Предполагается, что все ныне живущие клеточные формы жизни на Земле, начиная с бактерий и заканчивая человеком, эволюционировали от единичного организма, существовавшего на нашей планете примерно 3–4 миллиарда лет назад и известного под определенным наименованием LUCA, то есть Last universal common ancestor — «сегодня ученые прилагают усилия для создания наиболее детального представления об «последнем универсальном общем предке». Значительный вклад в эти исследования внесли микробиологи Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, которые впервые в 2024 году описали современную экосистему, в которой бактерии, схожие со всеобщим предком по предполагаемому способу питания и получения энергии, составляют 80–90%. «Портал в прошлое» был найден глубоко под землей — в Ессентукском месторождении минеральных вод. О необычном микробном сообществе и других ценных сведениях, полученных в ходе исследования, можно узнать из статьи «Научной России».
По следам гипотетического предка
Предположительно именно после LUCA земная жизнь начала постепенно разделяться на три основных домена: археи, бактерии и эукариоты (то есть грибы, амебы, растения, животные, человек). Считается, что последний общий предок уже обладал рядом черт, присущих современным организмам: хранил наследственную информацию в виде ДНК, накапливал энергию с помощью АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты), а его белки строились из 20 аминокислот. Важно понимать, что речь идет о выжившем предке. Другими словами, LUCA был не единственным обитателем Земли в свою эпоху, но именно этот организм получил возможность дать потомство.
Пока реальность LUCA невозможно окончательно доказать или опровергнуть. Но если предположить, что он существовал, можно попытаться сложить о нем более или менее целостное представление. Сегодня этому посвящено немало исследований. Один из способов решить поставленную задачу — проанализировать геномы современных живых существ. Простыми словами, если у человека и бактерии есть некий общий ген, значит, он был унаследован от одного древнего предка. Разумеется, сходство вряд ли будет идеальным, поскольку за миллионы лет гены могут претерпевать изменения. Но эти наблюдения все равно помогают ученым восстанавливать эволюционную историю генов: выяснять, как они передавались от организма к организму и какие из них появились раньше других. В результате ученые выявляют некий жизненно необходимый набор генетической информации, который мог быть присущ LUCA. Предположения о возможностях последнего общего предка также основаны на оценках геологических и геохимических процессов, существовавших в эпоху его гипотетического существования, и к которым, соответственно, он должен был адаптироваться.
В 2016 г. в журнале Nature Microbiology была представлена статья, посвященная особенностям метаболизма LUCA. Авторы предполагали, что данный микроорганизм был анаэробным (не требующим кислорода), термофильным (обитающим при высоких температурах) и автотрофным, то есть использующим углерод из углекислого газа для построения клеточных структур ( СО2), подобно тому, как это делают растения и водоросли, и при этом получал энергию, используя водород ( H2) и углекислый газ.
Прошлое в настоящем
В настоящее время на Земле обитает множество микроорганизмов, способ питания которых напоминает особенности питания предполагаемого древнего предка. Одним из таких организмов является термофильная автотрофная бактерия Aceticella autotrophica. Она получает энергию так же, как, предположительно, это делал LUCA: преобразует водород и углекислый газ в уксусную кислоту, и такие организмы классифицируются как ацетогенные. Она не может участвовать в каких-либо других химических процессах, что указывает на ее узкую специализацию. Исследователи из Федерального исследовательского центра биотехнологии Российской академии наук впервые получили ее из геотермальных источников на Камчатке, являющихся ее средой обитания. Однако, как и во всех ранее известных локациях, где находили ацетогенов, их популяция была крайне малочисленной. Однако недавно Aceticella autotrophica предстала перед микробиологами в гораздо более ярком свете. И вот как это произошло.
В 2024 г. микробиологи из ФИЦ Биотехнологии РАН представили в журнале mBio результаты исследования, проведенного на Ессентукском месторождении минеральных вод совместно с гидрогеологами и геохимиками Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Сотрудники МГУ пригласили коллег принять участие в плановой переоценке запасов минеральных вод этого месторождения, чтобы проверить предположение о значительном влиянии подземной микрофлоры на состав и состояние вод.
Российские биологи уже почти столетие наблюдают за микроскопическими подземными обитателями Кавминвод. Этот курортный регион является одним из наиболее исследованных на планете. Однако ранее микробиологические исследования были сосредоточены на микробах, обитающих в недрах, расположенных ближе к поверхности. Причина заключалась в том, что типичные микроорганизмы глубоких водоносных горизонтов существуют в настолько уникальных условиях, что их не всегда удается культивировать в лабораторных условиях. Лишь в XXI веке ученые установили, что общее число микробов на нашей планете значительно превышает количество тех, которые можно вырастить в искусственной среде (они составляют лишь 5–10% от общего разнообразия), и приступили к более детальному изучению этих организмов. Это стало возможным благодаря технологиям геномного секвенирования нового поколения, которые позволяют исследовать капризных микробов не только в живых культурах, но и косвенным путем, получая сведения о них посредством анализа выделенной из клеток ДНК и содержащейся в ней генетической информации.
В ходе исследования, проведенного учеными из ФИЦ Биотехнологии РАН, были собраны образцы микроорганизмов из пяти скважин, расположенных в трех различных водоносных горизонтах: верхнеюрском, нижнемеловом и верхнемеловом. Водоносные породы залегались на глубине от 0,5 до 1 километра.
Выявленные различия в составе микробных сообществ оказались неожиданными, учитывая ограниченность исследованной области. Анализ показал, что на разных глубинах в изученных недрах обитают четыре отдельные группы микроорганизмов, не имеющие общих черт и отличающиеся по составу и характеристикам. Три из них, расположенные на значительной глубине, в основном состояли из бактерий, в четвертой преобладали археи. Во всех случаях доминировали микроорганизмы, которые ранее не поддавались культивированию и были известны лишь по результатам геномного анализа.
Наиболее значимое открытие было сделано в самом глубоком водоносном горизонте, который датируется верхнеюрским периодом (его возраст составляет приблизительно 161–149 млн лет). Результаты исследований показали, что это первое обнаруженное учеными природное микробное сообщество, в котором преобладают микроорганизмы (от 80 до 90%), схожие с LUCA, — пресловутой бактерией Aceticella autotrophica. По всей видимости, сложившаяся ситуация является устойчивой для этой подземной экосистемы: исследователи неоднократно, с интервалом в два года, брали пробы воды из скважины, и результаты оставались неизменными.
Необходимо отметить, что речь не идет о находке некоего древнего организма, сохранившегося в недрах Земли до наших дней, — найденная экосистема возникла значительно позже вымирания предполагаемого LUCA. Значимость этой находки заключается в ином: исследователи впервые зафиксировали экологическую нишу, где лидирующую роль играет организм, чьи характеристики соответствуют предполагаемым особенностям общего предка. До этого момента подобные экосистемы не были обнаружены. Таким образом, открытое микробное сообщество впервые в истории подтверждает, что процветание и доминирование в природе существа, подобного LUCA, в принципе возможно.
Примечательно, что Aceticella autotrophica не просто доминирует в изученном сообществе: вокруг нее буквально вращается жизнь подземной экосистемы.
«Особенность этого сообщества в том, что жизнедеятельность всех остальных микроорганизмов, обитающих на изучаемом участке водоносного горизонта, напрямую связана с этим ацетогеном. Aceticella autotrophica — этот организм является первичным продуцентом, то есть он синтезирует ацетат-ионы (ионы уксусной кислоты. — Примеч. авт.) и органическое вещество в виде отмерших клеток, которые в дальнейшем используются другими микробами в их жизнедеятельности», — объяснила корреспонденту «Научной России» один из соавторов статьи, старший научный сотрудник лаборатории метаболизма экстремофильных прокариот ФИЦ Биотехнологии РАН , доктор биологических наук Дарья Георгиевна Заварзина.
Почему доминирование Aceticella autotrophica сегодня представляет такую редкость для природных сообществ? Дело в том, что ацетогенный метаболизм (основанный на превращении CO2 и H2 в уксусную кислоту) в большинстве современных экосистем энергетически невыгоден, поэтому бактерии с таким метаболизмом, как правило, подавляются более приспособленными к выживанию соседями. Например, метаногенные археи, производящие метан ( СН4) и воду из CO2 и H2, подавляют их, отводя им подчиненную роль в микробных сообществах. Предполагается, что LUCA не страдал от такой проблемы, поскольку в его эпоху в атмосфере планеты концентрация углекислого газа была намного выше, кислорода почти не было, а водород поступал от активно извергавшихся вулканов.
Оказывается, на современной Земле существует территория, где ацетогенные организмы до сих пор процветают. Согласно исследованиям гидрогеологов, в верхнеюрском водоносном горизонте Ессентукского месторождения зафиксирована очень высокая концентрация CO2: соотношение углекислого газа к воде составляет приблизительно 16:1. По мнению ученых, водород поступает в подземные воды из глубоких слоев Земли.
Сложные условия поддерживаются надежной изоляцией: значительный слой осадочных пород препятствует воздействию современной атмосферы на уникальную экологическую среду. В результате в недрах Ессентукского месторождения на протяжении многих лет существует обособленный микромир, где обитают организмы с метаболизмом, который оказался энергетически эффективным ещё миллиарды лет назад.
От железной эпохи до кислородной катастрофы
Открытие микробного сообщества с Aceticella autotrophica — это не первое открытие, сделанное благодаря Ессентукскому месторождению. Регион Кавказских минеральных вод представляет собой уникальную природную лабораторию, где в осадочных породах воссозданы условия, существовавшие на Земле в различные периоды глубокой древности.
«История формирования Кавказских гор с точки зрения геологической летописи нашей планеты началась сравнительно недавно. Под поверхностью этой территории до сих пор находится магматический очаг, расположенный на небольшой глубине, а толщина осадочного слоя на протерозойском кристаллическом фундаменте незначительна. Тектоническая активность, продолжающаяся в этом регионе, приводит к образованию многочисленных разломов и трещин в осадочных породах, а также поступлению тепла из глубин. Анализ геологического строения Ессентукского месторождения показывает, что в нем можно найти уникальные аналоги процессов, которые происходили в архее и протерозое во время формирования осадочного чехла на поверхности Земли. С этой точки зрения Ессентукское месторождение может служить моделью нескольких древних экосистем, — сообщила корреспонденту «Научной России» Д.Г. Заварзина. — В связи с разнородным геологическим строением, данный район формирует уникальную систему, характеризующуюся значительными различиями в физико-химических условиях. Так, там отмечается гидрогеологическая инверсия: между двумя водоносными слоями, содержащими горячие, насыщенные углекислым газом воды, расположен третий слой, относящийся к нижнемеловом периоде, в котором находятся теплые воды с растворенным кислородом. Подобное разнообразие геохимических факторов обуславливает развитие микрофлоры, существенно различающейся на каждом участке месторождения, что и формирует неповторимый облик местных микробных сообществ».
В иных водоносных горизонтах Ессентукского месторождения также встречаются экосистемы, которые, вероятно, существовали на планете на разных этапах её развития в глубокой древности.
«в настоящее время около 60% мировых запасов железных руд приходится на железисто-кремнистые формации докембрийского периода, включая Курскую магнитную аномалию. Их формирование продолжалось приблизительно 1,5 миллиарда лет, представляя собой масштабную по планетарному масштабу «железную эпоху». Предполагается, что в этот период на Земле активно существовали микроорганизмы, получавшие энергию благодаря преобразованию минералов железа. На участке верхнемелового водоносного горизонта, являющемся источником известных вод «Ессентуки № 4» и «Ессентуки № 17», нами также было выявлено микробное сообщество, в значительной степени адаптированное к преобразованию минералов железа. В частности, нам удалось обнаружить новый вид бактерий, ранее не подвергавшийся культивированию, которые являются облигатными железоредукторами: они способны использовать для получения энергии исключительно минералы железа или ионы железа в растворенном виде, а также водород. Это нечастое явление среди микроорганизмов, способных трансформировать соединения железа. Однако, в обнаруженном нами микробном сообществе эти организмы составляли значительную часть, — сообщила Д.Г. Заварзина. — В нижнемеловом горизонте, характеризующемся теплым и богатым кислородом водным слоем, бактериальные сообщества в значительной мере состоят из микроорганизмов с адаптивным метаболизмом. В присутствии кислорода они немедленно начинают использовать его в процессах обмена веществ, поскольку это наиболее эффективный окислитель для живых организмов. Однако их метаболизм способен нормально протекать и в отсутствие кислорода, позволяя им использовать широкий спектр субстратов для поддержания жизнедеятельности. В отличие от бактерий верхнеюрского горизонта, это не микроорганизмы с узкой специализацией, а универсальные формы, способные оперативно адаптироваться к изменениям в окружающей среде. Считается, что подобные организмы получили преимущество на Земле во время кислородной катастрофы, когда в атмосфере постепенно начал накапливаться кислород, что привело к перестройке биосферы: аэробные процессы стали доминировать над анаэробными, что послужило основой для развития сложных многоклеточных организмов.
Ессентукское месторождение минеральных вод предоставило возможность изучить прошлое, которое воссоздано в настоящем благодаря современным микробным сообществам. Их формирование происходило под воздействием характерного набора физико-химических условий».
Исследователи выявили дополнительную закономерность: по мере удаления микробных сообществ от поверхности, их видовое разнообразие снижалось. Наибольшее количество бактерий было зафиксировано в воде, находящейся непосредственно под поверхностью.
Чистота и единство — залог успеха
Отбор проб осуществлялся следующим образом: большие объемы воды из скважин, соблюдая стерильность, пропускались через специализированные трековые мембранные фильтры – разработку отечественных физиков из Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Эти фильтры способны улавливать клетки бактерий и архей. Таким образом, на фильтрах осаждались микроорганизмы и минеральные частицы, на поверхности которых также находились микробы.
В процессе работы на Ессентукском месторождении микробиологам выпала уникальная возможность. При изучении подземной микрофлоры в пробы нередко попадают посторонние примеси из поверхностных вод, технологического оборудования или прилегающих слоев горных пород. Однако, поскольку минеральные воды предназначены для питья и терапевтических целей, к их добыче предъявляются повышенные санитарные нормы. Скважины выполняются из нержавеющей стали и регулярно проходят проверку технического состояния. Кроме того, в данном случае добываемые воды являются напорными: они поднимаются из-под земли под давлением, достигающим десятков атмосфер, что практически исключает попадание в них посторонних загрязнений и поверхностной микрофлоры. Немаловажным фактором стало то, что в связи с проведением переоценки запасов минеральных вод месторождения все скважины в течение полутора лет функционировали с максимальной производительностью, что обеспечило их эффективную очистку.
Изучение отобранных проб проводилось с использованием двух различных методик. Первая из них – молекулярно-биологический анализ ДНК: последовательности выделенных молекул были определены путем секвенирования и подвергнуты анализу с применением биоинформатических методов. Этот подход позволил исследователям установить состав микробных сообществ Ессентуков на основе геномных маркеров и получить дополнительные сведения о функциональных возможностях их представителей. Вторая методика, не менее важная, но часто игнорируемая в современных лабораториях, заключалась в попытке культивирования отобранных проб в лабораторных условиях, имитирующих среду подземных экосистем. В этой части работы существенную роль сыграло взаимодействие с гидрогеологами и геохимиками.
«Имея в нашем распоряжении обширный объем геологической информации, нам удалось отыскать селективные среды и получить чистые культуры нескольких таксонов микроорганизмов, которые ранее считались некультивируемыми, включая новые классы, что свидетельствует о значительном уровне филогенетического разнообразия. Это позволило нам более детально исследовать характеристики выделенных микробов, провести анализ геномов этих организмов в чистых культурах и, таким образом, установить, какие из их генов активно экспрессируются», – рассказал корреспонденту «Научной России» старший научный сотрудник лаборатории метаболизма экстремофильных прокариот ФИЦ Биотехнологии РАН, кандидат биологических наук Сергей Николаевич Гаврилов.
Что общего между «Ессентуками» и йогуртом?
Выяснилось, что многочисленные микроорганизмы, населяющие земные недра, оказывают существенное воздействие на состав ессентукских вод. В частности, они формируют баланс карбонатов и гидрокарбонатов в воде и контролируют растворимость бора – эти соединения являются ключевыми лечебными компонентами минеральной воды и влияют на её газовый состав. У некоторых из этих организмов были выявлены гены, свидетельствующие о возможной способности к синтезу биологически активных веществ (вторичных метаболитов). Полученные данные требуют дополнительного исследования: вероятно, этот аспект также оказывает влияние на целебные характеристики подземных вод.
Исследование не завершено: ученые продолжают извлекать новые чистые культуры микроорганизмов из взятых образцов. Изучение микробов, которые ранее было невозможно вырастить в лабораторных условиях, расширит научные знания в области фундаментальной биологии.
Изучение минеральных вод имеет и практическую значимость: впервые создан систематизированный сбор данных о естественной микрофлоре питьевых минеральных вод. Это крайне важно, поскольку, если микроорганизмы способны влиять на состав воды и, соответственно, на ее целебные качества, необходимо пересмотреть подходы к ее обработке. Таким образом, минеральная вода нуждается в таком же бережном обращении, как и другие продукты, характеристики которых определяются содержащимися в них микроорганизмами, например, йогурты. Неправильный выбор условий розлива и хранения может привести к изменению химического состава воды и, как следствие, к снижению ее лечебной ценности.
«К счастью, производители ессентукских минеральных вод проявили значительный интерес к нашему исследованию в данной сфере. На ряде предприятий уже пересмотрены подходы к розливу и методам контроля качества минеральных вод, с учётом характеристик подземной микрофлоры, определяющей их состав», — отметил С.Н. Гаврилов.
Фото на превью: ФИЦ Биотехнологии РАН
Фото на главной странице: ededchechine / фотобанк Freepik
Источники изображений в тексте: freepik / фотобанк Freepik, ФИЦ Биотехнологии РАН, freepik / фотобанк Freepik, ededchechine / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik.