Удивительное зарождение Земли. Путешествие по скрытым чудесам, которые дали жизнь нашей планете

Отдельные группы подземных микробов могут быть еще древнее. Шахта Кидд Крик в канадской провинции Онтарио является одной из самых больших и глубоких шахт в мире. Уходя на глубину трех километров под землей, она содержит богатые запасы меди, серебра и цинка, которые образовались на дне океана почти три миллиарда лет назад. В 2013 году геолог из Университета Торонто Барбара Шервуд Лоллар опубликовала исследование, в котором показала, что некоторые участки воды в шахте Кидд Крик оставались нетронутыми и изолированными от поверхности земли на протяжении более миллиарда лет, а значит, это самая древняя вода, когда-либо обнаруженная на Земле. Прозрачная при первом сборе, эта богатая железом вода окрашивается в бледно-оранжевый цвет под воздействием кислорода. По консистенции она напоминает светлый кленовый сироп и содержит минимум вдвое больше соли, чем обычная морская вода, а на вкус она, по словам Шервуд Лоллар, «ужасна».

В 2019 году Шервуд Лоллар, Магдалена Осберн и их коллеги подтвердили: как и гораздо более молодые жидкости, циркулирующие через поры и трещины в породах на глубине нескольких сотен метров под поверхностью Земли, эта древняя вода на глубине нескольких километров в шахте Кидд Крик также населена микроорганизмами. Как и многие другие живущие глубоко под землей микроорганизмы, они тоже зависят от побочных продуктов химических реакций между породой и водой, протекающих под действием радиации. Являются ли некоторые из этих микробов столь же древними, как и вода, пока неизвестно, но это вполне вероятно.

«Эти исследования, по сути, своеобразная разведка, – говорит Шервуд Лоллар. – Некоторые из полученных результатов заставляют нас переписывать учебники о том, как устроена наша планета. Они меняют наше представление о пригодности Земли для жизни. Мы не знаем, где зародилась жизнь. Мы не знаем, возникла ли жизнь на поверхности и спустилась вниз или же она возникла внизу и поднялась на поверхность. Мы привыкли думать о маленьком теплом пруде, о котором писал Дарвин, но, как любит говорить мой коллега Таллис Онстотт, с тем же успехом это могла быть какая-нибудь маленькая теплая трещина».

Даже на трехкилометровой глубине в недрах Земли существуют не только микроорганизмы. В южноафриканских золотых шахтах на глубине от одного до трех километров под землей ученые обнаружили грибы, плоских червей, членистоногих и микроскопических водных животных – коловраток. В декабре 2008 года коллега Онстотта, бельгийский зоолог Гаэтан Боргони, обнаружил существ, удивительно напоминающих «паразитических червей», описанных Вальвазором в XVII веке. На глубине 1,3 километра в золотом руднике Беатрикс, недалеко от города Велком в Южной Африке, из отфильтрованной воды из скважины он собрал нематоду – крошечного круглого червя. При небольшом увеличении его не отличить от обычной вермишели длиной в полмиллиметра, что примерно в 500 раз больше бактерии. Однако под мощным электронным микроскопом он похож на пухлую пиявку, чей передний конец усеян ротовыми пластинами и сенсорными бугорками.

В лаборатории Боргони обнаружил, что нематода предпочитает подземных микробов, а не типичную для круглых червей диету. В конце концов она произвела на свет 12 яиц, положивших начало новой популяции. Хотя предки нематоды почти наверняка попали в подземный слой с токами дождевой воды, а не возникли там, очевидно, она стала приспособлена к подземной жизни. Боргони, Онстотт и их коллега Дерек Литтхауэр назвали новый вид Halicephalobus mephisto в честь Мефистофеля, посланца Дьявола из легенды о Фаусте. Это открытие остается одним из самых поразительных в истории биологии. По словам Онстотта, обнаружить многоклеточное животное такого размера и сложного строения в струйке воды так глубоко под землей – это все равно что «найти Моби Дика[16], плавающего в озере Онтарио».

На полках в кабинете Магдалены Осберн множество камней, и у каждого своя история. Когда мы встретились с ней в Северо-Западном университете, она показала мне гавайский базальт, который она зачерпнула палкой, когда он был еще в состоянии текучей лавы, гигантский кристалл кварца, который она вытащила из трещины во время поездки в Хот-Спрингс штата Арканзас, пирротин, который она тайком засунула в комбинезон во время экскурсии по шахте в Канаде. Рядом с рабочим столом она хранит кусок строматолита[17] возрастом 580 миллионов лет и молочно-голубой минерал смитсонит, который добыли в городе Магдалена штата Нью-Мексико: город носит то же имя, что и госпожа Осберн. В другом углу своего кабинета она показала мне оранжевый камень с текстурой, напоминающей ломкое кунжутное печенье. «Это карбонатные оолиты[18], – сказала она, – они похожи на крошечные глазированные драже. Если вы поедете на Багамы, то обнаружите, что пляжи там состоят в основном из оолитов». Затем она взяла в руки большой серый кусок амфиболита: «Этот камень пытался меня убить. Я попала под камнепад в полевом лагере, когда была студенткой. Этот камень пробил мою палатку». «Значит, он лишь чуть-чуть разминулся с вами?» – спросил я. «Ну, я отбежала как угорелая в другую сторону, – объяснила она, – и когда я вернулась в палатку, этот камень был там. Так что его можно назвать камнем смерти».

Камни и те истории, которые они рассказывают, были важной частью жизни Осберн с самого детства. Ее отец работал администратором лаборатории на факультете наук о Земле и планетах в Университете Вашингтона в Сент-Луисе. Она часто ездила с ним на университетские экскурсии, чтобы посмотреть на утесы, ущелья, древние лавовые породы, массивные валуны, оставленные ледниками и другие геологические особенности штата Миссури. «В поездке всегда участвовали студенты и я, девочка семи лет или около того, – вспоминает она, – и я всегда была той, кто подбирался слишком близко к обрыву, или забирался слишком высоко на скалу, или высовывал голову там, где не следовало». Однажды она порезала руку о камень – потекла кровь. Пока студенты в ужасе смотрели на это, она подошла к отцу и как ни в чем не бывало попросила сделать ей перевязку.

Многие из первых научных исследований Осберн находились на пересечении геологии и микробиологии. Будучи студенткой Университета Вашингтона, она изучала горячие и неглубокие гидротермальные источники – излюбленные места обитания термофильных бактерий. В Калифорнийском технологическом институте ее дипломная работа состояла в изучении древних пород с помощью инновационного анализа химических следов, которые современные микробы оставляют в окружающей среде. В итоге это позволило ей прийти к новому пониманию того, как микробы меняли Землю на протяжении всей ее истории.

Будучи постдоком в Университете Южной Калифорнии, Осберн стала одним из ведущих ученых в исследовании подземной жизни, финансируемом НАСА, и впервые посетила бывшую шахту Хоумстейк. Раньше в поисках высококачественной руды шахтеры бурили разведочные скважины, некоторые из этих скважин проникали в подземные водохранилища. После извлечения керна, породы для изучения, шахтеры заделывали отверстия бетоном, но какие-то из них продолжали протекать. Когда Осберн с командой обнаружила, что в нескольких из этих негерметичных отверстий содержатся микробы, она попросила шахтеров очистить отверстия скважин с помощью промышленного бура с алмазным напылением. Затем они заменили бетон пластиковыми трубками с клапанами, чтобы можно было периодически возвращаться и собирать новые образцы, тем самым создав полноценную подземную обсерваторию.

Полюбовавшись коллекцией камней в кабинете Осберн, мы с ней прошли в ее микробиологическую лабораторию. Здесь она хранит воду, осадочные породы и микробов, собранных на различных исследовательских базах. Осберн и Кейтлин Казар подготовили несколько предметных стекол для микроскопа, размазав по ним немного шахтной воды. Сняв очки в черепаховой оправе и убрав с лица волнистые каштановые волосы, Осберн расположилась перед микроскопом и стала регулировать его, чтобы получить четкую картинку.

«Перед нами Gallionella с закрученными стебельками[19]», – сказала она. При тысячекратном увеличении микробы выглядели как мазок апельсинового мармелада и икры. На экране компьютера, подключенного к микроскопу, было легче разглядеть стебли, о которых говорила Осберн. Волокна железа напоминали искривленные штопоры или свободно завязанные галстуки – все это были побочные продукты уникального метаболизма микробов. Через несколько минут мы переключились на Thiothrix[20], который напоминал белые бусы, опутанные желтой мишурой. Мы видели яркие точки серных соединений внутри клеток микроба, образующихся в процессе химических реакций окисления сероводорода.

Мне показалось, я вижу, как что-то движется, и я спросил, что это может быть. «Это довольно старый образец бактериальной биопленки, – сказала Осберн, – так что я сомневаюсь, что здесь что-то есть… О! – мельчайшая точка дернулась на экране подобно маленькой горошине. – Как только я сказала, что она мертва, появилась эта маленькая счастливица-клетка». Образец, который мы изучали, был собран несколько лет назад, и, поскольку он не был предназначен для культивирования клеток, за ним никак особенно не ухаживали. Однако каким-то образом эта капля камня и воды из самых глубоких недр Земли все еще пульсировала жизнью.

Столетиями пещера Лечугилья казалась не более чем длинной дырой, ведущей в тупики Гваделупских гор в Нью-Мексико. Время от времени в пещеру заглядывали исследователи. Регулярно наведывались сюда и старатели, чтобы собрать гуано летучих мышей, которое ценилось как удобрение. В остальном же никто не обращал на нее особого внимания. Однако в один из пасмурных дней где-то в 1950-х исследователи пещер заметили, что сквозь завалы на дне пещеры пробивается воздух, что навело их на мысль о том, что там может быть еще что-то. В результате ряда раскопок в 1970-1980-х годах было обнаружено несколько длинных туннелей. Последующие раскопки выявили более 233 километров подземных территорий на глубине более чем 490 метров под поверхностью. Подземные туннели украшали странные и красивые образования: массивные люстры из гипса причудливой формы – будто их сковало морозом, лимонно-желтые стручки серы, жемчужные шары гидромагнезита, прозрачные копья селенита и кальцитовые лилии, парящие над бирюзовыми бассейнами.

В начале 1990-х годов микробиолог Пенни Бостон смотрела передачу на телеканале National Geographic, в которой упоминалась Лечугилья. Бостон пришла в восторг от мысли том, что она сможет увидеть нетронутую подземную страну чудес. Одна из исследовательниц в передаче, Ким Каннингем, нашла первые доказательства существования микроорганизмов в пещере. Бостон интересовало, возможна ли жизнь за пределами Земли, поэтому она рассматривала Лечугилью как аналог потенциальных подземных мест обитания на других планетах. Она позвонила Каннингем и договорилась посетить пещеру с группой ученых и спелеологов.

Бостон и другие ученые, не имевшие большого опыта в спелеологии, несколько часов тренировались на скалах в Боулдере штата Колорадо, прежде чем погрузиться в Лечугилью. Эта короткая тренировка оказалась практически бесполезной. Лечугилья – это не ряд соединенных между собой комнат, по которым можно пройти, а запутанные хрустальные лабиринты, переплетенные в извилистых каменных джунглях. Чтобы пройти по ним, Бостон и ее коллегам пришлось спускаться по отвесным скалам, карабкаться по скользким гипсовым башням, преодолевать узкие уступы и пробираться через каменные соты – и все это с громоздким снаряжением за плечами. «Мы оказались в настолько чуждой нам среде, что у нас не было выбора, кроме как пытаться совладать с ней», – вспоминает Бостон. Про себя она все время думала: «Я просто должна перетерпеть это до тех пор, пока я не выберусь отсюда».

Они выжили, но без травм не обошлось. В какой-то момент Бостон вывихнула лодыжку. Перебираясь через расщелину, она поранила голень, отчего нога и ступня распухли. Но она продолжала идти. Незадолго до выхода из пещеры она заметила интересный пушок ржавого цвета, покрывающий нависающую над ней часть потолка пещеры. Она уже собиралась соскрести этот пух в мешок, как вдруг его капелька попала ей в глаз, который вскоре распух, как будто от инфекции. Возможно, подумала она, коричневый пух создали микробы, а возможно, он и вовсе состоял из микробов. Лабораторные исследования в конце концов подтвердили ее догадку. Пещера была полна микроорганизмов, которые разъедали горную породу, извлекая железо и марганец для получения энергии и оставляя после себя мягкий минеральный осадок. Микробы превращали камень в почву на глубине более 300 метров под землей.

Сноски