Русские "бородоносцы" 1

Ну а второй ассоциацией стала аблолютно реальная группа животных, ее еще называют "русской группой животных" за особый вклад сделанный русскими зоологами в ее исследование и изучение. Об этой группе несколько лет назад зажигательно рассказали д.б.н. Андрей Викторович Гебрук и д.б.н., профессор Владимир Васильевич Малахов. Воспроизвожу здесь самое интересное из того рассказа.

В начале XX века, когда начались исследования больших глубин мирового океана, одна из морских экспедиций, на датском исследовательском судне «Зибога», проводя глубоководные траления в районе Индонезии, выловила среди всяких интересных животных и таких довольно невзрачных червячков, которых, вот по имени этого судна, назвали «Зибоглинум». Червячки были очень тоненькие и жили в тоненьких трубочках. Их просто описали как новый род многощетинковых червей, и особого интереса эта находка не вызвала.

Правда, потом этих червей находили все больше и больше в разных районах Мирового океана. Все они были такие же невзрачные, жили в тоненьких волосовидных трубочках, меньше миллиметра толщиной и длиной около 15-20 сантиметров. При этом их таксономический ранг повышался. Сначала это был род, потом стало семейство, потом класс.

Наконец профессор кафедры зоологии беспозвоночных биологического факультета МГУ Владимир Николаевич Беклемишев выделил их в отдельный тип, который был назван Погонофорами (что означает «бородоносцы»). А тип — это самая крупная категория животного царства.

После второй мировой войны в Советском Союзе проводились масштабные исследования Мирового океана и были собраны очень большие коллекции погонофор. Их много изучал российский зоолог, ленинградский зоолог академик Артемий Васильевич Иванов, который описал несколько десятков видов этих животных, исследовал их анатомию и развитие. Вот почему погонофоры — это, если можно так выразиться, «русская группа животных».

Эти погонофоры оказались интересными существами, потому что у них не было найдено никаких пищеварительных органов, вообще никаких пищеварительных органов: ни рта, ни кишечника.

Представьте себе: такой длинный червячок, здесь у него щупальца, потом идет длинное-длинное туловище. Если сделать поперечный срез этого червячка (он очень тоненький, где-то две десятых миллиметра), то на поперечном срезе будут видны покровы, мускулатура, спинной кровеносный сосуд, брюшной кровеносный сосуд. А никаких органов пищеварения нет. И поэтому было непонятно, как они питаются. Ведь это же свободноживущие организмы, которые живут в обычной среде, где все друг друга едят, где нужно уметь добывать пищу. А у них никаких органов питания не было. Это было большой загадкой, для решения которой выдвигались самые разные фантастические гипотезы.

Была, например, такая гипотеза. Погонофоры, в основном, — глубоководные формы. На больших глубинах везде, по всему земному шару, довольно низкая температура, это примерно плюс 2 градуса, там постоянные условия среды, темно и холодно. Предполагалось, что в этих условиях им нужно так мало пищи и они так медленно растут, что им достаточно растворенного органического вещества, которое есть в морской воде в следовых количествах. Дело в том, что трубки погонофор воткнуты в грунт почти вертикально. Щупальца высовываются из свободного конца трубочки, а противоположный конец находится глубоко в грунте. А как же они закапываются? Причем трубочка пронизывает слои осадка, образовавшиеся 10, 20, 30, 40 тысяч лет назад.

Было высказано фантастическое предположение (оно даже было опубликовано в журнале «Нейчур»), что личинка осела на поверхность грунта 40 тысяч лет, и потом, по мере очень медленного роста (а растут они так медленно, потому что питаются ничтожным количеством растворенных органических веществ, всасывая его так же, как минеральные соли, — через покровы тела), их засасывала оседающая из воды взвесь, и, стало быть, рост погонофор такой же медленный, как рост осадочной толщи. Получалось, что погонофоры — самые долгоживущие организмы нашей планеты, они живут по 20, 30, 40 тысяч лет.

Ну, и оказалось, конечно, что это не так. Оказалось, что мы знали не все отделы тела погонофор. Они живут в тонких трубочках, и чтобы извлечь червя, надо долго и очень осторожно трубочку расковыривать. Занятие это утомительное, и зоологи обычно не трогали самый тонкий задний конец трубочки. А там, оказывается, прятался маленький сегментированный хвостик со щетинками. Этот хвостик выглядел как маленькая лопаточка. Этот хвостик у живой погонофоры может высовываться из заднего конца трубочки, и, благодаря этому хвостику, червяк может закапываться по мере роста на нужную глубину.

Тем не менее, механизм питания погонофор оставался непонятным. Тогда выдвинули другое предположение. Щупальца погонофор образуют бокальчик. И вот, Артемий Васильевич Иванов предположил, что в этом бокальчике происходит наружное пищеварение. Но никаких доказательств этой гипотезы не было, хотя она вошла в учебники.

Ясности в этом вопросе не было до начала 80-х годов. В конце 70-х годов появились новые методы исследования — автономные подводные аппараты, которые позволили исследовать так называемые рифтовые зоны Мирового океана.

Рифтовые зоны — это явление, которое получило объяснение в рамках очень распространенной сейчас теории глобальной тектоники плит. По этой теории верхняя мантия Земли состоит из некоторого количества литосферных плит, которые движутся относительно друг друга. Механизм этого движения связан с тем, что Земля остается пока «живой» (в геологическом смысле) планетой. В ней не закончена гравитационная дифференцировка недр. Когда около 5 миллиардов лет назад Земля формировалась за счет слипания более мелких небесных тел, тяжелые и легкие куски слипались случайным образом. Некоторые тяжелые куски оказались наверху, а легкие — внутри. Поэтому на протяжении всего существования нашей планеты происходит постепенная дифференцировка недр: тяжелые компоненты опускаются к центру Земли, легкие — выходят наружу.

Собственно, благодаря этому процессу у Земли сформировалось железное ядро. Но этот процесс еще не закончился. И вот там, где идет погружение материала, эти плиты движутся навстречу друг другу. А там, где идет выплавка легкого материала, эти плиты раздвигаются. И скорости движения этих плит довольные большие. В некоторых районах Тихого океана эти плиты движутся со скоростью примерно 20 (иногда даже 28) сантиметров в год. Но это же все-таки твердые тела. И вот там, где они соприкасаются краями, движутся друг относительно друга, образуется система трещин.

Эти трещины и есть рифтовые долины. По трещинам поднимаются вулканические газы {в основном, это углекислый газ, сероводород и др.). Газы — горячие, они нагревают просачивающуюся морскую воду. В этих зонах со дна бьют фонтаны морской воды, нагретой до температур 300-400 градусов (хотя она не кипит при том большом давлении, которое есть на глубинах 3-4 километра). Эта горячая вода насыщена сульфидами металлов, поэтому она окрашена в черный цвет. Эти горячие струи охлаждаются, смешиваясь с холодной придонной водой, соли металлов выпадают в осадок. В результате этого образуются конические постройки, с вершин которых бьют окрашенные сульфидами в черный цвет струи горячей воды. Они выглядят как клубы черного дыма, и потому эти образования называют «черными курильщиками». Их высота может достигать нескольких десятков метров.

Эти районы всегда интересовали геологов, потому что сами эти постройки состоят из сульфидов металлов: цинка, свинца, меди. Это — ценнейшие руды. И механизм их образования всегда интересовал геологов. Но проникнуть в эти области было нелегко. Ведь это — два-три километра глубины, сами ущелья довольно узкие, и попасть в это место каким-то орудием лова с поверхности океана очень трудно. Исследовать эти области стало возможным только тогда, когда появились управляемые людьми подводные аппараты, способные там маневрировать, с окошечками-иллюминаторами и с манипуляторами, чтобы отбирать образцы.

Биологов эти районы поначалу не очень интересовали. Дело в том, что, вообще говоря, на больших глубинах, особенно в тропических районах, жизнь есть, но она не очень обильна. Все, чем питается дно океана, как правило, производится в верхних 50, может быть, 70-ти метрах воды, куда проникает достаточно солнечного света, чтобы шел процесс фотосинтеза. А глубже уже света мало, и все питается за счет того, что падает из этого верхнего слоя. Но пока это все попадет на дно, оно проходит большое расстояние и много раз съедается. В некоторых районах это не так, но в тропических районах, в общем, не так много попадает на дно. Ну, а кроме того, в этих районах выходит сероводород, а это же ядовитый газ. Соли тяжелых металлов (свинца, меди и др.) — это тоже сильный яд. Поэтому предполагалось, что гидротермальные районы могут оказаться оазисами смерти среди и так не очень богатых жизнью океанских глубин.

Но первые же погружения показали, что это не так. Вокруг этих «черных курильщиков» кипела жизнь. Их склоны были покрыты белыми трубками, из трубок торчали ярко-алые щупальца, и сами эти животные имели длину два метра и толщину 5-6 сантиметров. Колоссальная биомасса, примерно 8 или 10 килограммов на квадратный метр. А в окружающих районах океана биомасса была несколько десятых грамма на квадратный метр. По этим трубкам ползали крабы, рядом сидели моллюски, рыбы ели этих крабов, крабы стригли эти щупальца, ползали разные черви.

Это стало не просто сенсацией. Это стало самым крупным событием в океанологии, в морской биологии прошлого столетия. Оно перевернуло просто абсолютно все традиционные представления об экосистеме океана.

Люди не были готовы к этому. Они были настолько в шоке, что, по воспоминаниям одного из наблюдателей в подводном аппарате, все пять часов времени пребывания на дне они провели в состоянии, близком к помешательству. Вот такие эмоции испытывали люди, которые это первыми увидели, потому что по традиционным представлениям, этого не могло быть на глубине в 2 тысячи метров. Сообщества даже получили необычные для научной литературы названия — «райский сад», «розовый сад», «луг одуванчиков», и тому подобное.

Первые публикации об этих оазисах жизни были сделаны не биологами, а геологами. Они появились не в строго-научных, а в научно-популярных журналах, например «Нешнл джиогрэфик». И подписи такие были: «Гигантские многощетинковые черви в Галапагосском рифте».

Когда номер этого журнала попал в руки Артемия Васильевича Иванова, он, посмотрев на эти фотографии, сразу сказал, что это погонофоры. И все так и оказалось. Гигантские белые трубки с красными щупальцами принадлежали представителям особой группы организмов, которую называли «вестиментиферы».

Эта группа действительно оказалась близка погонофорам. И в частности, близка и в том, что у них совершенно не было ни рта, ни кишечника. Только черви были огромные. И как-то это надо было кормить. Правда, внутри тела у них был обнаружен тяж крупноклеточной ткани с какими-то гранулами. Сначала считали, что это запасающая ткань, которая аккумулирует запасные питательные вещества, поэтому и назвали его трофосома. Но потом, когда стали изучать этот тяж на электронно-микроскопическом уровне, то в крупных клетках трофосомы обнаружили массу бактерий. Клетки были просто нафаршированы бактериями, которые сидели в цитоплазме в специальных вакуолях.

И вот эти бактерии оказались хемосинтезирующими бактериями. Они окисляют сероводород. Сероводород вообщё-то горючий газ. Если его поджечь, он будет гореть с выделением тепла и света, то есть энергии. Бактерии его окисляют и при этом получают энергию. А за счет этой энергии они осуществляют фиксацию углекислого газа, то есть осуществляют синтез органических веществ из углекислого газа и воды.

Бактерии делают это так же, как зеленые растения, и даже в том же самом биохимическом цикле Кальвина-Бенсона, но используют для этого не энергию солнечного света, которого на этих глубинах, конечно, нет, а энергию химической реакции окисления сероводорода.

Это было такое удивительное открытие. Таким образом, эти вестиментиферы оказались животными, которые не потребляют органическое вещество, как все животные, а, наоборот, его производят. Они оказались автотрофными животными. Это получилось за счет того, что они живут в симбиозе с хемосинтезирующими автотрофными бактериями.

И тут много было всяких интересных таких вопросов. Например, как вообще этот сероводород попадает к бактериям? Ведь трофосома находится глубоко внутри тела.

И вот оказалось, что все это — и сероводород, и кислород — попадает к этим бактериям за счет транспорта по кровеносной системе. Красный цвет щупалец — это цвет гемоглобина крови. У вестиментифер оказалась сложная кровеносная система. Она замкнутая, как у нас с вами, с капиллярами, а в плазме крови много растворенного гемоглобина. Причем молекулы этого гемоглобина огромные. Они имеют молекулярный вес 3 с половиной миллиона. Это чуть ли не в 100 раз почти больше, чем у нас с вами.

И вот что удивительно, этот гемоглобин одновременно соединяется и с сероводородом (точнее, с ионом сульфида), и с кислородом. Причем кислород садится на гем, то есть на порфириновое кольцо с атомом железа (как у нас с вами), а сероводород — на белковую часть молекулы, на глобиновые цепи. И вот на одной молекуле всё это тащится вглубь тела и там передается бактериям.

Сероводород — это яд. И для тканей вестиментифер — это такой же яд. Но весь сероводород связан с гемоглобином. Гемоглобина очень много. Вестиментиферы — это кровавые животные. Когда достают их на борт исследовательского судна, из них кровь капает на палубу, вся палуба в крови. В них очень много крови и много гемоглобина. Гемоглобин настолько снижает концентрацию свободного сероводорода, свободного сульфида в крови и в тканевой жидкости, что она во много раз ниже, чем в окружающей среде. Вот почему ткани самих вестиментифер не отравляются.

Поддерживается сообщество за счет существования «черного курильщика», и обитают в нем не только вестиментиферы. Оно, конечно, не совсем замкнутое. Потому что органическое вещество из этого сообщества расходится. Там есть животные, которые проводят всю жизнь в этом оазисе, а есть животные, которые прибегают, или приплывают туда попитаться и потом уходят. И сами могут стать пищей для кого-то. Поэтому органические вещества оттуда, в общем, отчасти уходят. Сначала эти сообщества были обнаружены в Тихом океане, а сейчас они найдены в Атлантическом океане. Вообще вся эта система связана со срединно-океаническими хребтами, протяженность которых составляет, по-моему, около 180 тысяч километров по поверхности, во всех океанах. И вот, скажем, в Атлантике основную роль играют не вестиментиферы, а креветки, у которых на поверхности тела сидят те же хемосинтезирующие бактерии, которые служат для них пищей. Поэтому у креветок пищеварительный тракт нормальный: они сначала выращивают на себе бактерии; а потом их съедают. Но личинки этих креветок поднимаются довольно высоко в верхние слои воды и для питания могут использовать вот эту самую органику, произведенную с помощью фотосинтеза.

Но как же бактерии попадают внутрь червей?

Итак, оказалось (и это было одной из загадок вестиментифер), что у них яйцеклетки лишены бактерий. То есть от мамы к потомству бактерии не передаются. И вообще было непонятно, откуда они берутся. Это оставалось непонятным до тех пор, пока не было изучено личиночное развитие вестиментифер. У них личинки тоже довольно долго плавают в толще воды, но они при этом не питаются, высоко не поднимаются. А потом все-таки оседают на дно. У них есть рот, щупальца, анальное отверстие, внутри — нормальный кишечник. Ротиком они кушают грунт, и из грунта заражаются бактериями. Потому что в окружающей-то среде ведь очень много свободноживущих бактерий, которые занимаются тем же самым: окисляют сульфиды. И вот когда они уже заразятся, у них кишечник редуцируется. Каждое новое поколение заражается заново. Иногда даже удается поимать такую личинку, которая уже в трубке сидит. Вот ее вынешь из трубки, у нее уже щупальца есть, но ей еще не хватило бактерий. И рот у нее на таком длинном сифоне, она этим длинным сифоном, как шлангом, пространство облавливает, чтобы насосаться бактерий. Если она ими не заразится, она погибнет. Но то, что каждое новое поколение заново заражается бактериями, это очень важная вещь. Это показывает, как этот удивительный симбиоз мог появиться. Видимо, сначала предки вестиментифер просто ели бактерий. Просто ели слои грунта, которые были богаты бактериями. А уже потом они вступили в этот симбиоз. А в индивидуальном развитии по закону рекапитуляции как бы повторяется филогенетический, то есть исторический, путь формирования этого симбиоза.

Изучение этих червей вывело исследователей на понимание того, что на нашей планете действительно существуют такие сообщества, такие оазисы жизни, которые живут не за счет энергии Солнца, но за счет другого источника энергии. И это означает, в частности, что, скажем, какие-то катастрофы, которые периодически случаются на нашей планете, могут и не затрагивать эти гидротермальные сообщества. Например, оледенение.

Примерно раз в 200 миллионов лет наступает ледниковый период. Мы и сейчас, кстати, живем в ледниковый период. Это не совсем обычное состояние для нашей планеты. Обычно никаких ледяных шапок на полюсах планеты нет. А вот раз в 200 миллионов лет наступает такой период, когда лед то наступает, то отступает, то наступает, то отступает. И все это длится 10-15 миллионов лет. Потом лед тает, и планета живет почти 200 миллионов лет. И вот, иногда эти ледниковые периоды бывают такими, что лед спускается с полюсов очень низко, до 40-го градуса, поверхность океана замерзает на большом протяжении. Было, например, такое протерозойское оледенение, около 700 миллионов лет назад, когда океан покрывался льдом почти полностью.

И дальше, в будущем, такие вещи могут случаться. А когда замерзает поверхность океана, фотосинтез резко падает, идет массовое вымирание организмов: и фотосинтетиков, то есть растений, и тех, кто ими питается, то есть животных. Но на глубоководные гидротеральные сообщества эти катастрофы не окажут такого уж сильного влияния.

Тут, правда, необходимо сделать несколько оговорок. Во-первых, все животные, которые живут в нашем океане, на нашей планете, в том числе в гидротермальных сообществах, дышат кислородом. Значит, им нужен кислород, а кислород в биосфере образуется в результате фотосинтеза. Можно, правда, представить себе ситуацию, что кислород поступает в систему не за счет фотосинтеза, а каким-то другим путем, происходят какие-то другие химические реакции.

Во-вторых, гидротермальные сообщества действительно в большой степени независимы. Но эта независимость не абсолютная. Взрослые животные независимы, а что происходит с личинками? Ведь даже вестиментиферы приобретают своих симбионтов и становятся на путь существования, независимого от фотосинтеза, только в какой-то момент своего жизненного цикла. Личинки все-таки питаются той органикой, которая производится в верхних слоях воды за счет фотосинтеза. Но как бы там ни было, по крайней мере, бактериальная жизнь, безусловно, совершенно не зависит от энергии солнца, и она не зависит от кислорода. Там есть масса форм, просто анаэробных, им кислород не нужен и даже вреден. И это тоже очень интересная проблема.

Таким образом, мы плавно переходим к науке, которая называется "астробиология" — изучение жизни за пределами Земли. Она начиналась не с гидротерм, она начиналась с изучения метеоритов: в них искали органическое вещество. Но открытие гидротерм очень стимулировало развитие астробиологии. Стало понятно, что возможна жизнь без солнечной энергии и без кислорода. На целом ряде космических тел есть какие-то следы вулканической активности, пусть даже эти тела покрыты снаружи льдом.

Сейчас, например, очень большое внимание уделяют одному из спутников Юпитера — Европе. Это космическое тело покрыто льдом, но существуют свидетельства вулканической активности на этом спутнике, на этой планете. И значит, нельзя исключать возможность, что под толщей льда находится какая-то жидкая среда, назовем ее "океан". Это означает, что там есть источники тепла, значит, там теоретически возможен хемосинтез, там теоретически возможны те же самые проявления жизни, которые мы наблюдаем в гидротермальных системах на нашей планете. Может быть, там не будет вестиментифер или каких-то других привычных нам форм, но в принципе существование жизни там очень реально, и сейчас этим занимаются очень внимательно.

Спутники Юпитера — это большие планеты земного типа. Вулканическая активность там огромная, ее зафиксировали напрямую пролетающие космические аппараты. Это огромные вулканы, которые извергаются прямо в космос. И значит, там есть громадные зоны, где тепло. Солнце дает там очень мало энергии. Оно там видно просто как крупная звезда. А вот тектоническая активность большая.

Но вернемся к нашим погонофорам.

Вестиментиферы и погонофоры — это две близкие группы. Систематическое положение долгое время дискутировалось, но сейчас считается наиболее вероятным, что они близки все-таки к кольчатым червям, то есть они — родственники известного из школьного учебника нереиса и даже, может быть, дождевого червя. По-видимому, вестиментиферы появились в гидротермальных сообществах еще в Палеозое, поскольку уже в палеозойских отложениях находят трубки вестиментифер. Возраст таких отложений порядка 350 миллионов лет. И в какой-то степени эти гидротермальные сообщества представляют собой рефугии, то есть области, куда уходят организмы, которые по каким-либо причинам не выдержали конкуренции.

Там есть несколько примеров живых ископаемых, то есть форм, которые вымерли на мелких глубинах, но приспособились к жизни там. Там есть моллюски, которые тоже культивируют бактерии, и, кстати, крупные моллюски. Они культивируют бактерии в жабрах. Но все-таки до полной редукции пищеварительного тракта и полного перехода на питание за счет хемоавтотрофных бактерий дошли только вестиментиферы и погонофоры.

Когда был обнаружен хемосинтетический способ питания у вестиментифер, то, естественно, в этом аспекте стали изучать погонофор. И у них тоже нашли в глубине тела небольшой мешочек, он и раньше был известен, но только не знали, зачем он. И в нем тоже нашли бактерии. Но только эти бактерии оказались другими, они оказались окисляющими не сероводород, а метан. Они окисляют метан, и тоже получают энергию. Мы хорошо знаем, что метан тоже горит. За счет энергии окисления метана они осуществляют синтез органических веществ из углекислого газа и воды. Это совершенно другая группа бактерий, но, тем не менее, это тоже хемосинтезирующие бактерии.

И тут сразу возникает вопрос. Вот для деятельности этих бактерий, для прокорма погонофор, в которых они живут, метана нужно довольно много. Его нужно примерно один миллилитр на литр осадка морского. И где же может быть метан в таких количествах? Метан в таких количествах может быть только там, где есть подводные залежи нефти и газа.

Это очень важно, потому что погонофоры преимущественно глубоководная группа животных, они живут преимущественно на глубинах 1, 2, 3, 4 километра. Хотя есть и мелководные формы. Но это редкость. А вот там, где известны мелководные погонофоры — это шельф Сахалина, Северное море, Баренцево море, это как раз районы, где уже ведется добыча нефти и газа. А глубоководные районы пока недоступны не только для добычи, а даже для нормальной разведки. Тем не менее, наличие погонофор на океанском дне на больших глубинах говорит о том, что есть вероятность, что мы располагаем запасами нефти и газа на больших глубинах. A погонофоры — это индикатор запасов нефти и газа.

Кстати, карты находок погонофор как раз составлены в основном российскими экспедициями. Ведь именно российские исследователи, российские зоологи сделали очень много в изучении распространения погонофор. Эти карты теперь хорошо известны. И, на самом деле, они интересны не только для геологов, а и для политиков, потому что пока ведь дно Мирового океана, исключая шельф, оно как бы ничье. И все равно возникнет вопрос о том, как его делить. Оказывается, это не безразлично. Сейчас экономически неэффективно добывать нефть на глубинах 2-З километра, но когда кончится нефть и газ на суше и на шельфовых глубинах, то встанет вопрос и будет разработана технология добычи нефти на больших глубинах. Вот тогда и возникнет вопрос, чье это. Поэтому эти карты нужно иметь в виду, когда обсуждается этот вопрос. А ведь все началось именно с червячков.