Природная лаборатория Ессентуков: как в недрах Кавказа открыли модели древнейших экосистем

Согласно гипотезе, все современные клеточные живые существа на Земле — от бактерий до человека — произошли от одноклеточного организма, обитавшего на нашей планете около 3–4 млрд лет назад и получившего название LUCA, то есть Last universal common ancestor — «последний универсальный общий предок». Сегодня ученые стремятся сформировать о нем максимально полное представление. Важный вклад в эти изыскания внесли микробиологи Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, впервые описавшие в 2024 г. современную экосистему, состоящую на 80–90% из бактерий, аналогичных всеобщему предку по предполагаемому способу питания и получения энергии. «Портал в прошлое» обнаружился глубоко под землей — в Ессентукском месторождении минеральных вод. О необычном микробном сообществе и других ценных знаниях, которые подарило проведенное исследование, читайте в статье «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. Помимо этого, гипотезы о возможностях последнего общего предка выдвигаются исходя из предположений о геологических и геохимических процессах, которые могли быть современными этому древнему гипотетическому созданию и к которым оно, как следствие, должно было приспосабливаться.

В 2016 г. в журнале Nature Microbiology была представлена статья, посвященная особенностям метаболизма LUCA. Авторы выдвигали гипотезу, что этот микроорганизм был анаэробным (то есть не нуждался в кислороде), термофильным (существовал при высоких температурах), автотрофным (то есть использовал для строительства клетки углерод из углекислого газа (СО₂), как делают, например, растения и водоросли) и использовал для получения энергии водород (H₂) и углекислый газ.

Прошлое в настоящем

Сегодня на Земле существует много микроорганизмов, похожих по способу питания на нашего гипотетического далекого предка. Один их них — термофильная автотрофная бактерия Aceticella autotrophica. Она получает энергию так же, как, предположительно, это делал LUCA: трансформирует водород и углекислый газ в уксусную кислоту (такие организмы называют ацетогенными). При этом она не способна осуществлять никакие другие реакции, то есть представляет собой высокоспециализированный организм. Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН впервые выделили ее из термальных источников на Камчатке, где она обитает. Но там, как и во всех ранее известных местах, где обнаруживали ацетогенов, численность этих микробов была совсем незначительной. 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.

В целом микроскопические подземные обитатели Кавминвод находятся в поле зрения российских биологов уже почти 100 лет. Это один из самых изучаемых курортных регионов Земли. Но ранее микробиологические исследования фокусировались на микробах, населяющих недра близко к поверхности. Дело в том, что типичные микроорганизмы глубоких водоносных горизонтов существуют в столь специфических условиях, что их не всегда удается культивировать в лаборатории. Только в XXI в. ученые выяснили, что микробов на нашей планете в принципе во много раз больше, чем тех, что поддаются выращиванию в искусственных условиях (они составляют лишь 5–10% от общего разнообразия), и начали более детальное знакомство с этими созданиями. Все это — благодаря технологиям геномного секвенирования нового поколения, позволяющим изучать капризных микробов не только в живых культурах, но и косвенным путем, узнавая о них больше по результатам анализа выделенной из клеток ДНК хранящейся в ней генетической информации.

Во время своего исследования ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН отобрали пробы микроорганизмов из пяти скважин, относящихся к трем разным водоносным горизонтам — верхнеюрскому, нижнемеловому и верхнемеловому. Глубина залегания водоносных пород составляла от 0,5 до 1 км.

Несмотря на то что пробы отбирались на довольно ограниченной территории, оказалось, что на различных глубинах в изученных участках недр обитают четыре обособленных микробных сообщества, не пересекающихся друг с другом и имеющих очень разные состав и особенности. Три из них, отдаленные от поверхности, были в основном представлены бактериями, в одном существенную долю составляли археи, и везде доминировали именно те микроорганизмы, которые ранее считались некультивируемыми и были известны только на основе геномного анализа.

Самое яркое открытие подарил наиболее глубокий водоносный горизонт, относящийся к верхнеюрскому периоду (возрастом около 161–149 млн лет). Анализы показали, что это первое известное ученым природное микробное сообщество, представленное на 80–90% микроорганизмами, похожими на LUCA, — пресловутой бактерией Aceticella autotrophica. При этом такая картина для этой подземной экосистемы, судя по всему, постоянна: ученые брали пробы воды из скважины трижды с разницей в два года, и результат не изменился.

Стоит подчеркнуть, что речь не идет об открытии того самого предкового организма, чудом сохранившегося в недрах до наших дней, — обнаруженная экосистема сформировалась намного позже вымирания гипотетического LUCA. Ценность этой находки в другом: ученым в первый раз удалось обнаружить экологическую нишу, где лидирующую позицию занимает организм, чьи особенности совпадают с предположительными характеристиками общего предка. Ранее такие экосистемы найти не удавалось. Поэтому 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.

«Уникальность данного сообщества заключается именно в том, что от этого ацетогена зависит существование всех остальных микроорганизмов, находящихся на исследуемом участке водоносного горизонта. Aceticella autotrophica — первичный продуцент, то есть эта бактерия производит 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 H_2, 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.

Но, оказывается, на современной Земле все же остался уголок, где ацетогенные организмы чувствуют себя полноправными хозяевами. По данным гидрогеологов, в верхнеюрском водоносном горизонте Ессентукского месторождения крайне высока концентрация CO₂: на одну часть воды приходятся примерно 16 частей углекислого газа. А водород, как полагают исследователи, попадает в подземные воды из глубинных слоев геосферы.

Неординарным условиям помогает сохраняться надежная изоляция: массивная толща осадочных пород не дает современной атмосфере повлиять на уникальную экологическую нишу. Благодаря этому в недрах Ессентукского месторождения многие годы процветает изолированный микромир, где царствуют создания с метаболизмом, который был энергетически выигрышным миллиарды лет назад.

От железной эпохи до кислородной катастрофы

Открытие микробного сообщества с Aceticella autotrophica — не единственный экскурс в прошлое, который подарило ученым Ессентукское месторождение. Дело в том, что регион Кавказских минеральных вод — настоящая природная лаборатория, где в толщах осадочных пород воспроизведены условия, царившие на планете в разные эпохи глубокой древности.

«Рост Кавказских гор с точки зрения истории нашей планеты начался относительно недавно. На этой территории до сих пор близко к поверхности располагается магматический очаг, и толщина осадочного чехла на протерозойском кристаллическом фундаменте очень невелика. За счет того, что этот район до сих пор тектонически активен, в осадочных породах образуется много разломов и трещин, а снизу поступает тепло. И если рассмотреть геологическое строение Ессентукского месторождения, можно сказать, что в нем представлены своеобразные аналоги процессов, происходивших в архее и протерозое во время формирования осадочного чехла на поверхности планеты. С этой точки зрения Ессентукское месторождение может рассматриваться как аналог нескольких древних экосистем, — рассказала корреспонденту «Научной России» Д.Г. Заварзина. — При этом в силу мозаичного геологического строения этот район представляет собой уникальную систему с очень контрастными физико-химическими параметрами. Например, там наблюдается гидрогеологическая инверсия: между двумя водоносными горизонтами, несущими горячие, газированные углекислотой воды, находится третий горизонт, относящийся к нижнемеловому периоду, содержащий теплые воды, в которых есть растворенный кислород. Из-за такого разнообразия геохимических факторов микрофлора на каждом отдельном участке месторождения развивается совершенно по-разному, что и определяет уникальный облик местных микробных сообществ».

Таким образом, в других водоносных горизонтах Ессентукского месторождения также представлены экосистемы, которые могли быть характерны для разных этапов существования планеты в далеком прошлом.  

«60% мировых запасов железных руд сегодня составляют железисто-кремнистые формации докембрия, такие как Курская магнитная аномалия. Период их формирования длился около 1,5 млрд лет: это была настоящая железная эпоха планетарного масштаба. Считается, что в этот период на Земле процветали микроорганизмы, способные получать энергию от трансформации минералов железа. На изученном нами участке верхнемелового водоносного горизонта, откуда добываются популярные воды типа “Ессентуки № 4” и “Ессентуки № 17”, мы тоже обнаружили микробное сообщество, в большой степени специализирующееся на преобразовании минералов железа. В частности, нам удалось найти новую, ранее не культивируемую ветвь бактерий, представляющих собой облигатных железоредукторов: они могут использовать для получения энергии только минералы железа либо ионы железа в растворенном виде и водород. Это редкость для микроорганизмов, способных трансформировать соединения железа. Но в изученном нами микробном сообществе такие создания составляли его существенную долю, — поделилась Д.Г. Заварзина. — А в нижнемеловом горизонте, содержащем теплые воды со следами кислорода, бактериальные сообщества в очень большой степени представлены микроорганизмами с гибким метаболизмом. При наличии кислорода они сразу начинают использовать его в обмене веществ, потому что это самый энергетически выгодный окислитель для живых существ. Но их метаболизм может нормально функционировать и без кислорода. Таким образом, они могут использовать для поддержания жизни большое количество субстратов. Это не микробы с узкой специализацией, как бактерии в верхнеюрском горизонте, а универсалы, способные очень быстро подстраиваться под изменения окружающей среды. Предполагается, что такие организмы получили преимущество на Земле в период так называемой кислородной катастрофы, когда в атмосфере постепенно начал появляться кислород и произошел переворот в биосфере: аэробные процессы стали превалировать над анаэробными, что дало начало развитию сложных многоклеточных организмов.

Таким образом, Ессентукское месторождение минеральных вод подарило нам уникальный шанс заглянуть в прошлое, воспроизведенное в настоящем времени с участием современных микробных сообществ, сформировавшихся под влиянием специфического комплекса физико-химических факторов».

Ученые заметили еще одну интересную закономерность: чем больше микробные сообщества были удалены от поверхности, тем меньше было их разнообразие. Самая богатая подборка бактерий обнаружилась в приповерхностных водах.

Чистота и единство — залог успеха

Пробы отбирали следующим образом: большие объемы воды из скважин в стерильных условиях пропускали через специальные трековые мембранные фильтры (ноу-хау отечественных физиков из дубнинского Объединенного института ядерных исследований), способные задержать клетки бактерий и архей. В результате на фильтрах оседали микроорганизмы и минеральные частицы, на которых также закреплялись микробы.

Во время работы на Ессентукском месторождении микробиологам улыбнулась редкая удача. Очень часто при изучении подземной микрофлоры в пробы попадают загрязнители из поверхностных вод, технологического оборудования или соседних слоев породы. Но поскольку минеральные воды используются для питья и лечения, к их добыче предъявляются строгие санитарные требования. Стволы скважин изготавливаются из нержавеющей стали, а их техническое состояние регулярно проверяется. Помимо этого, в данном случае добываемые воды — напорные: они выходят из-под земли под давлением в десятки атмосфер, поэтому в них практически не могут проникнуть посторонние загрязнители и поверхностная микрофлора. Важную роль сыграло и то, что в связи с проведением переоценки запасов минеральных вод месторождения все скважины в течение полутора лет работали с максимальной интенсивностью, благодаря чему хорошо промывались. 

Отобранные пробы изучали двумя разными методами. Первый — молекулярно-биологический анализ ДНК: последовательности выделенных из образцов молекул были секвенированы (прочитаны) и проанализированы методами биоинформатики. С помощью этого подхода ученые смогли определить по геномным маркерам состав ессентукских микробных сообществ и узнать больше о функциональных возможностях их представителей. Второй метод, не менее важный, но незаслуженно забываемый во многих современных лабораториях, — попытка культивировать отобранные пробы в искусственных условиях, воспроизводящих уклад подземных экосистем. В этой части работы значимую роль сыграло сотрудничество с гидрогеологами и геохимиками.

«Мы располагали очень большим массивом геологических данных, благодаря чему нам удалось подобрать селективные среды и выделить в чистые культуры несколько таксонов микроорганизмов, ранее считавшихся некультивируемыми, вплоть до новых классов, что представляет собой довольно глубокий уровень филогении. В результате мы получили возможность детальнее изучить свойства обнаруженных микробов, проанализировать геномы этих организмов уже в составе чистых культур и таким образом определить, какие из их генов реально работают», — сообщил 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?

Оказалось, что многие микроскопические обитатели земных недр действительно активно влияют на состояние ессентукских вод. В частности, они определяют соотношение содержащихся в воде карбонатов и гидрокарбонатов и регулируют растворимость бора — все эти вещества входят в число важнейших лечебных компонентов минеральной воды и влияют на газовую компоненту минеральных вод. Кроме того, у некоторых организмов обнаружились гены, указывающие на вероятную способность их обладателей синтезировать биологически активные вещества (вторичные метаболиты). Находка требует дальнейшего изучения: вероятно, этот фактор тоже вносит вклад в целебные свойства подземных вод.

На этом исследование не заканчивается: ученые продолжают работу по получению новых чистых культур микроорганизмов из отобранных проб. Наблюдение за микробами, ранее не поддававшимися культивированию в лабораторных условиях, обогатит знаниями фундаментальную науку.

У изысканий есть и важное прикладное значение: ученые фактически впервые собрали банк данных, содержащий информацию о естественной микрофлоре питьевых минеральных вод. И это существенно — ведь если микробы могут влиять на состав и, как следствие, лечебную ценность воды, правила работы с ней должны быть пересмотрены. Получается, что она требует такого же бережного обращения, как и другие продукты, чьи свойства зависят от содержащихся в их составе микроорганизмов, например йогурты. Если условия розлива и хранения минеральной воды будут подобраны неправильно, у нее изменится химический состав, что повлияет на ее лечебные свойства.

«К счастью, в этой области к нашему исследованию проявили большой интерес производители ессентукских минеральных вод. На нескольких предприятиях уже скорректированы методики розлива и контроля качества минеральных вод с учетом свойств подземной микрофлоры, которая их формирует», — 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.