Представители подземной биосферы относятся к двум основным типам. Первые в большей степени зависят от хемосинтеза (их называют хемолитоавтотрофами), чем от фотосинтеза. Хемосинтез – это процесс, в результате которого живые организмы создают биомассу исключительно с помощью химических реакций, им не нужен солнечный свет. Организмы другого типа (хемоорганогетеротрофы) поедают продукты фотосинтеза, проникающие вниз с поверхности Земли. В некоторых средах встречаются микробы обоих типов.

Химические вещества, необходимые для жизни хемосинтезирующих организмов, либо происходят из земных недр, где условия слишком неблагоприятные для поддержания жизни, какой мы ее себе представляем, либо производятся в непосредственной близости от потребляющих их микробов. Преимущество жизни на глубине по сравнению с жизнью на поверхности вот в чем: тут есть тепло и давление. Под действием тепла и давления породы и минералы превращаются в химические соединения. Обитатели земных недр используют эти соединения для получения энергии и для построения своих тел (растения делают то же самое на поверхности с помощью солнечного света). Но в отличие от солнца, которое орошает фотонами всю поверхность нашей планеты, источники жизни в земных глубинах распределены неравномерно и дают начало разным химическим соединениям. Будто в земной коре рассеяны миллионы маленьких солнц – каждое со своей собственной крохотной орбитой в подземной экосистеме.

Солнечный свет достигает буквально всех уголков на поверхности Земли, какие мы только можем увидеть. Но под поверхностью химические вещества должны переместиться по многочисленным канальцам, прежде чем попадут к живым клеткам, которые в них нуждаются. В рамках человеческой жизни земная кора может казаться неизменной, но в геологическом масштабе времени она находится в непрерывном движении. Тектонические плиты сталкиваются между собой, давят и наползают друг на друга. В результате таких перемещений создаются трещины, которые служат скоростными шоссе для переноса богатых энергией химических веществ. Чтобы лучше понять, что при этом происходит, представьте себе мячик, покрытый кусочками пластилина разной жесткости и плотности. Когда вы будете передвигать один кусочек пластилина по поверхности мяча, остальные фрагменты начнут изгибаться, деформироваться, растягиваться, чтобы прийти в соответствие с этими изменениями. А теперь представьте, что в одном месте пластилин гораздо тяжелее, чем на соседнем участке, куда он наползает. Если мяч изготовлен из мягкого и пористого материала, тяжелый фрагмент начнет погружаться вглубь, а легкий окажется сверху. Если одна тектоническая плита оказывается под другой, этот участок называют субдукционной зоной, и там в плите возникают трещины и слабые места, что создает дополнительные возможности для перемещения химических веществ.

Иногда на поверхности таких утопленных океанических плит образуются подводные горы – небольшие холмы, возвышающиеся над океанским дном. Когда тектонические плиты оказываются под континентом, они вызывают такой же эффект, как если проткнуть пальцем желе: они продавливают континентальную кору, поднимая ил, камни и воду и создавая вертикальные потоки, называемые грязевыми вулканами. Грязевые вулканы извергают химические соединения и микробов из земных глубин в морскую воду и в поверхностные отложения.

Еще один процесс, способствующий перемещению химических веществ в земной коре, называют спредингом или рифтингом: это когда две тектонические плиты расходятся и между ними остается пустое пространство. Словно вы роете песок на пляже, а в образующиеся траншеи устремляется вода. Однако при спрединге происходит кое-что еще. Разъединение двух фрагментов земной коры толщиной в сотню километров производит мощный эффект, нарушающий стабильность лежащей под ними мантии. Нестабильная мантия высвобождается и поднимается к поверхности. Когда это происходит, давление на мантию резко падает (примерно то же самое случается при слишком быстром всплытии водолаза, что приводит к кессонной болезни), температура плавления мантии понижается – и она становится жидкой, что дополнительно усиливает ее выброс. Такой каскад событий высвобождает дьявольские силы и вызывает извержение вулкана. Аналогичный процесс разжижения мантии происходит и в субдукционных зонах, поскольку погружение океанической плиты сопровождается попаданием в мантию воды и выбросом магмы. Так образуются вулканические дуги – удивительные цепи гор вроде тех, что пронизывают западную часть Южной, Центральной и Северной Америки, а также Японию, Индонезию и другие территории Земли.

При извержении вулканов, как и при субдукции, в прочных и твердых камнях возникают полые трещины и разломы, позволяющие химическим соединениям перемещаться. Даже когда все спокойно, морская вода продолжает просачиваться под землю благодаря тепловым конвективным ячейкам, создаваемым градиентом температуры, который всегда существует под поверхностью. Когда океанская вода оказывается в контакте с глубокими слоями земных недр, она переходит в перегретое состояние и насыщается металлами и разными химическими соединениями. А при выбросе обратно на поверхность она смешивается с другими компонентами морской воды. И на всех стадиях процесса живые организмы из подземной биосферы получают энергию, выделяющуюся в ходе этих реакций. Если представить себе Землю не как место обитания, а как единый живой организм, эти глубокие трещины можно сравнить с артериями, доставляющими к клеткам необходимые для жизни питательные вещества. Подобные процессы заполнения пустот оставили заметные следы в виде гигантских шрамов, словно от ударов огромной бейсбольной битой, на дне Тихого, Атлантического и Индийского океанов.

Однако для доставки богатых энергией химических соединений в подземную биосферу не всегда нужно пробиваться через океаническую плиту. В некоторых местах, таких как Мексиканский залив или Средиземное море, есть глубоко залегающие отложения соли, оставшиеся от древних озер, высохших и превратившихся в соляную корку миллионы лет тому назад. Эти солевые отложения характеризуются более высокой плавучестью, чем наслоения на их поверхности. И когда соль медленно всплывает сквозь слои отложений, она проделывает новые бреши, через которые подземные жидкости поднимаются с больших глубин.

Аналогичные процессы происходят и на суше. Однако в этом случае тепловая конвекция приводит в движение не морскую воду, а то, что геологи называют “метеорной водой”[5]. Когда я впервые услышала это выражение, я подумала, что речь идет о воде из метеоров (потрясающе!), однако, как выяснилось, так называют банальную подогретую дождевую воду. Перемещения воды создают для микробов места обитания, и такие экосистемы могут существовать за счет химических веществ, а не солнечного света. Я говорю “могут”, поскольку большинство таких сред остаются неизученными.

Таким вот образом необходимые для жизни химические соединения циркулируют в земной коре. Но как они попадают туда изначально? Одна из самых мощных реакций, приводящих к образованию подобных соединений, происходит при смешивании воды с минералами – оливинами и перидотитами – в условиях повышенных давления и температуры, что сопровождается выделением водорода и восстановленного железа. Сейчас этот процесс, называемый серпентинизацией, считается одним из главных кандидатов на роль источника первой жизни на Земле, поскольку он приводит к образованию всех необходимых для жизни химических соединений и не нуждается в солнечном свете для их окисления. Кроме того, химические соединения образуются при погружении тектонических плит в зонах субдукции (вспомните о кусочках пластилина на мячике). При этом из минералов высвобождаются диоксид углерода, монооксид углерода[6], металлы, сера и азот, которые растворяются в воде, где могут использоваться микробами. Поддерживающие жизнь химические соединения возникают даже в таком простом процессе, как трение горных пород при землетрясениях. Хемолитоавтотрофы, существующие за счет этих химических соединений, погибая, превращаются в пищу для целого ряда других микроорганизмов и подобно растениям способствуют организации сложных и разнообразных экосистем.

Одна из самых удивительных движущих сил хемолитоавтотрофии – это радиация. Если подвергнуть воду воздействию радиации, она расщепляется на кислород и водород, которые относятся к числу наиболее ценных химических молекул для питания хемолитоавтотрофов. Мы знаем о радиации в связи с созданием ядерного оружия и его захоронением. Однако вокруг нас постоянно распространяется естественная радиация. Энергия, благодаря которой миллиарды лет назад возникли все химические элементы, в том числе способствовала образованию радиоактивных элементов вроде тория и урана, распадающихся спонтанно, но очень медленно. И поэтому все отложения в любом месте непрерывно излучают микроскопические дозы радиации – слишком незначительные, чтобы оказывать на нас негативное влияние, но достаточные для расщепления воды и поддержания жизни микробов. В глубочайших недрах Земли (в шахте на глубине почти трех километров)[7] был обнаружен микроорганизм, именуемый Desulforudis audaxviator, его видовое название переводится как “отважный путешественник”[8]. Он очень давно не контактировал с внешним миром и, возможно, существует исключительно за счет химических веществ, образующихся под действием радиации¹. Совсем неплохо жить прямо рядом с кормушкой! Единственный недостаток заключается в том, что уровень этой радиации настолько низкий, что и пища образуется очень медленно. Такой способ существования подходит только отпетым лентяям и как будто специально предназначен для обитателей земных глубин.

Некоторые из подземных жителей сочетают химические вещества из-под земли с кислородом и окисленными соединениями из внешнего мира. Однако другие, такие как метаногены и ацетогены, могут жить исключительно за счет химических веществ из земной коры, так что отсутствие солнечного света их вообще не беспокоит.

Чтобы оценить, насколько это необычно, представьте, что произошло бы, если бы сейчас исчезло солнце. Все фотосинтезирующие организмы, такие как домашние растения и водоросли, погибли бы за несколько лет. Другие формы жизни еще какое-то время продержались бы, поедая остатки растений. Полагаю, что люди протянули бы лишь несколько лет после гибели растений. Наверное, какие-нибудь тараканы прожили бы еще сотню лет, но не другие животные. Грибы и бактерии, поглощающие растительный материал и кислород, просуществовали бы еще несколько миллионов лет, но с исчерпанием всей пищи и всего кислорода погибли бы и они. А вот у подземных жителей, как вы можете догадаться, все было бы прекрасно. Возможно, они бы даже не заметили, что чего-то не хватает. На самом деле даже те обитатели земных недр, которые в обычной ситуации зависят от поступления кислорода с поверхности, могут избежать асфиксии, поскольку другие их собратья производят небольшое количество кислорода²[9]. И никого из этих ребят не волнует, встает ли солнце по утрам или нет. Они зарыты в земной коре слишком глубоко, чтобы это замечать.

Организмы из подземных экосистем, о которых я рассказывала до сих пор, почти не зависят от условий на поверхности (даже от существования солнца), однако организмы из подземных экосистем второго типа – их полная противоположность. Они целиком и полностью зависимы от продуктов жизнедеятельности верхнего мира, как жители островов – от поставок пищи с континента. Самая обширная подземная среда, нуждающаяся в пище из верхнего мира, – это морские отложения. Толщина морских отложений может достигать десятков километров, и они есть на дне всех океанов мира, а это весьма значительное пространство для жизни. Отложения накапливаются за счет непрерывного осаждения всякой всячины из толщи океана или из стоков с поверхности суши. Этот ил[10] служит источником питательных веществ, энергии и твердых субстратов для подземных микроорганизмов. В устьях крупных рек, таких как Ганг или Нил, отложения накапливаются быстро. В таких местах упавшая частица остается на поверхности дна лишь несколько столетий, а затем оказывается захороненной под свежими слоями отложений.

Однако в других местах, например в центре Тихого или Атлантического океана, дно покрывается илом медленно. Поблизости нет континентов с реками, которые разбрызгивают все, как грязные пожарные шланги. Даже песчаные бури из Сахары или Гоби сюда не долетают. Но удаленность от континентов не только снижает скорость накопления осаждений, но и уменьшает количество планктона на поверхности, а ведь этот планктон тоже мог бы выпадать на дно после того, как его съедят, переварят и переработают при прохождении через толщу океана. Дело в том, что фитопланктон нуждается не только в солнечном свете, но и в железе, которое поступает главным образом с речной водой и с ветром из пустынь. Таким образом, срединная часть океана – обширнейшее пространство искрящейся чистой голубой воды шириной в сотни километров. В таких местах осевшие частицы могут лежать на дне тысячи лет или дольше, пока их не покроют новые слои отложений и не вдавят под поверхность дна.

Как ни странно, хотя отложения поступают на дно из рек или разлагающегося планктона, многие обитатели земных недр, которые тут живут, имеют другое происхождение. Микробы из глубоких слоев придонных отложений мало похожи на тех, что встречаются в реках и океанах. Это самостоятельные существа, хотя и питаются они готовыми обедами из других источников.

Возможно, вам интересно узнать, как выглядят образцы из подобных экзотических сред, которые ученые отбирают на дне океана. Чаще всего на вид в них нет ничего примечательного. Они выглядят как обычная грязь, камни или жидкость, и это может разочаровать, если учесть, как сложно их добывать. Время от времени со мной связываются продюсеры или сценаристы научных телепередач и документальных фильмов, заинтересовавшиеся (вполне оправданно) исследованиями глубоких земных недр. В ходе беседы мне обязательно задают вопрос: “Как ваши образцы будут выглядеть в кадре?” Когда я отвечаю: “Ну, наши образцы – это грязь. Они выглядят как… грязь”, собеседник обычно говорит, что ему было приятно пообщаться и он свяжется со мной позднее.

Но именно своей “банальностью” подземная биосфера Земли так интересна. Грязь есть повсюду, и это означает, что она важна. Объем ила[11] на дне всего Мирового океана эквивалентен объему Атлантического океана³. И в расчете на кубический метр содержание микробных клеток в иле от ста до ста тысяч раз выше, чем в морской воде⁴. Трудно даже представить, сколько живых организмов обитает в глубинах земных недр. Общее количество микробов в подземных морских отложениях оценивается в 2,9 × 10²⁹ клеток, что примерно в сто тысяч раз больше, чем количество звезд во Вселенной⁵. Но это еще не весь подземный мир. С учетом живых организмов, обитающих под поверхностью суши, это число как минимум удваивается⁶. Кроме того, некоторые клетки могли найти ниши с более высокой концентрацией пищи, чем в среднем, и там больше живых организмов, чем предсказывают модели. Поэтому реальное количество микробных клеток в подземной биосфере, безусловно, намного превышает эти оценки.

Важно отметить, что два типа подземных сред, о которых я рассказала, не являются взаимоисключающими. Например, вспомним об иле, который мы с моими коллегами собирали в пластиковые пробирки с помощью роботизированного устройства на погружном аппарате “Джонсон-Си-Линк II” у метановых источников на дне океана. Когда я потом анализировала образцы в нашей лаборатории в Университете Северной Каролины, я обнаружила, что в этой липкой черной грязи содержались бактерии и археи, поедавшие пищу, которая оседала на дно океана из толщи воды вместе с другими частицами. В этом ничего удивительного нет. Но интересно, что еще я обнаружила микробов, питающихся метаном и водородом, которые выделяются в виде пузырьков из старых нефтяных отложений⁷. И соседствуют они с микробами, питающимися тем, что падает сверху. Замечательно, что такое сочетание поверхностных и подповерхностных источников пищи приводит к росту численности микробных популяций и делает эти сообщества устойчивыми и разнообразными. Не исключено, что нам предстоит открыть еще много таких горячих точек в земной коре по всей планете.

Вероятно, так и будет. Однако в отложениях, не имеющих хорошего источника химических веществ, с увеличением глубины среда меняется критическим образом. На глубине нескольких метров наблюдается безнадежная ситуация: в более глубоких слоях отложений нет свежих источников пищи. И микробы вынуждены находить иные способы существования, питаясь тем небольшим количеством пищи, с которой они были захоронены. Представьте, что вам выдали прекрасный обед для пикника, но с условием, что этой еды вам должно хватить на всю оставшуюся жизнь. Удивительно, но подземные организмы каким-то образом с этим справляются. Как им это удается? Мы точно не знаем. Отчасти потому, что, как мы увидим в следующей главе, проникнуть в глубины твердой земли в поисках образцов намного сложнее, чем кажется.