Жизнь в точке кипения

Невероятно, но факт: многие микроорганизмы нормально развиваются при температуре около 100 °С, то есть в условиях, совершенно неприемлемых для большинства живых существ. Когда американский микробиолог Томас Брок в 1968 г. впервые доложил на конференции результаты своих исследований по этому вопросу, многие его коллеги сочли, что он сумасшедший, а его сотрудникам советовали поискать работу в другом месте. И для этого были все основания.

Все началось с того, что Брок поместил в горячие источники Йеллоустонского национального парка (с температурой воды, близкой к точке кипения) стеклянные диски с надеждой, что на них образуются колонии живущих в этой воде микроорганизмов. В те годы наивысшей температурой, при которой могла существовать жизнь, считали 70 °С. Однако уже через несколько дней пластинки Брока покрылись тонким слоем микроорганизмов, и биолог удостоверился, что даже там, где температура никогда не падала ниже 100 °С, существует жизнь.

Шло время, и фантастические результаты Брока подтверждались другими исследователями. Оказалось, что и в кипящих серных источниках Сицилии, и в горячих грязевых скважинах Исландии, и на дымящихся угольных отвалах, и даже на дне моря, где имеются вулканические горячие источники или серосодержащие глубинные слои воды, существуют микроорганизмы. Постепенно эти неизвестные ранее живые существа стали важным объектом исследований биологов. Прежде всего ученые заинтересовались особенностями обмена веществ этих микроорганизмов и попытались найти им место в общей эволюционной картине живого мира.

К концу 70-х гг. биологи пришли к заключению, что эти удивительные организмы занимают промежуточное положение между “нормальными” бактериями и синезелеными водорослями, с одной стороны, и организмами с восемью клеточными ядрами, являющимися уже эукариотами, - с другой. Первое доказательство того, что обнаруженные микроорганизмы имеют более близкие родственные связи с высокоразвитыми живыми организмами, чем с обычными бактериями, было получено в 1990 г. Оказалось, что в их наследственном материале присутствуют многократно повторяющиеся нуклеотидные последовательности и интроны, характерные для хромосом и генов этих организмов.

К началу 1994 г. американскими биологами было обнаружено, что обменные процессы реликтовых бактерий поддаются регуляции даже человеческими ферментами. Заняв определенное место в живом мире, бактерии–любители кипятка должны были получить имя. С 1977 г. их стали называть древними (археологическими) бактериями, или архебактериями, подчеркивая их реликтовость. Итак, большинство ученых считают, что архебактерии относятся к одной эволюционной линии с эукариотами и примерно за 3 млрд лет своего существования изменились мало, тогда как из древних эукариот развились многочисленные виды грибов, растений и животных. Эволюция происходит только в тех случаях, когда живая система делает “ошибки”, но обязательно полезные в данных условиях отбора. Но тогда получается, что архебактерии, раз они не менялись, - пример изначально “безупречной” живой системы? Или сегодняшние условия их жизни ничем не отличаются от доисторических?

Эволюционные систематики совсем недавно выделили из архебактерий отдельную группу микроорганизмов, живущих в морских глубинах при высоком давлении и температуре свыше 100 °С. Они получили название эоцитены (клетки утренней зари). Исследования их наследственного материала показали, что они, возможно, являются самыми древними из ныне существующих форм жизни. Так, может быть, жизнь на Земле зародилась не тогда, когда прибрежные воды стали умеренно теплыми, а гораздо раньше, в кипящем первозданном океане? Существование архебактерий говорит о том, что это вполне возможно. По мнению зоологов и геологов, 3,8 млрд лет тому назад температура земной поверхности достигала 100° С. В земной коре имелись вулканические трещины, а атмосфера Земли состояла из оксидов углерода и азота. Можно предположить, что вскоре после возникновения термофильные микроорганизмы с твердой оболочкой распространились по всей Земле. Эти организмы превращали большие количества СО₂ в известковые отложения. Вследствие такой активности бактерий уменьшалось содержание углекислого газа в атмосфере, Земля постепенно остывала, что в конечном итоге создало условия для возникновения и других форм жизни. Изучение же архебактерий помогает понять, что представляли собой первые жизненные формы, обитавшие преимущественно там, где условия напоминали преисподнюю: жара, соль, сера и углекислота.

Экологически самыми интересными являются архебактерии океанических глубин. Они живут там, где из трещин морского дна бьет ключом горячая магма. Морская вода, проникающая в трещины, нагревается и под высоким давлением, обогащенная сероводородом и ионами металлов, устремляется вверх. Там, на холоде, растворенные минеральные вещества выпадают в осадок, и со временем на морском дне вырастают высокие столбы отложений, так называемые черные курильщики. В таких условиях некоторые архебактерии начинают строить единственную в своем роде питательную цепь. Они добывают энергию, окисляя сероводород, и из диоксида углерода и воды образуют органические молекулы - подобно тому, как это делают растения, используя энергию солнечного света. Синтезированной археобактериями-продуцентами (но только не фото-, а хемосинтетиками) органикой питаются обитающие здесь же консументы первого порядка - трубчатые черви и моллюски. В качестве консументов второго порядка выступают рыбы и крабы. Вместе они составляют совершенно уникальное сообщество, цепь питания которого не зависит от фотосинтеза.

Рекорд тепловой толерантности принадлежит бактериям из семейств, названных звучными именами “Метан-огонь” (Metanopyrus) и “Огненная сеть” (Pyrodictium). Они чувствуют себя хорошо, даже если жидкая питательная среда нагрета при слабом давлении до 110° С - температуры, при которой микробиологи обычно стерилизуют свою лабораторную посуду. Найденные в зоне разломов подводного итальянского вулкана Инзель микроорганизмы лучше всего растут при температуре, близкой к 100° С, а при падении температуры ниже 80° С “коченеют от холода”.

Почему белковые молекулы гипертермофильных бактерий при такой температуре не разлагаются или не денатурируют, подобно яичному белку, - неясно до сих пор. Однако известно, что молекулы ферментов гипертермофильных организмов, не отличаясь от ферментов обычных бактерий по своему составу, характеризуются удивительной компактностью. Эту особенность термостабильных ферментов ученые склонны рассматривать как первичную. Разрыхление структур ферментов при понижении температуры, по-видимому, является приспособлением к более холодной окружающей среде. Важную роль в стабилизации молекулярных структур играют, вероятно, внутриклеточные цилиндрические белковые комплексы - термозомы, которые были открыты несколько лет назад. По-видимому, они помогают возвращать деформированные молекулы в исходное (нативное) состояние. Так же хорошо, как и при высоких температурах, некоторые архебактерии чувствуют себя в насыщенных солевых растворах, сильных кислотах или щелочах. Например, солелюбивые галобактерии обитают в соленых водах морей и даже на вяленой рыбе. Некоторые прекрасно себя чувствуют в кипящих растворах серной кислоты с рН=1 (рис. 1), другие - терпимы к щелочам, губительным для всех прочих организмов.

Но каков механизм поддержания внутриклеточной среды архебактерий на почти нейтральном уровне, неизвестно и сегодня. Живя в агрессивной среде, архебактерии сохраняют неповрежденными не только белки, но и нуклеиновые кислоты - свой наследственный материал. Вероятно, тонкая белковая оболочка способна эффективно предохранять ДНК от разрушения. Сегодня к выделенным из архебактерий термостойким ферментам проявляют интерес не только микробиологи, но и биотехнологи. Термостабильные энзимы используются в моющих средствах, при очистке горячих сточных вод, на бумажных фабриках, при приготовлении биосенсоров. Интересны для практического применения и галобактерии. Они могут быть использованы для диагностики рака и тестирования противораковых препаратов. Особенно важным является содержащееся в окрашенной в фиолетовый цвет мембране галобактерий вещество бактериородопсин. Окраска его молекулы меняется в зависимости от длины волны падающего на нее света, например может возникать и исчезать благодаря облучению фиолетовым и желтым светом. Изменением цвета бактериородопсина можно управлять. Уже существуют пленки из этого вещества, которые предназначаются для создания голограмм. В настоящее время ученые исследуют их техническую пригодность для хранения больших массивов информации.