Что такое темный кислород и с чем его едят?
В разгар лета 2019 года группа исследователей из Томского государственного университета и московского ФИЦ «Биотехнологии» РАН совершила важное открытие, изучив пробы воды из двух артезианских скважин. Одна располагалась около поселка Чажемто Томской области, вторая – в живописном курортном городе Белокуриха Алтайского края.
Бактерии из скважин
Весь атмосферный кислород, которым наполнена наша планета, появился благодаря фотосинтезу. В этом процессе растения под воздействием солнечного света преобразуют воду и углекислый газ в кислород и глюкозу. Однако природа оказалась намного изобретательнее – существуют альтернативные пути образования кислорода без участия света. Именно поэтому его называют «темным» или «бессветовым».
Интересно, что молекулярная структура «темного кислорода» идентична обычному – это те же самые молекулы О2. Различие заключается лишь в химическом процессе их образования. Именно такой кислород служит источником энергии для уникальных бактерий, обнаруженных российскими учеными.
«Наша команда открыла принципиально новое семейство микроорганизмов – Geochorda, включающее два рода с уникальными бактериями, — рассказывает руководитель исследования Ольга Карначук, заведующая кафедрой физиологии растений ТГУ. – Эти микроорганизмы демонстрируют удивительные различия: например, бактерия из Белокурихи использует угарный газ как донор электронов при кислородном дыхании, тогда как ее «родственница» избегает этого вещества. Мы подтвердили наличие генов метаболизма CO и провели серию экспериментов, создав условия естественного отбора».
Обнаружение таких микроскопических форм жизни требует точного понимания мест их обитания. Исследованные скважины – наследие нефтеразведки, достигающие глубины 2-3 километров. Когда вместо нефти геологи натыкались на древние артезианские воды, некоторые скважины оставались открытыми. Для микробиологов это настоящий подарок, поскольку самостоятельное бурение на такую глубину требует колоссальных затрат.
«Артезианский характер этих источников имеет ключевое значение, — подчеркивает Ольга Карначук. – Напор воды предотвращает загрязнение проб поверхностными микроорганизмами. Западная Сибирь располагает крупнейшим артезианским бассейном в мире, где вода буквально бьет фонтаном. Эти природные богатства успешно используются в бальнеологии и туризме».
Место без солнца
За последние десятилетия ученые обнаружили «темный кислород» в самых неожиданных местах нашей планеты. В 2020 году под Аравийским морем на глубине почти 3 метров нашли семь родов кислороддышащих бактерий. Подобные микроорганизмы были выявлены в анаэробных отложениях Боденского озера и термокарстового водоема на Аляске, где они извлекали кислород из метана и воды. Даже в горных породах обнаружились такие микробы – от японских золотых рудников до южноафриканских кристаллических пород и угольных пластов Кузбасса.
«Подземный газообразный кислород – большая редкость, — объясняет геохимик Евгения Бережная из Института океанологии РАН. – Он встречается преимущественно в местах контакта с атмосферой. Высокая химическая активность кислорода затрудняет его сохранение в породах. Однако он может накапливаться в осадочном слое, подземных водах и полостях, создавая благоприятную среду для микроорганизмов».
Знаковым открытием стало обнаружение в 2011 году многоклеточного организма – нематоды Halicephalobus mephisto – в шахтных водах Южной Африки. Этот микроскопический червь был найден на глубине 3,6 км в воде возрастом 3-12 тысяч лет. До этого момента считалось невозможным существование столь сложных организмов в условиях высоких температур, дефицита энергии и отсутствия кислорода. Выяснилось, что нематоды тысячелетиями выживали, питаясь различными микробами.
«Традиционное представление об отсутствии жизни под землей оказалось ошибочным. Современная наука открыла целую подземную биосферу, чья масса может составлять до 20% всего живого на планете, — отмечает Ольга Карначук. – Это открытие произвело революцию в науке еще до феномена «темного кислорода». Существует множество других бактерий, использующих его, но пока мы знаем большинство прокариот только по их генетическому материалу – около 95% не поддаются лабораторному культивированию».
Кислородное дно
Растущий интерес к «темному кислороду» ярко иллюстрирует недавнее исследование, опубликованное в Nature Geoscience. Группа океанологов и геологов представила данные, противоречащие десятилетиям наблюдений за океанским дном. Они заявили об обнаружении выработки молекулярного кислорода на глубине более километра, в афотической зоне, куда не проникает солнечный свет. Этот кислород, по определению, является «темным».
Эти неожиданные результаты вызвали широкий резонанс в научном сообществе. Исследователи предположили, что источником кислорода служат железомарганцевые конкреции – минеральные образования, распространенные на океанском дне. Согласно их гипотезе, оксиды и гидроксиды металлов, формировавшиеся миллионы лет, могут действовать как природные гальванические элементы. В морской воде эти «геобатарейки» способны расщеплять воду на водород и кислород посредством электролиза.
Однако научное сообщество встретило эти выводы со значительным скептицизмом. В последующие месяцы появились критические публикации, указывающие на методологические недостатки исследования, сомнительную интерпретацию данных и проблемы с измерительным оборудованием.
«Главный недостаток исследования – отсутствие контрольного эксперимента, — поясняет Евгения Бережная. – Не было показано, что кислород не образуется без присутствия железомарганцевых конкреций. Существуют основания полагать, что результаты могли быть искажены погрешностями оборудования. Лабораторные эксперименты не воспроизводили реальные условия взаимодействия конкреций с морской водой, а полученные значения не учитывали фоновые показатели».
Предыдущие исследования неизменно фиксировали только поглощение кислорода на границе воды и дна, где разложение органики потребляет окружающий O2. Гипотеза о конкрециях-«геобатарейках» не согласуется с существующими представлениями о геохимических циклах кислорода и состоянии морских экосистем.
Важно отметить, что железомарганцевые конкреции, содержащие также кобальт, никель и редкоземельные металлы, представляют значительную промышленную ценность, особенно в контексте развития электромобилестроения. Зона Кларион-Клиппертон близ Гавайев, где был обнаружен «темный кислород», содержит крупнейшие запасы этих элементов. Хотя промышленная добыча пока не началась, ведется активная геологоразведка при участии различных стран, включая Россию. Однако экологи предупреждают о потенциальном ущербе морским экосистемам при разработке этих месторождений.
Геохимическая подпись
Независимо от судьбы спорной публикации, интерес к феномену «темного кислорода» продолжает расти. Недавний научный обзор охарактеризовал такой синтез кислорода как недооцененный механизм выживания микроорганизмов в бессолнечных средах. «Темный кислород» действительно долгое время оставался в тени научного внимания.
Несмотря на идентичность молекул «темного» и «светлого» кислорода, они различаются своим происхождением, что отражается в их изотопном составе. Атмосферный и морской кислород имеют разные изотопные соотношения благодаря «эффекту Доула» – живые организмы предпочтительно используют легкий изотоп кислород-16, обогащая атмосферу тяжелым кислородом-18. Анализ этих соотношений позволяет определить способ образования кислорода.
«Изотопный состав служит своеобразной геохимической подписью, указывающей на происхождение вещества, — поясняет Евгения Бережная. – Это позволяет определить влияющие процессы: атмосферный, морской и подземный кислород имеют различные характеристики. «Темный кислород» может образовываться под землей как биологическим, так и абиотическим путем, включая радиолиз воды или расщепление связей в кремнийсодержащих минералах».
Интересно, что ранний фотосинтез на Земле не производил кислород, а вырабатывал серу. Архейская атмосфера 3-4 миллиарда лет назад была практически лишена кислорода. Революционные изменения произошли 2,4 миллиарда лет назад во время Великого окислительного события.
«Появление кислорода в атмосфере – заслуга древних бактерий, предшественников современных цианобактерий, — рассказывает Ольга Карначук. – Это «загрязнение» атмосферы кислородом стало ключевым фактором эволюции высших форм жизни. Кислородное дыхание обеспечивает максимальную энергетическую эффективность для всех организмов. В глубинах океана и под землей существуют альтернативные типы энергообмена – анаэробное дыхание с использованием нитратов, сульфатов, железа, марганца и других элементов».
В поисках обитаемости
Изучение «темного кислорода» открывает захватывающие перспективы в поиске внеземной жизни, особенно на Марсе. Показательно, что одну из глубинных бактерий, найденную на глубине около 3 километров в африканской шахте, прозвали «марсианской».
«Наша лаборатория исследует подземную биосферу более 15 лет, — делится Ольга Карначук. – Мы обнаружили, что бактерии одинаково успешно существуют как на поверхности, так и в подземных условиях, несмотря на ограниченность питательных веществ. Например, считалось, что «марсианская бактерия» Desulforudis audaxviator делится раз в тысячелетие. Однако лабораторные исследования показали цикл деления всего в 28 часов. Происхождение и эволюция этих подземных микроорганизмов остается одной из главных загадок».
Экстремальные условия обитания микроорганизмов (например, D. audaxviator выдерживает температуру 60°C) моделируют возможную среду на других планетах. Способность бактерий использовать кислород без фотосинтеза через нитратное или сульфатное дыхание делает возможным их существование под поверхностью Марса. Концентрация нитратов в марсианских отложениях сопоставима с земной пустыней Атакама, известной своим сходством с Красной планетой.
Астробиологи рассматривают марсианские недра как потенциальную среду обитания. Другой перспективный объект – спутник Сатурна Энцелад с его подповерхностным океаном, периодически прорывающимся сквозь ледяную кору в виде гейзеров через «тигровые полосы». Зонд «Кассини» обнаружил в составе этих выбросов биологически доступный азот. Предполагаемые гидротермальные процессы на Энцеладе с температурой до 90°C могут создавать условия для абиотического синтеза молекул «темного кислорода», подобные земным экосистемам. Таким образом, изучение «темных» аспектов земной жизни становится ключом к поиску жизни в космических масштабах.
Источник: www.kommersant.ru
