Особенности жизни животных в самых холодных и соленых экосистемах

Саманта Джой из Университета Джорджии и Джоанна Лэйборн-Пэри из Университета Тасмании опубликовали в Science два исследования по, соответственно, самым соленым и холодным экосистемам.

Любители рассола

Жидкость, содержащая больше 5% солей, классифицируется как «рапа» и считается непригодной для выживания абсолютного большинства видов. Впрочем, для бактерий это не помеха – отдельные представители выживают и при 35%, что в десять раз превышает среднюю соленость мирового океана. Тем более что стоит один раз приспособиться к такому рассолу, и он защитит от хищников, да и какое-никакое пропитание обеспечит за счет растворенных химических веществ.

Таких «райских уголков» на Земле немало: подземные водоносные пласты, глубоководные морские раповые бассейны, соленые подледные арктические и антарктические озера, и более известные Аральское (соленость 10%) и Мертвое (до 33%) моря. Несмотря на географическую и эволюционную удаленность друг от друга, их редкие обитатели обзавелись одинаковыми приспособлениями, чтобы компенсировать постоянную потерю воды и осмотическую нагрузку. Чаще всего это повышение солености внутриклеточного содержимого, повышение мощности мембранных насосов и перестройка внутриклеточных ферментов. Кроме того, замкнутость и химическая особенность этих водоемов зачастую заставляет микроорганизмы переключить свой рацион на соединения серы, железа и простые углеводороды вроде метана.

Среди экстремофилов встречаются и хищники, и фотосинтезирующие организмы. К первым относится единственное известное животное, сумевшее применить вышеупомянутые теоретические изыскания на практике – артемия (Artemia spp.), небольшой рачок отряда жаброногих. Ко вторым – розовая одноклеточная водоросль Dunaliella salina, ставшая первым видом, обнаруженным в Мертвом море. Но основу этого списка составляют все-таки многочисленные археи и бактерии.

Ферменты, обеспечивающие феноменальную «солеустойчивость», очень похожи во всех упомянутых группах. Джой и соавторы нашли этому два объяснения. Первое -- независимое возникновение «полезных мутаций», благо за сотни миллионов лет эволюции времени было предостаточно. Второе -- перенос «полезных генов» между этими группами, например, с помощью вирусов или за счет включения фрагментов чужих ДНК из окружающей среды, как это делают бактерии или коловратки.

Жизнь во льдах

Лучшее место для изучения холодных экосистем – это Арктика и Антарктика. Причем речь идет не о белых медведях, пингвинах и редких растениях, а о простейших и бактериях, населяющих многочисленные подледные и поверхностные озера. Температура воды в таких водоемах благодаря давлению и растворам солей иногда даже не поднимается выше нуля, что не мешает становлению весьма консервативных пищевых цепей, естественно, с характерными уловками.

В подобных водоемах речь идет обычно не о пищевой пирамиде (в которой число едоков намного меньше, чем число поедаемых), а о почти замкнутом кольце, ведь цена любой пищи очень высока. Традиционные первые звенья – редкие фотосинтезирующие жгутиковые, а также бактерии-хемотрофы, получающие энергию из химических связей минералов. Ими, или их останками, в свою очередь, питаются бактерии и очень-очень редкие представители зоопланктона.

Как показала Лэйдон-Пэри, ключевая особенность полярных водоемов, бедных органическим углеродом, – вирусы. В теплых освещенных водоемах они поражают от 1 до 4% бактерий, в суровых же ледяных водоемах поражены до 34% холодоустойчивых бактерий. Подобное заражение выгодно самим бактериям – образующиеся при разрушении соединения поглощаются их же собратьями, в то время как целые бактерии сами становятся пищей простейших. Равновесие между числом бактерий и вирусов поддерживается за счет небольшой скорости роста и низкой концентрации как первых, так и последних. Да и при каждом случае инфицирования из одной бактерии в среднем «вылупляется» лишь четыре вириона против 26 для теплых водоемов.

И соленый, и холодный

Самое же уникальное место с точки зрения и солености и холода – «кровавые водопады» Сухих долин Макмердо. Периодически выплескивающиеся на поверхность бактерии уже полтора миллиона лет живут в подледном озере без тепла и света. Температура воды в нем не поднимается выше -5°С, питаться тиомикроспирам приходится серой. В отсутствие кислорода, принимающего электроны в клетках большинства наземных организмов, «дышать» этим бактериям остается трехвалентным железом.

Эти бактерии не просто пережидают неблагоприятные условия. Они даже размножаются, правда, очень медленно. Их период удвоения -- примерно 300 дней, что совершенно не сопоставимо с минутами, требующимися гетеротрофам «под ободком унитаза». То есть за 1,5 миллиона лет в озере сменились лишь пара миллионов поколений бактерий.

Как говорят авторы работ, подобные исследования способны не только определить границы возможностей для внеземной жизни, но и радикально усовершенствовать биотехнологические системы.