Мое пребывание на вулкане длилось всего несколько часов, и то я была рада вернуться домой целой и невредимой. Но микробы всю жизнь плещутся в кислотном озере, хотя кислота убивает микроорганизмы так же легко, как убила бы меня¹. Кислая среда возникает из-за присутствия в растворе избытка протонов. И эти протоны готовы реагировать с чем угодно, а не только с водой. Для микробов это создает серьезную проблему, поскольку почти все важнейшие компоненты клетки (белки, ДНК, РНК, липиды и другие метаболиты) содержат химические структуры, которые перестают работать при контакте со слишком большим количеством протонов. ДНК образует двойную спираль потому, что две ее нити удерживаются вместе благодаря водородным связям, образованным такими вот протонами. Но в кислоте каждая нить спирали будет взаимодействовать с протонами из воды, а не из противоположной нити, и двойная спираль не образуется, поскольку “Марко” не сумеет найти своего “Поло”. По той же причине нарушается структура белков, РНК и липидов.

Мало того, что кислота разрушает биомолекулы, она уничтожает жизнь и на более фундаментальном уровне. На мембране любой живой клетки существует градиент электрического заряда и pH[34]. Клетка поддерживает этот градиент, тщательно контролируя количество протонов внутри и снаружи. А кислота рассылает протоны, как тяжелая артиллерия – снаряды, угрожая разрушить жизненно важное протонное равновесие.

Вот как это работает. Все живые клетки постоянно выталкивают протоны во внеклеточное пространство. В результате протоны накапливаются снаружи, нарушая химическое равновесие, что заставляет их стремиться обратно в клетку, которая вновь их изгоняет. Это электрохимическое давление называют протон-движущей силой. “Движущей” – по той причине, что при проникновении обратно в клетку протоны активируют белок АТФ-синтазу, который синтезирует для нас АТФ. АТФ обеспечивает энергию, необходимую для осуществления буквально всех внутриклеточных функций, это своего рода валюта клетки. Что бы клетка ни делала, она использует АТФ. Без АТФ гибнут и люди, и микробы. Но возвращающиеся в клетку протоны запускают не только синтез АТФ, но и работу некоторых клеточных элементов. Например, так называемые моторные белки, которые заставляют двигаться жгутики, за счет чего клетка плавает, работают непосредственно благодаря проникающим в клетку протонам. Использование градиента протонов позволяет жгутикам двигаться гораздо быстрее, чем если бы им пришлось дожидаться синтеза АТФ. Это как платить кредитной картой, вместо того чтобы идти в банкомат за наличными.

А протонный градиент – это фактически и есть градиент pH. Учитывая важную роль этого градиента для производства энергии, а следовательно, для жизни, клетка стремится к тому, чтобы ее внешнее окружение было более кислым, чем внутриклеточная среда. Жизнь затрачивает много энергии на поддержание градиента pH, чтобы все клеточные механизмы могли функционировать. И тогда возникает интересный вопрос. Может быть, клетки в кислых вулканических озерах прибегают к теневой экономике? Вдруг они получают энергию бесплатно, используя безграничный запас протонов, стремящихся ворваться в клетку, запустить белковые моторы и без затрат произвести АТФ? Но существует проблема. Если клетка никак не контролирует этот процесс, мощный градиент pH разрушит ее, как вода разрушает дамбу. Даже если вам хочется пить, струя воды из пожарного шланга может вас убить. Большинство клеток человеческого тела даже при нейтральном значении pH должны выбрасывать протоны наружу, но микробным клеткам в кислых вулканических озерах (при pH = 0,85!) еще сложнее защищаться от протонов, которые готовы нахлынуть, как приливная волна.

И все же вода в смертоносном озере на вулкане Поас, куда я опустила свой pH-метр, кишела микробами, и им там, судя по всему, было очень хорошо. Как микробы умудряются выживать почти в чистой кислоте? Вообще говоря, у них для этого есть две возможности. Первая – создавать такие биомолекулы, которые настроены на pH = 0,85 и нормально функционируют только в кислоте. В таком мире нити ДНК удерживались бы вместе за счет каких-нибудь новых типов связи, которые столь устойчивы к действию протонов, что разрушались бы при нейтральном значении pH. И действительно, есть удивительное направление органической химии, в рамках которого ученые пытаются создать новые биомолекулы, функционирующие в подобных жестких условиях. Однако на момент написания этих строк никто еще не обнаружил ничего подобного в реальном мире. Микробы, предпочитающие кислую среду, должны поддерживать внутри клеток более низкое значение pH, чем все остальные существа², однако, судя по всему, это значение не опускается ниже 4,6.

Вторая возможность – победить кислоту. Для этого микробы перекрывают все поры, через которые протоны проникают в клетку. Ацидофилы (микроорганизмы, предпочитающие кислые среды) – своего рода танки. Благодаря специфическим липидам и очень мелким белковым порам на мембране в клетки проникает крайне скудное число протонов. Кроме того, в клетках ацидофилов содержатся буферные молекулы, связывающие все проникающие внутрь протоны. А с помощью запаса белков шаперонов клетки быстро осуществляют репарацию биомолекул, поврежденных проникшими внутрь протонами. Если этот подход срабатывает, микробы сохраняют внутри себя достаточно высокий уровень pH, чтобы биомолекулы не разрушались, и поддерживают градиент pH и электрического заряда на мембране.

Некоторые ацидофилы изобрели еще более мощные средства борьбы против кислоты. Они умеют обращать разность зарядов на своей мембране. У всех остальных форм жизни электрический заряд на внутренней стороне мембраны отрицательный, а на внешней – положительный. А вот некоторые ацидофилы поддерживают на внутренней стороне мембраны положительный заряд. Как им удается сохранять положительный заряд внутри, когда снаружи целая армия настойчивых положительно заряженных частиц готова в любой момент хлынуть через мембрану? Они создают положительный заряд без помощи протонов. В водном растворе многие химические элементы заряжены положительно: к примеру, калий, натрий, кальций или магний. Накапливая внутри клетки положительные заряды другого типа, микробы вооружаются этими градиентами, чтобы препятствовать проникновению протонов.

А какие-то ацидофилы и вовсе отказываются от использования протон-движущей силы. Поскольку протоны слишком трудно контролировать, их неудобно использовать для поддержания жизненно важных клеточных функций. Поэтому некоторые ацидофилы в качестве движущей силы для синтеза АТФ и реализации клеточных функций используют вместо градиента протонов градиент положительно заряженных ионов натрия. Вместо того чтобы пытаться испечь пирог с напалмом, они просто переходят на тесто. Конечно, им все равно приходится иметь дело с напалмом (они им окружены), но, по крайней мере, они не должны укрощать его ради своего жизнеобеспечения.

Это весьма эффективные меры, но обычно их недостаточно. Иногда микробам приходится спасаться, как матросам с тонущего корабля³. Они с сумасшедшей скоростью выбрасывают протоны из клетки с помощью транспортных белков. Каждая транспортная молекула расходует уйму энергии, и поэтому жизнь в вулканическом озере обходится дорого. К счастью, такая среда делает микробам щедрый подарок: химические реакции между восстановленной серой, извергнутой вулканом, и кислородом воздуха – настоящее лакомство. Они дают столько энергии, что клетки могут постоянно сбрасывать излишек протонов.

Забавно во всем этом то, что высокая кислотность среды поддерживается самими микробами. Окисляя вулканическую серу, они производят серную кислоту, которая и ставит их в трудное положение. Наверное, они поглядывают на людей, провоцирующих изменения климата, и качают головой: “Эх, дилетанты!..” Ведь эти крохи отравляют собственную среду обитания уже миллиарды лет.

Конечно, кислота – лишь одна угроза для жизни на дне вулкана. Еще ведь существует опасность, что вулкан в любой момент взорвется. И что же происходит с микробами при извержении? Об этом мы знаем гораздо меньше. Из понятных соображений люди стараются не ставить эксперименты внутри действующих вулканов. Гораздо безопаснее обрызгивать кислотой растущие в лаборатории культуры, чем спускаться в вулкан непосредственно перед извержением или сразу после него, чтобы посмотреть, как там себя чувствуют микробы. Однако два человека такие эксперименты проделали: Брайан Хайнек из Колорадского университета и Гильермо Альварадо из Университета Коста-Рики. Они достаточно часто на протяжении многих лет брали образцы на вулкане Поас и пытались понять, как микроорганизмы реагируют на извержения. Иногда они находили в вулканическом озере разнообразие микробов. Некоторые не были похожи на ацидофилов и, возможно, попадали в озеро во время дождя. В моих образцах содержался аналогичный набор микробов: некоторые были родственниками известных ацидофилов, а другие походили на туристов, случайно забредших в неблагополучный район города. А иногда Брайан и Гильермо обнаруживали, что в озере присутствует лишь один вид ацидофилов, вытеснивший всех остальных⁴. Наверное, стерилизующий эффект таких событий, как извержение вулкана, выражается в изменении условий обитания, так что этот микроорганизм получает преимущество и распространяется почти как чистая культура. На основании подобных результатов можно предположить, что состояние микробного сообщества в вулканических озерах меняется от богатого разнообразия до монокультуры после каждого извержения, оказывающего стерилизующее действие. Однако сама я не планирую проводить в вулкане много времени, чтобы проследить за сезонными изменениями.