Что такое темный кислород и с чем его едят?

Летом 2019 года биохимики и микробиологи из Томского госуниверситета (ТГУ) и московского ФИЦ «Биотехнологии» РАН взяли пробы воды из двух скважин. Одна была расположена вблизи поселка Чажемто в Томской области, другая — в курортном городе Белокуриха в Алтайском крае.

Отфильтровав несколько литров артезианской воды, добытой с глубины около 2 км, исследователи вырастили в лаборатории культуру новых бактерий, которые питаются кислородом. Но, перефразируя слова сказки о курочке Рябе, не простым, а «темным». Почему его так называют, откуда под землей кислород, кто им дышит и какое отношение это имеет к поискам жизни на других планетах — читайте в материале «Ъ-Наука».

Бактерии из скважин

Весь кислород в атмосфере, которым дышим и дышали мы и миллиарды других организмов,— это продукт фотосинтеза. Под действием света растения произвели его из воды, а себе из углекислого газа изготовили глюкозу. В то же время существует несколько разных способов образования кислорода и без участия света. Отсюда и название «темный», то есть «бессветовой». 

Несмотря на свое несколько мистическое название, он практически ничем не отличается от «светлого кислорода» (его так, естественно, никто не называет, здесь употребляется как антитеза «темному»). Это одинаковые молекулы газа, состоящие из двух атомов О, просто в синтезе задействована разная химия. И именно благодаря ей питаются бактерии, найденные недавно специалистами из Томска и Москвы. 

«Мы открыли новое семейство — Geochorda, в нем два новых рода и в каждом роде по новой бактерии,— рассказывает автор статьи, заведующая кафедрой физиологии растений, биотехнологии и биоинформатики Биологического института ТГУ Ольга Карначук.— Они сильно различаются по строению: бактерия, обнаруженная в Белокурихе, например, дышит кислородом, но в качестве вещества—донора электронов использует угарный газ, а другая бактерия его не ест. Сначала мы увидели гены, отвечающие за потребление CO. Потом в лаборатории создали конкурентные условия: давали разные вещества бактериям, затем стали убирать их, пока не остался один угарный газ и выжила одна Geochorda».

Чтобы найти такую мелочь, как бактерию, определенно нужно знать, где искать. Скважины, с которыми работали микробиологи (исследование, к слову, проводилось в рамках гранта РНФ №24-14-00396), остались после разведки нефтяных залежей. Порой геологи попадают не в нефть, а в пласты воды — древние артезианские бассейны — и иногда оставляют эти скважины глубиной 2–3 км незапечатанными. А поскольку у исследователей-биологов нет таких денег, чтобы бурить кору земли в поисках микроорганизмов, они исследуют артезианские скважины, брошенные нефтяниками.

«Слово “артезианские” здесь ключевое, поскольку для микробиологов важно показать не только то, что образцы добыты с глубины нескольких километров, но и то, что при отборе проб не случилось загрязнения. Можно ведь случайно занести микроорганизмы с поверхности, а когда вода хлещет из скважины под давлением, вы никак не сможете загрязнить пробы. И в Западной Сибири самый большой в мире артезианский бассейн. Скважины здесь бьют буквально как гейзеры — фонтаном. Бизнес стал их использовать как курорты: минеральные воды, термальные источники»,— делится Ольга Карначук.

Место без солнца

«Темный кислород» за последние несколько десятилетий успели встретить в совершенно разных и неожиданных местах. В отложениях на глубине почти 3 м под Аравийским морем в 2020 году находили семь родов бактерий, питающихся кислородом. Подобную микробиоту обнаруживали в бескислородных осадках Боденского озера в Германии и термокарстового озера на Аляске — бактерии там извлекали кислород из метана и воды. Даже в породах можно найти микроорганизмы, питающиеся кислородом,— они отыскивались в золотом руднике Японии, в кристаллических породах на юге Африки и даже в угольных пластах в Кемеровской области, там бактерии дышали сульфатами.

«Кислорода в виде газа под землей очень мало. Обычно он встречается там, где существует связь с атмосферой. Это очень активный элемент, легко вступает в химические реакции, поэтому в породах его не найти. Он присутствует в осадочном чехле — его свойства в разных частях планеты разные, где-то коренные породы выходят на поверхность, а есть, например, пустыни, где все засыпано песком, который обогащен кислородом, он легко проходит через рыхлую осадочную поверхность. Под землей его зачастую находят в подземных водах или полостях — должна быть среда, где кислород мог бы накопиться. И там наверняка появятся бактерии, которые будут его потреблять»,— объясняет геохимик, старший научный сотрудник Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН Евгения Бережная.

Знаковым представителем подземной фауны можно назвать нематоду Halicephalobus mephisto, примитивного червя, найденного в 2011 году в шахтной воде на юге Африки. Углеродный анализ показал, что возраст той воды из трещин на глубине до 3,6 км — 3–12 тыс. лет. Ранее столь сложной жизни (а нематода все-таки существо многоклеточное) на такой глубине не находили. Экстремальные условия — высокая температура, крайне небольшое количество энергии и отсутствие кислорода — исключали эту возможность. Однако выяснилось, что нематоды, живя тысячелетия в изоляции, питались различными микробами.

«Раньше считалось, что нет жизни под землей. Но оказалось, что существует подземная биосфера со своей биомассой, которая, по некоторым оценкам, может достигать 20% от всей биомассы планеты,— одна пятая всего живого находится под землей. И это открытие стало “горячей точкой” в науке раньше, чем “темный кислород”. Существует еще много других бактерий, которые им питаются. Но пока не получается их культивировать в лаборатории — мы 95% всех прокариот (одноклеточные микроорганизмы без ядер.— “Коммерсантъ-Наука”) знаем только по их генам»,— говорит Ольга Карначук.

Кислородное дно

Популярность поисков «темного кислорода» хорошо видна на примере недавнего исследования, которое можно отнести к разряду тех, что не дают ответов на волнующие вопросы, а наоборот, плодят новые. Группа геологов и океанологов опубликовала этим летом в журнале Nature Geoscience статью с данными, которые противоречили десятилетиям наблюдений за океанским дном. Именно там специалисты обнаружили, по их утверждению, выработку молекулярного кислорода. На глубине более километра под водой, куда исследователи опускали наблюдательные станции (лендеры, начиненные датчиками), отсутствует свет, это афотическая зона, поэтому образуемый там кислород по определению «темный».

Неожиданные результаты широко разошлись по миру — сотни новостей сообщили о находке необычного источника энергии. По словам авторов статьи, кислород вырабатывался благодаря железомарганцевым конкрециям, распространенным в некоторых районах океанского дна. Оксиды и гидроксиды металлов, миллионы лет нараставшие на каком-нибудь камушке или зубе хищной рыбы (так же образуется жемчуг), могут стать гальваническим элементом, источником электротока. В соленой морской воде — электролите — конкреции становятся «геобатарейками», поскольку электролиз, возникающий на их поверхности, разделяет воду на составные части: водород и кислород.

Однако с новыми данными согласились далеко не все. Спустя пару месяцев (публикация в Nature Geoscience случилась в июле) разные коллективы геохимиков подготовили критические статьи, где ставили под сомнения столь неординарные результаты. Одни указывали на превратное толкование данных. Другие ссылались на плохую подготовку исследования, третьи — на несостоятельные методы и непроверенные лендеры. Свои замечания нашлись и у российских геохимиков.

«Основные проблемы статьи — в дизайне исследования. Не был проведен контрольный опыт. Если бы авторы показали, что в отсутствие железомарганцевых конкреций кислород не появляется, вопросов было бы меньше. Есть подозрения, что результаты связаны с инструментальными артефактами (искажениями, которые внесло оборудование.— “Коммерсантъ-Наука”). Модельные эксперименты, в которых обнаружили напряжение на поверхности конкреций, не отражают условия их взаимодействия с морской водой. Например, в конкрециях высверливались отверстия, их целостность была нарушена. Полученные величины не корректировались с учетом фона, но и их недостаточно для электролиза»,— перечисляет Евгения Бережная.

Все предыдущие наблюдения фиксировали только поглощение кислорода на границе воды и дна. Разлагаясь, донная органика потребляет окружающий O2, поэтому его выработка, как отметил один из критиков, сравнима с обнаружением гидротермальных источников. Гипотеза (а пока это именно гипотеза) конкреций-«геобатареек» не согласуется с оценками уровня кислорода на морском дне, представлениями о его геохимических циклах и состоянии морских экосистем.

К тому же те самые конкреции железа и марганца, а также кобальта, никеля и других редкоземельных металлов — ценное сырье, особенно при энергетическом переходе. Протяженная глубоководная зона Кларион-Клиппертон недалеко от Гавайев, где нашелся «темный кислород», содержит больше всего этих редких элементов. По словам предпринимателей, состав конкреций соответствует нуждам производителей электромобилей, однако их добыча со дна активно еще не ведется. Международный орган по морскому дну пока заключил контракты с несколькими странами, в том числе с Россией, на геологоразведку богатых регионов. Тем не менее с точки зрения экологии такое вмешательство разрушает часть морского дна и вредит биоразнообразию.

Геохимическая подпись

Вне зависимости от дальнейшей судьбы статьи — журнал может ее отозвать или авторы отреагируют коррективами — однозначно ясно, что интерес вокруг «темного кислорода» высок. Достаточно сказать, что в недавнем обзоре биологи назвали такой синтез кислорода упущенным механизмом, благодаря которому микробы выживают в средах без солнечного света. «Темный кислород» в этом смысле еще и потому темный, что долгое время оставался незаметным, неучтенным.

Хотя в сущности молекулы «темного» и «светлого» кислорода одинаковы, они все же различаются, причем так же, как левая и правая палочки Twix,— способом производства. Происхождение накладывает свой отпечаток. Изотопный состав кислорода в атмосфере и морской воде разный. Это объясняется «эффектом Доула» — все живые организмы используют для дыхания более легкий кислород-16, а атмосфера при этом обогащается тяжелым кислородом-18. Анализ изотопного соотношения в пробах — сколько 16-го, а сколько 18-го — позволяет ученым отследить способ производства кислорода.

«Это геохимическая подпись, что-то вроде признака, который показывает происхождение вещества. Так можно посмотреть, какие процессы на него влияли: у атмосферного кислорода один состав, у морского — другой, у подземного третий. “Темный кислород” может производиться под землей как биотическим, так и абиотическим путем. У последнего тоже несколько вариантов — либо радиолиз воды (когда под действием ионизирующего излучения из окружающей породы вода распадается на радикалы, в том числе молекулярный кислород.— “Коммерсантъ-Наука”), либо расщепление связей на контакте с водой в кремнийсодержащих минералах вроде кварца»,— объясняет Евгения Бережная.

Интересно, что ранний фотосинтез был бескислородным — он производил серу. Атмосфера тогдашней Земли (а дело было в архейском эоне 3–4 млрд лет назад) нам бы не понравилась, кислорода там практически не было. Но все поменялось 2,4 млрд лет назад после кислородной революции или катастрофы, называют ее по-разному — еще используют термин Великое окислительное событие.

«Появлению кислорода мы обязаны обычным бактериям, предкам цианобактерий, которых раньше называли сине-зелеными водорослями,— говорит Ольга Карначук.— Это, как говорят некоторые геохимики, загрязнение атмосферы кислородом позволило эволюционировать высшим формам жизни. Почему? Кислородное дыхание дает больше всего энергии для бактерий, растений, животных — наиболее выгодный способ. А в глубине океана и под землей встречаются другие типы энергообмена. Это так называемое анаэробное дыхание, когда вместо кислорода используются нитраты, сульфаты, железо, марганец и еще много других элементов».

В поисках обитаемости

Если вы хотите испортить настроение ученому или даже рассориться с ним, спросите о практической цели его исследования. Такую формулировку сложно назвать приятной, но иногда разговор об этом может вывести к оригинальной теме. Изучение «темного кислорода», например, тесно связано с поиском жизни на других космических телах, в частности на Марсе. Одну из бактерий, найденную на глубине около 3 км в африканской шахте, так и прозвали «марсианской».

«Мы работаем с подземной биосферой уже лет 15. На земле и под ней бактерии живут одинаково, хотя там мало еды. И считалось, например, что “марсианская бактерия” Desulforudis audaxviator, которая якобы может жить на Марсе, делится раз в тысячу лет. Мы выделили ее в пробирке, вырастили в лаборатории и показали, что ничего подобного: делится раз в 28 часов. Но вам хочется узнать, как и насколько давно эти бактерии возникли под землей? Мы бы сами хотели знать, это большая загадка подземной биосферы»,— рассуждает Ольга Карначук.

Суровые, а иногда и экстремальные условия среды, в которых способны жить и делиться микроорганизмы (D. audaxviator переносит температуру 60 °C), моделируют возможную обстановку на других планетах. Но умение бактерий употреблять кислород без фотосинтеза — то самое нитратное или сульфатное дыхание — допускает такую жизнь под поверхностью Красной планеты. Дело в том, что уровень солей азотной кислоты (нитратов) в марсианских отложениях сопоставим с концентрациями в пустыне Атакама (ее давно сравнивают с Марсом, потому что это самое сухое место на Земле).

Нитраты могут быть источником азота и молекулярного кислорода для бактерий — что это реальность, доказали земные микроорганизмы. Астробиологи уже называли недра Марса окном потенциальной жизни. Другой кандидат на обитаемость — спутник Сатурна Энцелад, под поверхностью которого плещется гигантский океан. Время от времени он вырывается из разломов, которые назвали «тигровыми полосами» наружу в виде гейзеров. Аппарат «Кассини», анализируя состав шлейфа от этих выбросов, обнаружил в нем биологически доступный азот. Предполагаемые гидротермальные процессы на Энцеладе (вода там разогревается до 90 °C) могут участвовать в абиотическом синтезе молекул «темного кислорода» — на Земле и в таких условиях кипит жизнь. Выходит вполне философски. Чтобы разглядеть жизнь далеко в космосе, нам сначала нужно изучить ее «темные стороны» внутри собственной планеты.

Андрей Папиш