Внутриземляне: Жизнь, длящаяся миллионы лет, и её невероятная эволюция
Под поверхностью Земли скрывается царство неоткрытой микроскопической жизни. Эти «внутриземляне» выживают в одних из самых суровых условий на планете — и учёные охотятся за этими микробами.
В этом отрывке из книги «Внутриземляне: В поисках самой странной жизни на Земле» (Princeton University Press, 2025) автор Карен Г. Ллойд, микробный биогеохимик из Университета Южной Калифорнии, исследует идею эволюции среди существ, способных выживать в состоянии покоя сотни тысяч, если не миллионы лет, и задаётся вопросом — чего же они ждут, чтобы «проснуться».
Книга «Внутриземляне» попала в шорт-лист литературной премии Pen/E.O. Wilson в области научной литературы.
Как существо может эволюционировать, чтобы перестать расти на тысячи лет? Последние исследования показывают, что микробы, погребённые глубоко в донных отложениях океана, возможно, делают именно это. Такие организмы можно назвать внутриземлянами — мельчайшими микроорганизмами, живущими в земной коре по всему земному шару. Чтобы ответить на этот сложный эволюционный вопрос, сначала нужно представить, что переживают эти организмы за свою жизнь. Медлительных существ не заботит смена дня и ночи. Они погребены так глубоко, что всё равно не чувствуют солнца. Они, вероятно, даже не заметят смены времён года.
Однако их могут волновать другие, более долгие геологические ритмы: открытие и закрытие океанических бассейнов в результате тектоники плит, образование и опускание новых островных цепей или новые потоки жидкостей, вызванные медленным образованием трещин в земной коре. Биология, которую я изучала в школе, рассматривала эти события как движущие силы эволюции для вида, а не для особи.
Например, вьюрки Дарвина развили новую форму клюва, потому что оказались изолированы на острове с особым типом семян для питания. Эта эволюция произошла в геологических масштабах времени формирования острова, но осуществилась в видовой линии, а не в отдельной птице. Однако мы знаем, что отдельные особи тоже способны меняться в ритме с окружающей средой. Мех песца (Vulpes lagopus) меняет цвет с белого на коричневый, когда каждую весну тает снег. Многие люди (увы, не я) просыпаются в одно и то же время каждое утро без помощи будильника. Суточные и годовые ритмы кажутся разумными вещами, за которыми может следить человек или животное.
А вот ледниковые периоды — уже не совсем. Кажется нелепым предвосхищать изменения в более длительных масштабах. Было бы глупо предполагать, что отдельный вьюрок развил способность плавать, потому что обладал врождённым предчувствием, что его остров погрузится в море через 100 000 лет. Или что жук в пустыне Гоби может размножаться, только съев семя из дождевых лесов Амазонки, потому что он родился миллионы лет назад, когда Южная Америка и Африка были единым целым, и его ДНК велела ему размножаться, когда тектонический разрыв снова закроется.
Эти сценарии бессмысленны для животных, но могут быть вполне разумны для внутриземлян. Особь, живущая миллион лет, может быть эволюционно предрасположена рассчитывать на что-то столь же медленное, как опускание острова, точно так же, как мы эволюционно предрасположены ждать восхода солнца завтра. Чтобы полностью понять внутриземлян, нам, возможно, придётся переосмыслить, что можно считать эволюционным сигналом.
Жизнь длиною в миллионы лет
Сам факт существования живых клеток в состоянии покоя на протяжении огромных промежутков времени поднимает два важных вопроса. Может ли микроб быть адаптирован к тому, чтобы избегать деления клеток в течение тысяч лет или дольше, а не просто пребывать в таком состоянии случайно? И если да, то как работает эволюция для организма, который, казалось бы, никогда не производит потомства?
Давайте разберёмся с первым вопросом, переформулировав его, чтобы поместить это явление в контекст дарвиновской эволюции. Является ли это состояние «неживой» спячки на тысячи или миллионы лет результатом эволюционной адаптации этих микробов, или же они просто сохраняются, потому что клеткам не нужны особые адаптации, чтобы оставаться живыми так долго?
На мой взгляд, жизнь в течение сотен тысяч лет вряд ли возможна без адаптации. Для поддержания такого образа жизни требуется слишком много физиологических изменений, чтобы это могло быть побочным эффектом «нормальной» скоротечной жизни. Более того, если такой образ жизни случаен, то их основная, поддерживающая рост жизнь должна протекать в какой-то другой среде. Но мы редко видим те типы микробов, что находим в морских недрах, где-либо ещё. Не похоже, что это обычные морские микробы, которые весело плавали, делились и росли, а потом упали на морское дно и просто забыли умереть.
Напротив, большинство из этой высокоразнообразной группы микробов, судя по всему, существуют только в морских отложениях. Учитывая это, они могут быть так же отобраны для жизни в этих отложениях, как попугаи отобраны для жизни в тропическом лесу. Действительно, мы обнаруживаем, что с увеличением глубины в морских отложениях микробы производят ферменты с более высокой специфичностью к тем типам субстратов, которые доступны в недрах, что указывает на их специальную адаптацию к этой среде.
Подповерхностные микробы также обладают адаптациями, позволяющими осуществлять сверхмедленный метаболизм и деление клеток. Это говорит о том, что они каким-то образом эволюционно настроены на длительное пребывание в состоянии покоя. Но здесь мы сталкиваемся с проблемой. Согласно теории естественного отбора Дарвина, эти клетки должны расти и производить новое потомство, чтобы эволюционировать. Естественный отбор работает потому, что во время размножения в организмах возникают мутации. И когда у организма появляется полезная мутация, она увеличивает его приспособленность, поэтому потомство этого организма вытесняет потомство немодифицированных организмов, в результате чего появляется больше потомков с этой мутацией. Следующие поколения продолжают превосходить немодифицированные линии, и в конце концов мутация распространяется по всей популяции.
Вуаля! Адаптация произошла путём естественного отбора. Но как мы вообще можем рассматривать дарвиновскую эволюцию в популяциях, которые не размножаются? Как можно адаптироваться к тому, чтобы не иметь детей? Не думаю, что Дарвин имел в виду «отсутствие роста», когда описывал выживание наиболее приспособленных.
К счастью, у нас есть хорошая модель — кратковременная сезонная спячка. В этом случае состояние покоя зимой даёт эволюционное преимущество, потому что у пребывающих в спячке организмов весной, когда условия вновь становятся благоприятными для роста, остаются более многочисленные популяции. Таким образом, эти организмы получают фору перед другими и могут передать свои гены спячки более многочисленному потомству весной и летом.
Это классический дарвиновский естественный отбор. Давайте расширим эту модель до состояния покоя, длящегося тысячи лет в морских отложениях. Нам нужно представить себе событие, которого внутриземляне могли бы ждать, чтобы выйти из спячки, будучи погребёнными на сотни метров в земной коре. Если мы встречаем спящий микроб в почве зимой, мы можем предположить, что он ждёт лета, чтобы снова начать расти. Что является эквивалентной ситуацией для глубоко погребённого организма в морских отложениях, который пребывает в спячке от тысяч до миллионов лет?
Давайте проведём мысленный эксперимент, чтобы освободить наш разум от неявных предположений о продолжительности жизни. Представьте, что жизнь человека длилась бы всего около 24 часов. Вы бы родились в полночь, взбунтовались против родителей за завтраком, остепенились и завели детей прямо перед обедом, а рыбалку освоили как хобби на пенсии за ужином. К полуночи ваши близкие, которые сами родились всего несколько часов назад, собрались бы рядом и держали бы вас за руку, пока вы мирно отойдёте в мир иной в почтенном возрасте одного дня. Если бы все жили так, сотни человеческих поколений сменяли бы друг друга в течение одной зимы. На всём протяжении этого периода, который представлял бы собой значительный отрезок человеческой истории, лиственные деревья оставались бы голыми и безжизненными.
Постоянная «мёртвость» деревьев считалась бы неоспоримым фактом, и учёные вроде меня, вероятно, писали бы гранты, чтобы понять, живы ли деревья вообще, учитывая, что они, кажется, не растут и не дают потомства. Конечно, если заглянуть достаточно далеко назад, люди могли бы присутствовать осенью или даже летом, но это было бы так много поколений назад, что стабильная форма письменности ещё не была изобретена.
Мы, люди со сроком жизни в 100 лет, знаем, что деревья просто ждут, чтобы воспользоваться летним солнцем. Но люди, живущие один день, были бы в тупике. Размышляя о жизни в недрах, не похожи ли мы на этих однодневных людей, размышляющих о дереве? Не ждут ли долгоживущие внутриземляне сигналов к пробуждению, которых мы не распознаём, потому что наша жизнь слишком коротка, чтобы их увидеть? Какой вообще смысл жить сотни тысяч лет?
Должна же быть какая-то причина, по которой эти внутриземляне задерживаются так надолго. Есть свидетельства, что длительная спячка даёт селективное преимущество. Если позволить лабораторной рабочей лошадке — кишечной палочке (Escherichia coli) — сидеть без пищи месяцы или даже годы, многие клетки переходят в состояние длительной спячки, в котором они живы и метаболизируют, но растут не так быстро, как когда их кормят. Если смешать этих полумёртвых E. coli со свежей партией быстрорастущих E. coli и устроить голодовку для всех, старички побьют жизнерадостную молодёжь вдребезги.
Это преимущество роста в стационарной фазе (англ. GASP — growth advantage in stationary phase) может быть секретом того, почему внутриземляне живут так долго. Возможно, они ждут чего-то, что произойдёт только спустя тысячи лет, чтобы именно они могли воспользоваться новой ситуацией. Они могут действовать как монахи, привыкшие к лишениям, в то время как обжоры умирают вокруг них.
Жизнь в геологических масштабах времени
Так чего же ждут эти микробы-монахи, чтобы проснуться? Сезонные циклы слишком быстры. Единственные достаточно медленные вещи — это геологические процессы. Например, опускание островов, наводнения, засухи или штормы часто происходят с циклами в сотни или тысячи лет. Подводные оползни, землетрясения, цунами и извержения вулканов могут перемещать материалы на ещё более длинных временных масштабах, открывая внутриземлянам доступ к новым источникам пищи, которые выманивают их из спячки спустя сотни тысяч лет.
Кажется странным говорить, что микроб адаптирован ждать чего-то столь редкого, как извержение вулкана, но история Земли показывает, что на вулканы можно положиться, если у тебя есть время их подождать.
Если дать волю воображению, отдельные микробы могут быть адаптированы к событиям с ещё более длительными периодами, такими как ледниковые циклы, которые сменяют друг друга примерно каждые 30 000 лет. Или к медленному движению тектонических плит. По мере того как новое морское дно появляется на срединно-океанических хребтах, существующее морское дно постоянно отодвигается от центра океана, как человек, стоящий на движущейся дорожке в аэропорту. В конце концов морское дно медленнейшим образом врезается в континент. Часть осадков и живущих в них внутриземлян будет утянута на погружающейся плите вниз, чтобы в конечном итоге быть раздавленной при температурах и давлениях, убивающих всю известную нам жизнь.
Даже для экстремофилов быть затянутым в саму мантию стало бы эволюционным тупиком. Однако часть отложений, находящихся на ранних стадиях погружения под континентальные плиты, может возвращаться через трещины и разломы, образующиеся в вышележащей плите. Во время этого столкновения часть донных отложений выталкивается вверх в аккреционные призмы и сопутствующие разломы, создаваемые землетрясениями или другими деформациями плит.
Может ли всё это нагромождение, разломы и всплытие на поверхность быть тем, чего ждут внутриземляне? Давайте продумаем последствия. Это означало бы, что отдельные микробные клетки, которые мы извлекаем нашими буровыми судами и которые кажутся спящими, просто терпеливо ждут, пока ультрамедленное движение плит не втиснет их в континент, где у них появится шанс снова выйти на поверхность и возобновить рост.
Эволюционная выгода от ожидания в течение миллионов лет в глубоких морских отложениях заключалась бы в возвращении обратно на верхние слои морского дна, где пища более питательна, после чего микроб передал бы свои гены будущим поколениям. Как и в случае стандартного дарвиновского естественного отбора, особи, обладающие лучшими адаптациями к многомиллионолетней спячке, получили бы преимущество в росте, как только вернутся на поверхность, обеспечивая закрепление этих адаптаций в сообществах. Является ли выброс обратно в поверхностные отложения для внутриземлянина аналогом лета?
Возможно, мы смотрим на их жизнь с совершенно неверной стороны. Что если для них это «ожидание» — не пассивная спячка, а и есть сама форма существования? Их эволюционный успех измеряется не частотой делений, а невероятной устойчивостью, способностью сохранять целостность и функциональность клетки в течение геологических эпох. Их ключевая адаптация — не эффективность размножения, а непревзойдённая ремонтная мастерская: механизмы починки ДНК, стабилизации белков и мембран, работающие на минимальной энергии.
Тогда вопрос «чего они ждут?» трансформируется. Они не ждут в нашем понимании. Они просто есть. А периодические геологические катастрофы — не долгожданный «будильник», а редкие, но предсказуемые окна возможностей, для использования которых они идеально подготовлены. Когда оползень или тектонический сдвиг приносит новую органику в их захоронение, они, обладая уже настроенными на бедность метаболическими путями, первыми и наиболее эффективно её утилизируют. Их победа — не в скорости захвата ресурса, а в том, что они единственные, кто ещё жив в этом месте спустя миллион лет, когда ресурс наконец появляется.
Эта перспектива заставляет задуматься: а не являются ли эти внутриземляне не тупиковой ветвью, а, наоборот, наиболее распространённой и устойчивой формой жизни на Земле? По массе и распространённости подземная биосфера может соперничать со всей жизнью на поверхности. И её обитатели живут по законам времени, которое мы едва способны постичь. Их эволюция — это медленный танец с самой планетой, где партнёрами выступают движение плит и циклы распада элементов. Изучая их, мы, по сути, открываем новую, «геологическую» биологию, где выживает не самый сильный или плодовитый, а самый, буквально, терпеливый.
