Некоторые любят погорячее

В отличие от многоклеточных животных и растений, которые не выдерживают температуру выше 50° С, и одноклеточных эукариотов, погибающих при температуре выше 60° С, некоторым бактериям и археям не страшен даже кипяток. Температура обитания термофилов – 50° С, гипертермофилов – выше 80° С. Они часто встречаются в зонах высокой геотермальной активности, таких как гейзеры Исландии или Йеллоустонский национальный парк, а также в жерлах океанских вулканов, так называемых «черных курильщиках». Самые «жаропрочные» из ныне известных бактерий – Pyrolobus fumarii, обитающие при температуре 113° С в стенках «черных курильщиков» и замедляющие рост, когда температура падает до 90° С, поскольку для них это слишком холодно. Никто не знает, где на самом деле верхний предел пригодной для жизни температуры, однако большинство ученых предполагают, что он должен быть равен примерно 120° С.

«Черные курильщики» были открыты в 1977 г. учеными из Вудсхоллского океанографического института близ побережья Эквадора. Скользя над океанским дном на глубоководном аппарате «Алвин» на глубине около 2500 м, они перевалили через хребет – и увидели незабываемое зрелище. Из леса подводных труб клубился черный дым, будто Вулкан с Нептуном выстроили там гигантский заводской комплекс для каких-то темных производственных нужд. И, в отличие от малонаселенных океанских глубин, к которым ученые уже привыкли, этот оазис просто кишел самыми разнообразными формами жизни.

Соваться к «черным курильщикам» довольно опасно. Первый же температурный зонд, запущенный в столб воды, поднимающийся из трубы «курильщика», сгорел за несколько секунд. Разобравшись, в чем дело, ученые стали опасаться за сам батискаф, поскольку на такой глубине плексигласовые окна могли расплавиться и при 90° С. Опасения оказались не напрасными. Из экспедиций к «черным курильщикам» батискафы иногда возвращаются с покореженной и черной от жара внешней оболочкой.

«Черные курильщики» напоминают подводные гейзеры, которые выбрасывают насыщенную минералами горячую воду из вулканических жерл в океанском дне. На срединно-океанических хребтах расплавленная магма бурлит почти у самой поверхности, раздвигая тектонические плиты и образуя в разломах после застывания новые участки дна. Холодная океанская вода проникает вглубь через трещины и нагревается от горячей магмы. По мере просачивания она нагревается все больше, но огромное давление не позволяет ей закипеть{39}. В конце концов разогретая вода устремляется обратно к поверхности, неся с собой растворенные минералы и сульфиды металлов, и извергается из расщелин при температуре около 350° С. При соприкосновении с холодными океанскими водами растворенные минералы и металлы высвобождаются, образуя клубы черного «дыма», поднимающегося на 100–300 м над океанским дном, а затем застывают в виде каменистых труб до 5 м высотой. Одну из самых высоких труб за свои гигантские размеры (6,8 м) ласково прозвали Голиафом.

Вокруг «черного курильщика» во множестве роятся археи, которые отлично чувствуют себя в супергорячей воде и питаются коктейлем из сернистых соединений и минералов – марганца, железа и сульфидов, выбрасываемых из жерла. «Стада» этих хемосинтезирующих организмов, похожие на снег, постоянно клубятся вокруг гейзеров. Археи служат фундаментом уникальной экосистемы. В теплых струях колышутся, будто трава, щупальца селящихся колониями полихет. Некоторые прячутся под тонкими, бледными от недостатка света панцирями с бороздками, другие вырастают до 4 м в длину. Помпейский червь, один из самых жаростойких, обитает в трубках, которые крепятся непосредственно к стенкам «курильщиков». В итоге голова его расположена в слоях с приятной двадцатиградусной температурой, а хвост поджаривается при обжигающих 80° С. У «курильщиков» миллиардами толкутся креветки, балансируя на тонкой грани: подплывешь слишком близко – сваришься заживо, слишком отдалишься – замерзнешь или погибнешь от голода. Дно устилает ковер из актиний, длинноногих крабов и огромных моллюсков (до 30 см длиной). Их раковины покрыты микробными матами. Между трубами «курильщиков» пасутся рыбы. Вот проплывает необычайной красоты оранжевое создание, похожее на пушистый одуванчик, за которым тянутся длинные ленты. На самом деле это никакой не цветок, а животное, похожее на «португальский кораблик» и представляющее собой колонию простейших.

В эту бездну не проникает солнечный свет, поэтому вся жизнь здесь зависит в конечном итоге от хемосинтезирующих способностей архей и бактерий. Они используют сероводородную кислоту в качестве топлива, окисляя ее до водорода и серы. И если одни из подводных обитателей употребляют археи и бактерии в пищу, другие образуют с ними более тесную связь. Среди самых необычных можно назвать полихету Riftia pachyptilia, обладающую мягким трубчатым телом белого цвета толщиной с детскую руку, с алыми жабрами на конце. Пищеварительной и выделительной систем у нее нет, поскольку процесс питания в привычном смысле у нее отсутствует, а энергию она добывает в симбиотической связи с хемосинтезирующей бактерией. Внутренняя полость трубки заполнена трофосомой, или пищевым мешком. Внутри каждой клетки трофосомы обитают тысячи серных бактерий. Кроваво-красные жаберные лепестки полихеты добывают из окружающей воды кислород и сероводородную кислоту. Они соединяются с особой разновидностью гемоглобина в кровеносной системе червя и доставляются к хемосинтезирующим симбионтам, населяющим внутреннюю полость полихеты. С помощью кислорода бактерии разлагают сероводородную кислоту на воду и серу, высвобождая в процессе энергию. Сера остается на месте, накапливаясь в виде твердого желтого осадка на стенках полости в течение всей жизни червя. Энергия же используется для переработки неорганики в питательные вещества – например, аминокислоты и углеводы, которые бактерия-симбионт затем потребляет вместе с хозяином.

Однако первые термофильные микроорганизмы были обнаружены вовсе не в «черных курильщиках», а в супергорячих геотермальных источниках Йеллоустонского заповедника в Вайоминге. Йеллоустон – это невиданного великолепия царство воды и огня. Пейзаж украшают сотни горячих источников и бурлящих ванн, обрамленных розовой и пурпурной желеобразной массой из микроорганизмов. Огромные водяные столбы выстреливают в воздух с такой силой, что содрогается земля. Из щелей, словно разъяренный дракон, со свистом и ревом вырывается пар. Грязевые котлы и гейзеры булькают и ворчат гораздо тише. С разноцветных скал, облепленных колониями бактерий и архей, каскадами обрушивается вода. В воздухе стоит крепкий запах тухлых яиц – это сероводород, дурно пахнущий токсичный газ, от которого саднит в горле и тяжело дышать. Вода в источниках – крутой кипяток, но это не значит, что они необитаемы. Если сунуть туда палку, она вымажется в липкой черной слизи – это и есть теплолюбивые бактерии и археи.

Впервые искать жизнь в этом кипятке додумались Томас Брок и его жена Луиза. Летом 1965 г. они приехали в Йеллоустон поработать во время отпуска, и им удалось изолировать в отводном канале от горячего сернистого источника первые гипертермофильные организмы. Это была Sulpholobus acidocaldarius, предпочитающая температуру от 60 до 95° С. Второй их находкой стала Thermus aquaticus – будущая звезда биотехнологической промышленности. Эти открытия, сделанные Броками, положили начало исследованиям экстремофилов, породили новую породу добытчиков – охотников за микробами, и послужили основой для создания многомиллионной отрасли. А еще подали микробиологам отличный повод ездить в самые отдаленные и неизведанные уголки нашей планеты в поисках доселе неизвестных науке микроорганизмов.

Когда Томас Брок выделил Sulpholobus, наука категорически отрицала, что при температуре выше 50° С может существовать жизнь, – возможно поэтому никто и не пытался искать ее в такой экстремальной среде. Брок же культивировал собранные бактерии при естественной температуре их обитания, потому и преуспел. Менее проницательный ученый, вероятно, не устоял бы перед соблазном понизить температуру из ошибочных соображений, что так бактерии будут расти лучше. И ничего бы не получилось, поскольку Sulpholobus относится к облигатным термофилам. Изоляция первого вида экстремофилов, как и любой прорыв в науке, осуществилась благодаря острой наблюдательности и умению нарушить догму. Ученым не помешает брать пример с Белой Королевы из «Алисы в Зазеркалье», которая «успевала поверить в десяток невозможностей до завтрака».

Многоклеточным животным по жаростойкости, конечно, далеко до термофилов вроде архей и бактерий, однако и среди них есть рекордсмены – например, помпейский червь или серебристый сахарский муравей. Муравей выходит пастись под палящим зноем до 55° С, но ненадолго, потом ему приходится остывать, скрываясь в прохладных подземных ходах.

Жаростойкость позволяет организму занять отдельную экологическую нишу, на которую не будут претендовать другие. Однако она может стать и оружием. Японская медоносная пчела (Apis cerana japonica) использует жар собственного тела для защиты от хищных шершней (Vespa mandarinia japonica), гораздо более чувствительных к высоким температурам. Если шершень пытается напасть на колонию пчел, они набрасываются на обидчика скопом, окружая его со всех сторон. Температура внутри этого жужжащего клубка моментально подскакивает до 48° С – смертельных для шершня, но не опасных для пчел. Незваный гость просто поджаривается заживо.

При температуре выше 50° С погибает большинство клеток, поскольку белок плохо переносит перегрев. Молекулярные вибрации, начинающиеся под воздействием жары, разрывают белок на части, распуская зрелые белковые цепочки и препятствуя правильной укладке новых. Такая денатурация опасна, поскольку белок перестает нормально выполнять свои функции. Структурные белки истощаются, а ферменты не могут катализировать биохимические реакции. О том, чем грозит неправильная укладка формирующегося белка, британское население теперь осведомлено достаточно широко, поскольку губкообразная энцефалопатия крупного рогатого скота (или «коровье бешенство») вызывается как раз специфической формой неверно свернувшегося белка, который провоцирует искажение и остальных, нормальных, белков. По неизученным пока причинам неправильно свернувшийся белок токсичен и вызывает гибель нейронов.

Тепловое повреждение белка практически необратимо. Вареный яичный белок так и останется твердым, белым и резиновым – даже после охлаждения его невозможно вернуть в прежнее текучее состояние. Остывший бифштекс хоть и не так вкусен, как горячий, все равно остается куском прожаренного мяса с уничтоженными высокой температурой мышечными волокнами. Однако после менее серьезных повреждений клетки способны восстанавливаться – с помощью белка теплового шока. Эти молекулярные телохранители наводят порядок, заставляя белок свернуться заново, на этот раз правильно. Необратимо поврежденный белок помечается и разлагается на составляющие его аминокислоты, которые затем снова используются. То есть белок теплового шока – это что-то вроде биохимической пожарной команды.

Белок состоит из линейной цепочки аминокислот, но, подобно нитке бус, упавшей на пол, эта цепочка сворачивается в гораздо более сложные фигуры. Иногда цепочки соединяются попарно или большим количеством, образуя крупные молекулы (например, инсулин состоит из двух субъединиц, гемоглобин – из четырех). Огромное значение имеет пространственная структура белка. Сигнальная молекула должна идеально стыковаться с принимающим рецептором, ферменты должны правильно обволакивать свои субстраты, структурные белки – плотно укладываться в слой. Сворачивание белка зависит от его аминокислотной последовательности, однако внутри клетки процесс сворачивания затрудняет высокая концентрация других белков. Из-за этого молекулярного столпотворения белок может вместо собственной цепочки образовывать случайные связи с соседними белками. Для того чтобы этого не происходило, существуют белки-телохранители – белки-«дуэньи», выполняющие, по сути, ту же роль, что и настоящие дуэньи в викторианскую эпоху. Они помогают другим белкам и при обычной температуре, но когда температура растет, их число тоже значительно увеличивается. Именно поэтому их назвали белками теплового шока – они вырабатываются в основном как реакция на жару. Между тем у нас по-прежнему остается неразрешимая загадка: чем обеспечивается правильное сворачивание самих белков-телохранителей при критической температуре?

Между тем своей жаростойкостью гипертермофилы обязаны не только деятельности белков-телохранителей. Многие другие ферменты и структурные белки – и даже сами механизмы, отвечающие за синтез белка, – демонстрируют необычайную тепловую выносливость. Несмотря на гораздо более высокую жаропрочность, некоторые ферменты в организме гипертермофилов на аминокислотном уровне почти не отличаются от наших. Выходит, разница в несколько аминокислот может оказаться весьма существенной.