Gelmių gyvybė: keisti sutvėrimai giliai po mūsų kojomis

Pietų Afrikos aukso kasyklose šliaužioja demonai, turintys į botagą panašią uodegą ir nepasotinamą apetitą. Tačiau kalnakasių jie nebaugina. Šie demonai nuoga akimi vos įžvelgiami.

Tačiau Žemės gyvybę tiriantiems žmonėms tai didelė naujiena. „Atradimas mane pribloškė,“ sako Tullisas Onstottas, geologas iš Princetono universiteto, atradęs šiuos nematodus, plaukiojančius vandens pripildytuose Beatrix aukso kasyklos plyšiuose 2011 m.

Iš tiesų sudėtingi organizmai neturėtų sugebėti išgyventi taip giliai po žeme. Gyvūnų išgyvenimui būtino maisto ir deguonies trūksta jau vos kelių dešimčių metrų gylyje, nekalbant apie 1,3 kilometrų gelmę. Dėl kirminų skleidžiamos mitinius demonus primenančios šviesos, Onstotto komanda pavadino juos Halicephalobus mephisto, pagal Mefistofelį, Daktaro Fausto asmeninį nelabąjį.

Keliaudami dar giliau į Pietų Afrikos plutą, jie rado daugiau siurprizų. Leisdamiesi į TauTona, giliausią šalies aukso kasyklą, 3,6 kilometrų gylyje jie aptiko kitą nematodų rūšį – kol kas tai giliausiai gyvenantis sausumos gyvūnas (Nature, vol 474, p 79).

Žinome, kad Žemės plutos gelmės priglaudė izoliuotas ekosistemas, kurių gyventojai paneigia daug priimtų biologijos taisyklių. Yra mikrobų, kurių metabolizmas toks lėtas, kad jie gali būti milijonų metų senumo; bakterijos, išgyvenančios be Saulės energijos; ir gyvūnai, darantys tai, ko jokie gyvūnai daryti neturėtų – praleisti visą savo gyvenimą be deguonies. Šis keistas zoologijos sodas gali suteikti įžvalgų apie gyvybės kilmę ir jos vystymosi kryptį. Jis net gali padėti mums ieškoti gyvybės kituose pasauliuose.

Tai būtų ironiška. Didžiąją XX a. dalį mažai kas įtarė, kad Žemės gelmėse išvis galėtų būti kokios nors gyvybės, nekalbant jau apie besiraitančius kirminus ar ropinėjančius vabalus. Biologai ieškojo gyvybės ženklų Marse daug seniau, nei nukreipė žvilgsnius žemyn. „Vyravo nuomonė, kad Žemės gelmės sterilios,“ sako Barbara Sherwood Lollar, Toronto universiteto Kanadoje geologė, irgi tirianti Pietų Afrikos aukso kasyklas.

Šiam įsigalėjusiam požiūriui pakeisti prireikė atominio ginklavimosi varžybų. Devintajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje JAV planavo užkasti hermetiškus konteinerius su radioaktyviomis atliekomis po atominės pramonės įmonėmis, o Energijos departamentas (ED) buvo susirūpinęs, kad giliai gyvenantys mikrobai, jeigu egzistuoja, galėtų pergraužti dangčius. 1987-aisiais, norėdama numalšinti baimes, ED finansavo mokslininkų komandą ieškoti gyvybės gręžiniuose, esančiuose žemiau Savannah upės įmonės Pietų Karolinoje. Bendram nustebimui, jie rado bakterijų ir vienaląsčių organizmų archėjų 500 metrų gylyje.

Neilgai trukus, buvo išsiaiškinta, kad giluminė gyvybė ne tik įmanoma, bet ir labai gausi. 1992 metais Johnas Parkesas, dabar dirbantis Kardifo universitete, JK, išsiaiškino, kad Japonijos jūros dugno nuosėdose knibžda gyvybė. Netgi 500 metrų žemiau jūros dugno kiekviename kubiniame purvo centimetre jis rado 11 milijonų mikrobų (Nature, vol 371, p 410).

Šis atradimas implikavo nepaprastas išvadas. Netgi jei imsime domėn, kad Žemės vidaus karštis užmuštų bet ką, giliau nei 4 kilometrai nuo paviršiaus, pakaktų vietos nemažai planetos gyvybės daliai. Vertinimai kinta nuo mažiau, nei 1 procento pasaulio biomasės iki 10-ies procentų, nors reikia daugiau kruopščių Žemės plutos tyrimų tokio skaičiaus patvirtinimui.

O kol kas dėmesys nukrypo į svarbius klausimus apie giliuose požemiuose mikroorganizmams tenkančius iššūkius. Sąrašo viršuje – kaip jie gali maitintis tokiose nederlingose vietose. Pavyzdžiui, jūros dugno mikrobai per tūkstančius metų turėjo būti palaidoti po nuosėdomis. Turėdami tik nedaug maistingųjų medžiagų iš aplinkinio purvo ir be jokio maisto šaltinio, mikrobai jau seniausiai turėjo mirti iš bado. Išties, kadangi šie mikrobai, tyrinėjant pro mikroskopą, buvo neįprastai apatiški, kai kurie skeptikai teigė, kad tai tiesiog puikiai išsilaikę seniai mirusių ląstelių palaikai, o ne gyvi organizmai.

Tačiau Yuki Morono iš Japonijos Jūros ir žemės mokslų ir technologijų agentūros Nankoku mieste, 2011 metais atrado ne tai. Jo komanda paėmė ląsteles iš 220 metrų žemiau dugno lygio Ramiajame vandenyne šalia Japonijos 460 000 metų senumo nuosėdų, ir padėjo į maistinę terpę, žymėtą stabiliais anglies ir azoto izotopais. Po dviejų mėnesių Morono rado izotopų pėdsakų trijuose ketvirčiuose ląstelių (PNAS, vol 108, p 18295). Jos tebebuvo gyvos, nors iš elgesio to pasakyti nebuvo galima.

„Jų gyvenimai tokie lėti, palyginus su mūsiškiu,“ sako Morono. „Tikrai nelengva atskirti gyvas ir mirusias ląsteles.“ Jų išgyvenimo raktas – neįtikėtinai lėtas metabolizmas, leidžiantis skurdžiais maisto ištekliais tenkintis ištisus tūkstantmečius.

Matusališkieji mikrobai

Toks gyvenimo stilius atrodo itin asketiškas, bet palyginus su Hanso Røy'aus ir kolegų iš Aarhus universiteto Danijoje atrastomis ekosistemomis, jos – rojaus sodai. Ramiojo vandenyno dugno gręžiniuose jie atrado bakterijų ir archėjų nuosėdose, kurioms 86 milijonai metų – 20 milijonų metų iki dinozaurų išnykimo. Ląstelių sulėtėjęs metabolizmas rodo, kad visą šį laiką jos laikėsi itin griežtos dietos. Taip smarkiai suvaržytos, populiacijos labai retos, jų tankumas tėra 1000 ląstelių kubiniame nuosėdų centimetre (Science, vol 336, p 922).

Tokiose izoliuotose nuosėdų kišenėse evoliucija gali veikti visai kitaip. „Jei vos vos pakanka energijos vienos ląstelės poreikiams, dalinimasis būtų tolygus savižudybei,“ sako Røy'us. Mikrobai šiose priešistorinėse nuosėdose pastangas gali nukreipti savo mašinerijos taisymui užuot kvaršinę galvas veikla, dėl kurios daugelis kitų organizmų ir gyvena: dauginimosi.

Jei šios idėjos teisingos, kai kurie šių organizmų galėtų būti tarp seniausių planetos sutvėrimų. „Iš visko sprendžiant, tose aplinkose esančioms ląstelėms gali būti milijonai metų,“ sako Katrina Edwards iš Pietų Kalifornijos universiteto.

Kokie keisti jie beatrodytų, matusališkieji mikrobai, gyvenantys žemiau jūros dugno, yra gana paprasti, palyginus su organizmais, randamais Žemės sausumos plutoje. Tarkime, viena bakterijų rūšis, gyvenanti Pietų Afrikos Mponeng aukso kasykloje, kurios maisto grandinė prasideda nuo aplinkinių uolų mineralų radioaktyviojo skilimo.

Vien šių mikrobų radimvietės pasiekimas gali būti fiziškai sekinantis darbas, pasakoja Sherwood Lollar, padėjusi atrasti šias bakterijas. „Su kalnakasių pamaina leidiesi kabinomis 7 valandą ryto ir vietą pasieki tik pusę vienuoliktos.“ Nepakeliamai aukštoje temperatūroje ir drėgmėje tyrėjai teturi keletą valandų surinkti pavyzdžius iš vandens kupinų plyšių šachtos sienose. „Tada apsisuki atgal ir keliauji atgal į viršų.“ – prisimena ji.

Iš pirmo žvilgsnio kristalinės uolos atrodo dar bergždesnės, nei vandenyno nuosėdos; susiformavusios senais priešistoriniais laikais, jos beveik negavo organinių medžiagų netgi labai tolimoje praeityje. Regis, čia neįmanoma rasti maisto, bet bakterijos geba išlaikyti savo skurdų egzistavimą. Jų paslaptis? Uranas. Šio elemento branduoliams skylant, vyksta radiolizė – radiacija skaldo vandens molekules ir išsiskiria laisvas vandenilis. Tada bakterijos sujungia vandenilį su sulfato jonais iš uolienų, gaudamos pakankamai energijos gyvybės palaikymui (Science, vol 314, p 479).

Taip maitindamosi, šios bakterijos priklauso rinktiniam klubui rūšių, išgyvenančių be jokio Saulės indėlio (žr. „Kur Saulė nešviečia“). „Sakyčiau, energijos šaltinis visiškai nepriklauso nuo fotosintezės šaltinio,“ pažymi Li-Hung Lin iš Taivano Nacionalinio universiteto Taipėjujuje, vadovavęs bakterijas atradusiai komandai.

Nors tokie atradimai praplečia žinias apie gyvybę Žemėje, ilgai atrodė, kad tokių giliai tūnančių organizmai įvairovė apsiribos paprastomis, vienaląstėmis gyvybės formomis: bakterijomis, archėjais ir keletu kitų šiek tiek sudėtingesnių grybų ir amebų. Nors visi šie organizmai stulbinantys jau patys savaime, jie nėra labai gyvybingi.

Tada Onstotto demoniškieji kirminai parodė, kad gyvūnai gali gyventi kilometrų gylyje. Nors jie vos pusės milimetro ilgio, bet vis vien šimtus kartų didesni ir daug sudėtingesni už kitus gelmių gyventojus. „Įvairovė Žemės plutoje didesnė, nei kada įsivaizdavau,“ pažymi Onstottas.

Tačiau demoniškieji kirminai į kasyklas atvyko tikriausiai gana neseniai. Aplinkinio vandens izotopinis datavimas rodo, kad gelmes jie tikriausiai pasiekė tik maždaug prieš 12 000 metų, tikriausiai pasroviui su gilyn prasisunkusiu gruntiniu vandeniu. Svarbu, kad vandenyje tebėra deguonies nuo paskutinio jo kontakto su atmosfera. Kai deguonis bus sunaudotas, kirminai išnyks ir jų trumpas, evoliuciniais mastais matuojant, vizitas baigsis.

Bet kai kuriems gyvūnams išsivystė gebėjimas ilgai išgyventi tokiomis dusinančiomis sąlygomis, pavyzdžiui, kaip vienam radiniui iš Viduržemio jūros dugno. Atrasti 2010-aisiais, šie neįprasti Loricifera tipo atstovai primena mažus, negyvus naminius augalus – kartu su vazonais. 250 mikrometrų ilgio gyvūnai turi vazos pavidalo šarvuotą kiautą, ar korsetą, ir iš jo angos kyšančias susivėlusias į čiuptuvus panašias ataugas.

Tačiau ne jų išvaizda labiausiai glumina biologus. Antonio Pusceddu su kolegomis iš Marche Politechnikos universiteto Ancona'oje, Italijoje, išsiaiškino, kadLoricifera išvystė unikalų metabolizmą, kuriam, kitaip, nei visiems kitiems gyvūnams, nereikia deguonies. Jų ląstelėse visiškai nėra mitochondrijų, organelų, teikiančių energiją kitiems gyvūnams. Vietoje to, energiją jie gauna iš vandenilio sulfido, naudodami hidrogenosmų organelas (BMC Biology, vol 8, p 30).

Nėra deguonies, nėra problemų

Williamui Martinui iš Dusseldorfo universiteto Vokietijoje, Loricifera yra įrodymas, kad deguonis nėra sudėtingų gyvūnų atsiradimo raktas. Tačiau jis nurodo, kad radinių vangumas kai kuriems skeptikams iškėlė klausimą – lygiai, kaip kai kurie kritikai manė, jog neaktyvūs požemių mikrobai mirę. „Kai kurie tyrėjai norėtų išvysti nepriklausomų tyrimų patvirtinimą, kad Loricifera tikrai gyvi,“ sako jis.

Jei toks patvirtinimas pasirodys, jis suteiks viltis, kad gelmių gyvybė gali būti daug sudėtingesnė, nei kas įsivaizdavo. Tai pranašautų sėkmę dviems naujiems projektams – Gelmių gyvybės surašymui (Census of Deep Life) ir Tamsiosios energijos biosferos tyrimų centrui (Center for Dark Energy Biosphere Investigations), – kurie per keletą metų pasiryžę sukataloguoti požeminę gyvybę.

Be geresnio supratimo apie dabartinę Žemės gyvybę, tyrimų rezultatai taip pat gali leisti žvilgtelėti į mūsų ankstyvąsias ištakas. Ar bent jau Pietų Afrikos radiolize varomos bakterijos galėtų suteikti mums naują požiūrio tašką, žvelgiant į molekulinę mašineriją, leidusią klestėti gyvybei dar iki fotosintezei pertvarkant mūsų planetą. Kai kas eina dar toliau, teigdami, kad pati gyvybė atsirado po žeme.

„Gyvybės atsiradimo metu vyko audringi geologiniai procesai,“ pažymi Sherwood Lollar. „Yra stiprių argumentų svarstymui, kad gyvybė atsirado mažuose šiltuose plyšeliuose, kur ji buvo apsaugota nuo intensyvaus asteroidų bombardavimo ar Žemę svilinančių mirtinų ultravioletinių spindulių.“ Tai jokiu būdu nėra plačiai pripažįstama teorija: daugelis mano, kad gyvybės lopšys buvo okeanų hidroterminiai šaltiniai.

Bet net jei šie plutos plyšeliai ir nebuvo pirmųjų gyvybės formų gimimo liudininkai, jie tikrai galės būti paskutiniu organizmų prieglobsčiu mūsų planetos gyvavimo pabaigoje. Pernai Jackas O'Malley-Jamesas su kolegomis iš St Andrews universiteto, JK, sumodeliavo tikėtiną gyvybės likimą, senstančiai Saulei vis prastinant sąlygas Žemėje.

Modelis rodo, kad maždaug po milijardo metų nuo dabar vandenynai ims išgaruoti ir vienintelė išliksianti gyvybė bus mikrobai giliai po Žemės paviršiumi, kur jie galės išsilaikyti dar milijardą metų (International Journal of Astrobiology, doi.org/ktf). Nepaisant visos tropinių miškų, savanų ir koralų rifų didybės, gelmių gyvybė mūsų planetoje tikriausiai išliks ilgiau.

Taip pat gali būti ir kituose pasauliuose. „Gelmių biosferos tyrimų rezultatai visiškai keičia gyvybės kitose planetose paieškų strategiją,“ mano Sherwood Lollar. „Vikingų ekspedicijos į Marsą aštuntajame dešimtmetyje gyvybės ieškojo paviršiuje. Dabar žinome, kad daug labiau tikėtina gyvybės ženklus rasti po paviršiumi.“ O atradus Loricifera, atsinaujino ir sudėtingesnių gyvybės formų radimo viltys.

Tačiau kol kas daugelio žvilgsniai krypsta žemyn. „Tai paskutinė neištirta planetos dalis,“ pažymi Pusceddu. „Ateityje galime tikėtis atrasti dar nuostabesnių gyvūnų ir vienaląsčių organizmų.“ Atrodo, dar tik pakrapštėme paviršių.