Литосферные микроорганизмы

Литосфера – это верхняя твердая оболочка Земли, ограниченная сверху атмосферой и гидросферой, а снизу граничащая с астеносферой – верхней частью мантии

Мощность литосферы Земли колеблется в пределах от 20 км (под океанами) до 150 км (под материками. До середины ХХ века литосфера понималась как синоним земной коры. В литосфере в нефтеносных слоях на глубине 3 км ( макисмально до 6 км) обнаружены живые бактерии. Основным лимитирующим фактором распространения жизни вглубь литосферы является температура. (Экологический словарь, 2001).

Схема внутреннего строения Земного шара

А.Г. Вологдин спустился в своих исследованиях по геологической временной лестнице до пород, возраст которых исчисляется в 2 миллиарда 600 миллионов лет. И всюду он встретил бактерии. Он спускается по лестнице времен все глубже и глубже. И везде отмечает в первую очередь наличие железобактерий – в рудах Кривого Рога, Сибири, Дальнего Востока и Кольского полуострова.

Оказывается, наибольшие скопления железных руд приурочены именно к тем зонам, которые назывались докембрием и считались безжизненными.

Недавно бактерии были обнаружены глубоко в литосфере вблизи мантии в габбро слое земной коры, который лежит непосредственно на горячей мантии на глубине 1391 м ниже морского дна.

Оливия Мэйсон (сотрудник Национальной лаборатории Лоренса, Беркли) изучала микроорганизмы в базальте – нижнем слое земной коры. Микробы в слое габбро сильно отличались от тех, которые жили в слое базальта. Почти все габбро микробы в качестве пищи используют углеводороды.

Эти микроорганизмы совершенно не зависят от энергии солнца. Источником энергии для них является нефть абиогенного происхождения. Они могут переваривать разливы нефти в Мексиканском заливе. Подобные микроорганизмы могут жить на Марсе и других космических телах, где есть метан и другие углеводороды. Подробнее об этих габбро бактериях написано Андреа Мастейном на сайте .

Еще один вид бактерий живет внутри скальной породы на глубине более километра под поверхностью Земли. Эти бактерии приспособились жить в отсутствие кислорода и света. Эти бактерии сильно отличаются от бактерий, живущих в почве, атмосфере и гидросфере.

Геолог Эдсон Бастин еще в 1920 г., изучая источник водорода в воде с месторождений сульфидов, которые были расположены глубоко под землей, обнаружил новый тип бактерий, впоследствии названный сульфатредуцирующими. Эти бактерии были ответственны за производство сероводорода. Коллеги к его открытию отнеслись скептически, утверждая, что микроорганизмы были занесены на глубину при бурении. Впоследствии наблюдения Бастина были подтверждены.

Более 99% всех микробов – обитателей глубинных слоев литосферы – невозможно выращивать в лаборатории, где нет таких давлений, а наземная кислородсодержащая среда для них просто ядовита. Таким образом, действительное разнообразие литосферных микробов значительно больше, чем доступное лабораторному изучению. Геомикробиологические исследования важны не только для понимания жизни на Земле, но для изучения жизни на других планетах.

Например, присутствие кристаллов карбоната кальция в метеоритах может быть следствием жизнедеятельности определенных бактерий, подобных тем, которые живут в горячих источниках Йеллоустонского национального парка в США. Микробная жизнь возможна в литосферах многих планет и их спутников – как в Солнечной системе, так и за ее пределами.

Литосферные микроорганизмы могут выживать в экстремальных условиях, они выдерживают ультрацентрифугирование, ударные давления, большие колебания температуры, вакуум, ультрафиолетовое и ионизирующее излучения высокой интенсивности. Они могут сохраняться внутри астероидов, путешествовать внутри них с одной планеты на другую.

Благодаря свойствам литосферных микроорганизмов жизнь становится поистине космическим явлением. Pabulo Enrike Rampelotto считает, что литосферные микроорганизмы могут вернуться к жизни даже после сотен миллионов лет анабиоза. Настоящий рекорд выживания при высокой температуре внешней среды принадлежит бактерии из рода Methanopyrus, которая может выживать и размножаться при температуре 122°C.

Микроорганизмы из рода Piezophiles могут жить при очень высоком давлении в средах обитания и лучше растут в условиях высоких гидростатических давлений, чем при атмосферном давлении. Piezophiles широко распространены в море на большой глубине и глубоко в земной коре – в толще литосферы (10,5 км), где они изолированы и от атмосферы, и от гидросферы. Давление в зоне их жизни около 110 мега паскалей, а температура выше 100° C. Два разных вида термофильных железобактерий были выделены из гранита в Швеции на глубине 6,7 км.

Метаногенные микробы собраны в базальтовой породе в бассейне реки Колумбия (штат Вашингтон, США). Эти микробы растут крайне медленно и могут жить при низкой плотности.Учитывая огромный объем коры Земли, можно предполагать, что литосферные микроорганизмы составляют существенную массу живого вещества. Подземные трещины в литосфере являются идеальными местами обитания для этих организмов, так как они обеспечивают стабильные потоки химической энергии. В этих условиях микробам не страшны ультафиолетовые и рентгеновские излучения.

Присутствие метана на Марсе – весьма интригующий факт, так как он является неустойчивым газом. Его наличие указывает на то, что должен быть активный и стабильный источник его на этой планете. Марс производит около 270 тонн метана в год. Астероиды поставляют на Марс лишь 0,8% от этого количества. Следовательно, метан в атмосферу Марса поступает из подземных резервуаров. Активного вулканизма и гидротермальной деятельности, похоже, на этой планете не наблюдается.

Скорее всего, источник метана на Марсе – деятельность литосферных микроорганизмов. Субстратом жизни и источником энергии для этих микроорганизмов, скорее всего, являются углеводороды (автогенная нефть).

Метаногены – это микроорганизмы, которые производят метан в качестве метаболического побочного продукта в бескислородных условиях. Они классифицируются как археи и существенно отличается от обычных бактерий. Они часто встречаются в болотах, где выделяют болотный газ, в кишечнике животных, и они тоже производят метан.

Кроме того, метаногенные бактерии играют незаменимую роль в очищении сточных вод. Другие живут в гидротермальных источниках. Третьи обитают в «тверди» земной коры, на глубине нескольких километров под поверхностью. Их не следует путать с метанотрофами, которые потребляют метан.

Метаногены, как правило, имеют форму кокков (сферические) или бактерии (палочкивидные формы). Известно более 50 видов метаногенов, которые, однако, не образуют монофилетическую группу. Это анаэробные микроорганизмы, они не могут жить в аэробных условиях, кислород для них губителен. В процессе жизнедеятельности метаногены используют углекислый газ и водород, синтезируют метан. Этот процесс выражается так:

СO₂ + 4Н₂ > CH₄ + 2H₂O

Метаногены найдены под километрами льда в Гренландии, но они живут и в жаркой почве пустыни. Они могут размножаться при температуре от 15 до 100°C.

Небольшое количество метаногенов в качестве субстрата используют ацетат (CH₃ COO –). При этом происходит брожение уксусной кислоты, и получается метан и диоксид углерода:

CH₃COO – + H + > CH₄ + CO₂ +36 кДж/моль

Бактерии этого типа называются ацетотрофическими.

Американские ученые из Университета Калифорнии обнаружили новый класс подземных микрооганизмов, питающихся нефтью. Микроорганизмы обитают на глубине 2 километров под дном Тихого океана. Эти организмы для своего выживания потребляют сырую нефть. Их диета, как показывают наблюдения, довольно сложна.

Побочным продуктом потребления нефти этими микроорганизмами является природный газ. Профессор Дэвид Валентайн из Университета Калифорнии утверждает: "На самом деле, это целый консорциум микроорганизмов – некоторые из них потребляют нефть и производят промежуточные продукты, затем эти промежуточные продукты уже другими группами микроорганизмов трансформируются в газ и прочие соединения".

Всего несколько лет назад считали, что жизнь на других планетах и спутниках Солнечной системы из-за невероятно суровых условий на них существовать не может. Однако последние открытия заставляют пересмотреть эти взгляды. Микроорганизмы (бактерии и простейшие грибки) живут в жерлах подводных вулканов и в горячих источниках, обитают под землёй на глубине несколько километров, проникают в твердь гранита базальта, не потребляют кислорода, и солнечный свет им не нужен – они могут жить в кромешной тьме при невероятных давлениях.

Жизнеспособность вещества наследственности – ДНК –оказалась невероятно высокой. Некоторых видов микроорганизмов обнаружены в кипящей воде гейзеров. В 80-е годы ХХ века бактерии были обнаружены не только в горячих источниках, но и в жерлах подводных вулканов, где температура заметно превышает точку кипения воды.

К тому же здесь выделяются ядовитые газы, а давление превосходит атмосферное в 2–3 раза. Эти удивительные бактерии не только живут, но и размножаются в кипятке. В холодной же воде многие из них быстро погибают. Клеточные стенки этих термостойких бактерий и их белки работают наподобие микроскопической холодильной установки. Внутри этих бактерий сохраняются условия, пригодные для жизнедеятельности. Оказалось также, что бактерии могут жить и размножаться и глубоко под землей.

Бастин и Гри еще в 20-х годах ХХ века обнаружили на глубине нескольких сотен метров нормально живущие бактерии, питающиеся нефтью и использующие в качестве источника энергии соединения серы.

В последние годы подобные микроорганизмы обнаружены на глубине 3–4 км. В 1997 г. в журнале "Scientific American" утверждалось, что бактерии могут жить в толще литосферы на глубине до 5 км. Мощный слой горных пород на такой глубине буквально кишит микроорганизмами, хотя и заселён неравномерно.

В одном грамме подземных пород насчитываются десятки миллионов бактерий.

Примерно так выглядит Срединно-Океанический хребет на дне океана в зоне спрединга – расширения (наращивания) океанической коры. Просто невероятно, что в недрах этого хребта в магматической породе обитает несметное количество видов бактерий. Схема с сайта:

Пока бактерий обнаружили только возле одной из тектонических плит планеты, но исследователи уверены, что подобная жизнь есть и в других местах, просто нашли лишь там, где искали. Вся исследованная магма просто «кишела» жизнью.

Бактерии являются анаэробными, они используют тепло планеты и соединения железа для окислительных реакций. Они играют важную роль в целом ряде химических реакций в толще литосферы и на дне океана.

Биологи из Массачусетского технологического института и Океанографического института в Вудс-Хоуле, изучая жизнь на морском дне, обратили внимание на исследование живых организмов базальтовых отложений, протянувшихся на 60 тысяч км вдоль стыков литосферных плит Тихого океана.

Первые эксперименты по оценке населенности базальтовых пород проведены под руководством Катрины Эдвардс в районе Восточно-Тихоокеанского поднятия – подводного срединного хребта Тихого океана. В поперечном профиле этот хребет имеет вид широкого вала с узкой приподнятой гребневой зоной. В настоящее время это поднятие полностью находится под водой, за исключением острова Пасхи.

Количество видов и особей живых организмов, населяющих горные породы, в тысячи и десятки тысяч раз превысило количество бактерий в водах, непосредственно омывающих тихоокеанское дно.Такая обильная жизнь не может быть случайной. Удивительным оказался и тот факт, что гидротермальные источники, бьющие сквозь трещины в океаническом дне, не могут похвастаться ни таким обилием микроскопической жизни, ни таким ее разнообразием. Жизнь в базальтовых породах морского дна вполне может сопоставима с жизнью микроорганизмов, обитающим в почве.

Количество углерода в форме органических соединений на морском дне ничтожно, бактерии живут в холоде и не получают энергии от солнечных лучей. Химические реакции, протекающие между базальтами морского дна и водой, насыщенной минеральными солями, производят достаточно химической энергии, которую бактерии научились эффективно использовать.

Количество энергии, выделяемой в ходе обменных реакций между компонентами морской воды и базальтовыми породами, способно питать несметное количество микроорганизмов. Бактерии используют эту энергию исключительно эффективно – полностью и без остатка.

Литосферные бактерии размножаются в тысячи и десятки тысяч раз медленнее наземных – продолжительность их жизни очень велика. В состоянии анабиоза они могут существовать практически бесконечно. Эти специфические бактерии настолько приспособились к подземному обитанию, что при подъёме на поверхность гибнут. Только 10% литосферных бактерий могут жить в лабораторных условиях.

Поразителен факт жизнедеятельности бактерий в тверди гранита и базальта, в которые даже вода проникает медленно и в мизерных количествах. Подобную литосферную жизнь (биосферу) следует искать и в недрах других планет и спутников. Для выяснения вопроса, есть ли жизнь на Марсе, необходимо исследовать глубинные слои этой планеты.

Литосферные бактерии внутри метеоритов и других небесных странников могут переносить вещество наследственности ДНК с одной планеты на другую. Не исключено, что по массе живого вещества подземный мир даже превосходит наземный. Велико и разнообразие литосферных микроорганизмов, их уже известно более 10 тысяч видов.

Чарльз Кокелл из Открытого университета изучал микроорганизмы в экстремальных условиях, чтобы проверить, способны ли они пережить чудовищный шок выброса с планеты в космос и успешной "посадки" на другой планете. Испытывались сине-зеленые водоросли, живущие в каменных щелях, накипный лишайник, и споры морозоустойчивой бактерии Bacillus subtilis, которые поместили между слоями габбро – грубого камня, похожего на марсианские метеориты. Затем конструкцию из габбровых пластин и примитивных живых организмов подвергали удару стальной пластины посредством взрыва.

После взрыва микроорганизмы помещали в питательную среду, чтобы проверить, жизнеспособны ли они. Удары были эквивалентны тем, какие получают метеориты с Марса, найденные на Земле, а именно, давление до 50 млрд. паскалей. Для сравнения: давление в автомобильной шине составляет 200 тыс. паскалей. Оказалось, что лишайник и споры бактерий выживали при давлении до 45 млрд паскалей, а сине-зеленые водоросли – до 10 млрд. паскалей.

Во многих районах распространения изверженных пород при бурении на большой глубине в термальных водах и изменённых породах были обнаружены термофильные хемолитотрофные бактериальные сообщества, свидетельствующие о распространении жизни в литосфере на больших глубинах – до 4–5 км. [Moser et al., 2005; Fredrickson, Onstott, 1996; Kaiser, 1995; Stokes, 1995; Gold, 1992].

В рифтовой зоне Исландии термофильные сообщества бактерий зафиксированы в нагретых подземных водах на глубине 1,5–2 км [Marteinsson et al., 2001a, b].

Глубокие горизонты твёрдой коры, заселённые бактериями, представляют особую часть биосферы и рассматриваются как “глубокая подземная биосфера” (deep biosphere, deep subterranean environments, intraterrestrial biosphere, subsurface biosphere), в которой термофилы играют главную роль. Для областей литосферы с гидротермальной активностью, где в глубоких горизонтах обитают или обитали различные представители микробиоты, было предложено название "гидротермальная эндобиосфера" [Geptner, Kristmannsdottir, 2003].

Участие бактерий при формировании глинистых минералов было показано при изучении преобразований базальтового материала в искусственной гидротермальной системе. Образцы базальтов и (сидеромеланового) стекла, погруженные в специально подготовленные растворы с живыми бактериями и контрольные без бактерий, выдерживались в течении 9 месяцев при температуре 75°С.

На поверхности обломков базальтов и базальтового стекла, подвергавшихся термальной обработке с бактериями, среди вторичных минералов обнаружены характерные минерализованные биоморфноподобные структуры (нити, одиночные и скопления круглых тел), похожих на нанобактерии.

На некоторых участках среди вторичных минералов хорошо различимы новообразования, морфологически похожие на чешуйки слоистых силикатов. На поверхности стерильных образцов пород вторичная минерализация проявилась значительно слабее, а минерализованные биоморфноподобные структуры и элементы слоистых силикатов отсутствовали. Результаты этого эксперимента указывают на большую роль бактерий при разрушении базальтового материала и формировании слоистых силикатов [Гептнер, 2002].

В слоистых силикатах выявлен ряд характерных микроструктурных типов. Эти образования располагаются по стенкам и в свободном пространстве трещин, газовых пустот и разнообразных полостей в лавах. Важно подчеркнуть, что одинаковые по форме, составу и размерам структуры были встречены в разных районах Исландии.

Характер этих структур (микроглобулярные формы, ветвящиеся и изгибающиеся нити, сферы и полусферы на стенках пустот и т.д.) и взаимоотношение их с более поздними, запечатывающими минералами (цеолитами) и вмещающими породами определенно свидетельствуют о первично аморфном (коллоидном) осаждении материала с последующей раскристаллизацией и превращением в слоистые силикаты селадонитового и смектит-селадонитового состава.

Во многих случаях в кавернах базальтов нити совместно со скоплением сферических тел слагают однородную массу, напоминающую в шлифе по микроагрегатному двупреломлению в поляризованном свете зёрна глауконита из осадочных отложений.

Во всех исследованных местонахождениях размер мельчайших круглых образований в среднем равен 5 мкм в диаметре. Диаметр плотных шаров или сферических образований колеблется в пределах 20–30 мкм, а диаметр шаров с зональной структурой за счёт крустификационных каёмок изменяется в широких пределах от 50 до 100 мкм, при этом диаметр центрального ядра не превышает 20–30 мкм.

Анаэробная бактерия, питающаяся оксидом железа и обнаруженная на корпусе Титаника, затонувшего в 1912 году в Атлантическом океане после столкновения с айсбергом. Учёные назвали её Halomanas titanicae и показали, что эта бактерия способна поселяться на поверхности стали и активно участвовать в её коррозии, создавая характерную бугристую структуру ржавеющего металла. Исследователи полагают, что эта бактерия может оказаться крайне полезной в утилизации затонувших кораблей и нефтяных платформ, лежащих на дне океана. Фото с сайта:

Пористые глинистые массы в крупных открытых полостях слагают плавно изгибающиеся пленки и “занавеси”, располагающиеся поодиночке или собранные в пакеты сходной пространственной ориентировки. Пленки состоят из серии субпараллельно расположенных нитей. При небольшом увеличении видно, что на определенном уровне нити сливаются в плотные глинистые агрегаты, чётко отделяющиеся от соседнего участка плёнки.

Палочки – это слегка вытянутые с закругленными контурами образования, располагающиеся на гранях и на плоскостях глинистых чешуек. Размер изолированных тел такого типа не превышает 0,7 микрона. По форме и размеру они сходны с фоссилизированными нанобактериями, описанными в литературе. Иногда они полностью заполняют промежутки между глинистыми чешуйками.

Для минерализованных биогенных образований характерны одинаковые или узкие пределы колебаний размеров. Диаметр нитей в среднем составляет 5–7 микрон.

Для шарообразных структур установлено два наиболее часто встречающихся размера: 20–30 микрон и 50–70 микрон. В последнем случае шаровые структуры, как правило, имеют концентрическое строение и часто покрыты крустификационной каймой. Прямым подтверждением фоссилизации органики является секционный характер нитей и наличие в их центре круглых или овальных каналов.

Биогенная природа минерализованных нитей выявляется при сопоставлении с современными фоссилизированными бактериями и их колониями. Обращает внимание сходный характер и размер пористости, наблюдавшейся в строении минерализованной органики из миоценовых базальтов, содержащих хорошо сохранившиеся фрагменты бактерий.

Минерализованная микробиота – это возможный индикатор потока углеводородов. Состав и распределение полициклических ароматических углеводородов в свежих и гидротермально изменённых породах, а также во вторичных минералах базальтов Исландии рассмотрен в работе Гептнер и др. (1999). Минерализованные бактерии были обнаружены именно в районах, где среди гидротермально изменённых пород было установлено наибольшее количество углеводородов.

Наиболее отчётливо связь между минерализованными остатками микробиоты и углеводородами удалось установить в миоценовых вулканитах на севере и на востоке Исландии. Здесь были найдены минерализованные бактериальные формы. Большое количество бактериальных формах слагают современную постройку подводного горячего источника на дне Эйьяфьорда.

Нахождение биоморфных микроструктур и полициклических ароматических углеводородов в составе гидротермально образовавшихся слоистых силикатов указывает на важную роль абиогенных углеводородов в обеспечении жизнедеятельности микроорганизмов, обитающих в литосфере и на дне глубоких морей. Минерализованные фрагменты микробиоты можно рассматривать как возможный индикатор потока углеводородов.

А.В. Галанин

***

.

НАВЕРХ

.