Диявольський червʼяк, який змінює наше розуміння життя

Коли в глибинах земної кори нашої планети виявили одного-єдиного черв'яка, це стало початком неймовірного ланцюга подій, який змінив наше розуміння життя на екстремальних глибинах.

Якби ви могли пробурити землю під собою й спуститися в земну кору, то дуже швидко почали б почуватися некомфортно.

Мірою того як сонячне світло зникає, а ви наближаєтеся до розплавленого ядра планети, температура й тиск зростають, а глибокі ґрунтові води заповнюють тріщини та порожнини в породі.

На спекотній глибині в 1,3 км можна було б припустити, що тут ніщо не здатне вижити. Але якщо вам пощастить, ви можете їх побачити: мільярди й мільярди бактерій, які іноді утворюють яскраво-помаранчеві або білі килими. А якби у вас був мікроскоп, можливо, ви навіть побачили б крихітного черв'яка, який за допомогою придатків біля рота пересувається по скелі.

Це Halicephalobus mephisto, або диявольський черв'як, який полює на мікробів. Хоча він мізерний за розмірами - його довжина становить лише кілька людських волосин - у цій ліліпутській екосистемі він справжній кит.

Коли він помирає в слизоподібній мікробній плівці, що вкриває породу, вважають науковці, його тіло споживають бактерії та інші форми життя, підтримуючи цей дивний цикл існування.

До 1980-х років більшість біологів вважали, що життя не існує глибше ніж приблизно 30 см під поверхнею землі. Виявлення бактерій, які мешкають на великих глибинах, а також відкриття диявольського черв'яка у 2011 році стали справжнім переворотом у нашому розумінні надр Землі.

Історія цього черв'яка демонструє, як тваринне життя знаходить спосіб існувати без енергії Сонця і без атмосфери, багатої на кисень, радикально розширюючи уявлення науковців про можливості живих організмів та породжуючи нові ідеї про походження і майбутнє життя.

"Якщо там можна знайти черв'яка, то що ще ми пропускаємо? - дивується геомікробіологиня Карен Ллойд із Університету Південної Каліфорнії. - Це просто безмежне поле можливостей".

Завдяки щасливому збігу обставин ученим вдалося отримати потомство від того єдиного черв'яка, і тепер вони активно вивчають його нащадків, щоб зрозуміти, як цей вид виживає в гарячих і темних надрах Землі.

Знайомство з глибокою біосферою

Перші переконливі повідомлення про життя глибоко під поверхнею з'явилися у 1990-х роках. Наприклад, у 1997 році бактерії виявили на глибині 2,8 км усередині газової свердловини.

На початку 2000-х років біолог Гаетан Боргоньє, який вивчає черв'яків і заснував бельгійський некомерційний дослідницький інститут Extreme Life Isyensya, замислився над тим, чи можуть невеликі черви, відомі як круглі черви або нематоди, також існувати глибоко під землею.

Боргоньє згадує, що старші науковці висміювали думку про те, що складніші форми життя можуть існувати в таких глибинах. Але він, знаючи витривалість цих маленьких тварин, вважав, що це варто перевірити.

Зрештою, коли космічний шатл Columbia зазнав катастрофи й розпався в атмосфері у 2003 році, нематоди з експерименту на борту впали на землю з висоти 64 км і вижили, після чого ще й успішно розмножувалися.

У 2008 році Боргоньє разом із фахівцями з екстремальних форм життя відвідав золоту шахту Beatrix у Південній Африці. На глибині 1,3 км команда отримала доступ до отворів, пробурених у стінах шахти для видобутку води температурою приблизно 37°C усередині породи. Воду пропускали через фільтри, призначені для виловлювання дрібних форм життя.

Після фільтрації понад 6 000 літрів води вони впіймали одного маленького черв'яка.

У двох інших шахтах Південної Африки вони профільтрували ще більші обсяги води, понад 12 мільйонів літрів в одній із них, і знайшли жменю різних видів нематод, а також інших безхребетних, грибів і кілька мікроскопічних форм життя.

"Я ніколи не очікував знайти цілий зоопарк", - каже Боргоньє.

Більшість виявлених видів відомі й на поверхні. Але черв'як із шахти Beatrix, хвіст якого був пошкоджений під час фільтрації, належав до виду, якого Боргоньє не впізнав.

У 2011 році вони повідомили, що це новий для науки вид, і назвали його Halicephalobus mephisto.

Пошкодження хвоста для нематоди означає смертний вирок. Але, на щастя, ця особина була самицею і була партеногенетичною, тобто могла розмножуватися самостійно без спарювання. До своєї смерті вона відклала вісім життєздатних яєць.

"Нам дуже, дуже пощастило", - каже Боргоньє.

Він більше ніколи не знаходив іншого диявольського червʼяка.

"Це був черв'як, який вижив. Як Гаррі Поттер", - захоплено говорить дослідник геноміки Джон Брахт з American University у Вашингтоні.

Частина нащадків того черв'яка потрапила до лабораторії Брахта, де їх вирощують у чашках Петрі в умовах, подібних до тих, у яких утримують родича диявольського черв'яка, Caenorhabditis elegans, одного з найбільш досліджених видів нематод, що живе на гниючих плодах.

Але є й відмінності. Mephisto не плаває у воді, а натомість чіпляється за стінки пластикових трубок, що, ймовірно, допомагає йому утримуватися на підземних породах.

Схоже, йому не до вподоби харчування Caenorhabditis elegans - бактерія E. coli. Черв'яки-дияволи повзуть до інших бактерій, які потрапляють у чашки й утворюють колонії.

Важливо, що mephisto погано почувається за кімнатної температури. При 20°C його розвиток сповільнюється, і життєвий цикл триває вісім днів. Натомість він віддає перевагу температурі 37°C, умовам, які зазвичай вбивають Caenorhabditis elegans, але за яких mephisto успішно розмножується кожні два дні.

Пристосування для витривалості

Вивчати вид лише за нащадками однієї особини непросто, особливо якщо вони давно перебувають далеко від природного середовища. Проте Брахт знайшов підказки щодо того, як цей черв'як виживає під землею.

Коли він та його колеги секвенували ДНК mephisto у 2019 році, вони виявили незвично велику кількість генів, що виробляють білки теплового шоку - молекули, які захищають інші білки від ушкоджень, спричинених екстремальними температурами.

Пізніше, у 2024 році, команда Брахта детально дослідила іншу молекулу - цитохромоксидазу c, ключовий компонент процесу споживання кисню та вироблення енергії, необхідної для підтримання життя.

Серія експериментів показала, що цитохромоксидаза c у mephisto функціонує лише за високих температур. За кімнатної температури молекула вимикається, уповільнюючи вироблення енергії, що пояснює, чому ці черв'яки настільки мляві в таких умовах.

Брахт припускає, що цей механізм вимкнення може бути тактикою виживання.

"Вони таким чином забезпечують інтенсивніше розмноження у сприятливішому середовищі, тобто теплому", - каже він.

Зараз Брахт досліджує, чи є партеногенетичний спосіб розмноження диявольського черв'яка також інструментом виживання. Оскільки вони можуть дуже рідко зустрічати представників свого виду в безкраїх підземних просторах, такий спосіб безстатевого розмноження іноді може бути єдиною можливістю залишити потомство.

Втім, вважають, що безстатеве розмноження має певну ціну, адже не створює здорового генетичного різноманіття, яке виникає під час змішування генетичного матеріалу самців і самиць. Саме тому багато науковців вважають види, що розмножуються безстатево, приреченими на вимирання.

Можливо, самці диявольського черв'яка все ж існують, що дозволяє певний рівень статевого розмноження під час зустрічей особин, але їх поки не виявили, припускає Брахт.

У будь-якому разі ці черв'яки демонструють виняткову здатність нематод пристосовуватися.

"У будь-якому місці, де є джерело їжі та можливість для тварин туди потрапити, нематоди еволюціонують так, щоб зайняти цю нішу", - каже він.

Стійкість у глибинах

Залишається загадкою, як ці форми життя сюди потрапили.

Дослідження Боргоньє та геобіологині Кари Магнабоско з ETH Zürich у Швейцарії свідчать, що принаймні деякі нематоди спускаються з поверхневих середовищ разом із водою, можливо, за сприяння поштовхів землетрусів. Одні види виживають, інші гинуть.

"Має існувати певний зв'язок і транспорт від поверхні до цього глибокого середовища", - каже Магнабоско.

Загалом Магнабоско та інші дослідники оцінюють, що мікроби глибокої біосфери становлять значну частку життя на планеті, забезпечуючи від 12% до 20% усієї мікробної біомаси Землі.

Ці підземні бактерії, які виробили складні стратегії отримання вуглецю та енергії з темного навколишнього світу, імовірно, відіграють важливу роль у підтримці складніших форм життя, таких як нематоди.

Вони не лише забезпечують їжу, а й можуть продукувати невеликі кількості кисню, необхідного глибоководним нематодам, каже Ллойд.

Крім того, впливаючи на рівень кислотності всередині глибоких водних порожнин, "вони можуть допомагати створювати сприятливе середовище для росту більших організмів", зазначає Ллойд.

Безхребетні своєю чергою забезпечують мікробів поживними речовинами: азотом через виділення та вуглецем зі своїх тіл після смерті, додає Боргоньє.

Дослідження Меггі Лау з Інституту глибоководної науки та інженерії Китаю і її колег виявило свідчення того, що один вид бактерій, які мешкають на великих глибинах, може перебувати в земній корі ще з часів розпаду суперконтиненту Пангея, який почався приблизно 165 мільйонів років тому, коли Землю ще населяли динозаври.

Диявольський черв'як і його підземні родичі цілком можуть належати до найвитриваліших форм життя на планеті.

На думку фахівців, вивчення глибокої біосфери може допомогти краще зрозуміти умови, за яких зародилося життя, а також сприяти пошукам позаземного життя. Якщо життя існує на Марсі, воно, ймовірно, ховається під поверхнею.

І якщо астероїд, здатний знищити життя, вразить Землю та стерилізує її поверхню, життя може знову виникнути завдяки істотам, що мешкають у надрах.

"Ми, люди, думаємо, що керуємо світом, але це не так", - каже біохімік Еста ван Герден, провідна екологічна науковиця південноафриканської компанії з біоремедіації iWater і членкиня команди, що відкрила диявольського черв'яка.

"Для мене це стало надзвичайно повчальним досвідом. Усвідомлення того, що вони існують тут мільйони, а можливо, й мільярди років, і залишаться тут ще довго після того, як нас уже не буде", - додає вона.