилах см. Rothschild et al. (1994).
Бактерии и их родня выглядят ещё более неуязвимыми, чем любые инопланетяне, выдуманные авторами научно-фантастических произведений. Бактерии могут плодиться в ядерных реакторах. (Даже насекомые часто довольно устойчивы к радиации.) Бактерии могут жить в вакууме, о чём свидетельствуют бактерии, извлеченные из камеры, возвращённой экипажем «Аполлона-12» после трёх лет пребывания в жёстком вакууме. Бактерии, которые делятся надвое, причём указать родителя невозможно, претендуют на бессмертие, а бактериальные споры, вне всяких сомнений, могут сохраняться веками, а возможно, и тысячелетиями.
В заключение этой главы позвольте мне сделать обзор и обобщение современных научных взглядов на экстремофилов. Первыми формами жизни на Земле, вероятно, были археи, а не бактерии. Чарльз Дарвин предположил, что жизнь эволюционировала в тёплом бульоне из органических молекул, но археи родились в аду: в кипящих сернистых бассейнах или в горячих, насыщенных минералами глубоководных вулканических источниках при температурах выше точки кипения воды. Возможно, общим предком всей жизни на Земле был гипертермофил с метаболизмом, основанным на неорганических веществах вроде углекислого газа или сероводорода. Парадоксально, но экстремофилы жили «в безопасности»: возможно, что дождь из метеоритов и астероидов в ранней истории Земли мало влиял на глубоководные вулканические источники или ведущие под землю трещины на морском дне. В последние годы микробиологи и геологи отследили очень глубокие границы жизни. Они обнаружили живые организмы, запертые на миллионы лет на глубине почти 1,8 мили (3 км) под штатом Вирджиния, микробов, живущих на голых скалах и в воде на глубине 0,9 мили (1,5 км) под Колумбийским плато, и признаки жизни, получающей питание из стекла и богатой минералами воды под срединно-океаническими хребтами. Микробы, изолированные в глубинах на протяжении миллионов лет, приспособились к своей скудной жизни благодаря экзотическому метаболизму и, в некоторых случаях, очень медленному темпу размножения. Эти странные и многочисленные формы жизни определяют облик нашего мира и его вод, и глубину их воздействия мы только начинаем определять. Они могут контролировать химический состав нашей планеты, словно невидимая инопланетная армия — безмолвная, но вездесущая. Если человечество когда-нибудь погибнет в результате ядерной войны или природной катастрофы, эти крошечные обитатели глубин выживут. Возможно, Иисус был прав, когда говорил, что кроткие унаследуют Землю.