Попробуй копнуть глубже, или Сколько кислорода в океанических осадках?

Американское исследовательское судно Knorr, названное по имени известного океанографа Эрнеста Кнорра. В 2006 году его оборудовали специальным буром, который может поднимать со дна столб керна до 46 м высотой. Это самый мощный в США гидрографический донный бур. С помощью этого бура и было проведено исследование, результаты которого опубликовали в Science. Изображение с сайта www.whoi.edu

Экспедиционные работы в районе субтропического пояса Тихого океана принесли неожиданный результат. Вопреки известным фактам и моделям, стометровая толща осадков на дне океана в районе Северного Тихоокеанского течения содержит кислород. Это удивительно, потому что обычно кислород в осадках исчезает на глубине нескольких десятков сантиметров. Ученые построили непротиворечивую модель расходования кислорода и выяснили, что разгадка состоит в крайне медленной скорости накопления осадков — около 1 мм в тысячу лет. Живые микроорганизмы, обнаруженные в толще осадков, должны быть аэробными. Согласно расчетным показателям объема потребляемого ими кислорода, скорость их метаболизма исключительно низка, а их жизненный цикл рекордно долгий.

Сколько кислорода в толще океанических осадков? Вроде бы простой вопрос — конечно, очень мало. Возьми, проковыряй ямку — и сразу увидишь (и учуешь) сероводородный темный слой. На окисление органики, которая со всей очевидностью существует в осадках, и морских, и поверхностных, расходуется весь кислород; в отсутствие кислорода верх берут анаэробные жители планеты, и они, как им удобно, трансформируют органику с выделением восстановленной серы. В результате в подповерхностных слоях осадков выделяется сероводород и отлагаются черные сульфиды металлов. Поэтому хорошо известно, что ниже 2–10 см кислорода в осадке просто нет — там царство анаэробов. Концентрация кислорода лимитирует присутствие аэробной жизни и многоклеточных организмов в глубоких слоях осадка. Всё это — азбучные истины донной жизни.

Однако порой обнаруживаются неожиданные вещи, когда начинают проверять эти самые азбучные истины. Так и получилось, когда специалисты, представляющие датский Орхусский университет и американский Университет Род-Айленда, отправились в экспедицию по Тихому океану собирать данные о глубоких донных осадках. Ученые с помощью микрозонда измеряли содержание кислорода в керновых пробах донных осадков. Как принято в экологической практике, эти пробы сопоставлялись с распределением продуктивности вод в районах сбора данных.

На этом рисунке сосредоточена масса информации: 1) маршрут экспедиции по Тихому океану и точки сбора проб (разноцветные для удобства), 2) содержание кислорода в осадках в разных донных пробах (цвет точек соответствует цвету графиков), 3) распределение первичной продукции по широте и долготе в районах сбора проб. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Данные о первичной продуктивности были взяты из спутниковых съемок цветности океанической поверхности (см. Ocean Color Image Gallery.

Цветность океанической поверхности хорошо отражает обилие и активность фитопланктона; давно разработаны алгоритмы пересчета оптических показателей в показатели продуктивности. Этими методами и воспользовались ученые для своих целей.

Экваториальные пробы показали обычное распределение кислорода в осадках — на глубине 6–9 см кислорода уже нет совсем. Но в районе Северного Тихоокеанского течения исследователи получили неожиданные результаты. Оказалось, что в этих районах — точки 11 и 10 на графике — в осадках есть кислород даже на глубине 30 м и ниже. Теоретически эти показатели можно было бы объяснить снижением продуктивности: низкая продуктивность требует меньших затрат кислорода на окисление органики. Получается, что кислород мог бы остаться на глубине, не растратиться полностью. Но нет — в аналогичных по продуктивности районах Атлантики содержание кислорода в осадках более или менее обычное — кислород кончается на глубине 20–50 см. Так что одной лишь пониженной продуктивностью не объяснить полученные цифры. Ученые предположили, что дело тут в скорости осадконакопления: в районах Северного Тихоокеанского течения она исключительно мала. Тогда получится, что вся органика потребляется (окисляется) поверхностными микроорганизмами, а тем, что существуют в глубине, органической пищи остается ничтожное количество. В этом случае глубинным обитателям не на что будет тратить кислород.

Действительно, построив простую модель соотношения кислорода–углерода с учетом проницаемости конкретных донных осадков и найдя ее численные параметры по данным из районов 11 и 10, можно подсчитать скорость осадконакопления. Получилось около 1–5 мм за тысячу лет. В точке 11 этот показатель еще ниже — 0,2 мм в тысячу лет. И вправду, за тысячу лет вполне можно употребить практически всю органику, которая заключается в 1 мм осадков. Расчеты показали, что при таких темпах осадконакопления 90% всей органики потребляется в верхних 6 см осадка. В районе Северного Тихоокеанского течения глубина осадков составляет 88–100 м, и кислород проникает в них до самой материнской породы. Возраст нижних слоев осадков составляет около 80–100 млн лет.

Кривая содержания кислорода в осадке в пересчете на объемные единицы в год. Содержание кислорода находится в равновесии, поэтому расчетные показатели соответствуют максимальной скорости утилизации кислорода на конкретной глубине. Кружки — это потребление кислорода в пересчете на одну клетку в день по данным каждой пробы. По вертикальной оси глубина в метрах. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Итак, в глубоком слое осадков имеется впечатляющее количество кислорода. Это означает, что там существует аэробная жизнь (если жизнь там вообще есть). Для анаэробного метаболизма кислорода в этих осадках слишком много. Подсчитали число клеток в пробах керна: в поверхностных слоях оказалось порядка 10⁸ клеток на кубический сантиметр, а на глубине 20 м — 10³ клеток на кубический сантиметр (подсчитывали методом флуоресцентной микроскопии). Используя расчетные показатели утилизации кислорода в объемах осадка, получим максимальные скорости потребления кислорода микроорганизмами. Они получаются прямо-таки исчезающе малыми — порядка 10^–19–10^–18 моля О₂ на клетку в день (одна тысячная фемтомоля). Ужасно. И в то же время захватывающе интересно: какие-то клетки могут жить при такой низкой скорости метаболизма. Это очень медлительные клетки, просто рекордсмены по долготерпению. Подобная клетка со своим сверхмедленным метаболизмом должна жить очень долго, так долго, как дерево, или еще дольше. Мы привыкли к микроорганизмам, у которых за один день сменяется два-три поколения, а тут, напротив, один микроб переживет несколько поколений исследователей. Это какие-то существа с неизвестными науке свойствами.

Нужно, однако, заметить, что догадки о сверхмедленном метаболизме и существовании бактерий-долгожителей построены на расчетах, которые в свою очередь базируются на логически приемлемых моделях. Здесь всё — и сами модели, и их параметризация — могут оказаться ошибочными. Как всегда в подобных случаях, здесь следует подождать повторных исследований и широкой научной дискуссии. Если же результаты расчетов подтвердятся, а микробиологи найдут способ наблюдать жизнь этих удивительных долгожителей (а это методически очень непростая задача), то мы имеем дело с совершенно новой экосистемой: экосистемой глубинных недр. Напомню, что на «Элементах» уже публиковалось сообщение о подобном микробе-долгожителе с затяжным жизненным циклом (см.: В недрах земли найден микроб, живущий сам по себе, «Элементы», 13.10.2008). Но в том случае речь шла все же об анаэробной жизни в глубинных биосферах, а не об аэробной. Возможно, у анаэробного долгожителя нашлись близнецы, живущие в кислородных условиях.

Источник: Hans Røy, Jens Kallmeyer, Rishi Ram Adhikari, Robert Pockalny, Bo Barker Jørgensen, Steven D’Hondt. Aerobic Microbial Respiration in 86-Million-Year-Old Deep-Sea Red Clay // Science. 2012. V. 336. P. 922–925.

Елена Наймарк