Мікробіота вугленосного океанічного осаду успадкована від стародавніх ґрунтів

Мікробіота вугленосного океанічного осаду успадкована від стародавніх ґрунтів
Мікрофлора вуглистих прошарків на глибині 2,4 км під дном океану

В ході глибокого буріння північно-західного шельфу Тихого океану були зібрані дані про мікробіоту океанічного осаду. В осадових породах на глибинах від 1,5 до 2,5 км знайдена порівняно багата мікрофлора, яка за своїм складом виявилась ближче до комплексу лісових ґрунтів, ніж морського осаду. Це означає, що за 60 мільйонів років мікробне угруповання морського осаду не витіснило повністю початкове ґрунтове угруповання.

В сучасному світі інтерес до морського дна стає дедалі наполегливішим: морський осад бачиться тепер перспективним джерелом паливних ресурсів. В дослідження глибоких осадових порід океанічного дна вкладаються серйозні гроші, а це неминуче призведе до дивовижних відкриттів. Одне з таких досліджень представлене на сторінках журналу Science — його виконала велика міжнародна команда вчених під керівництвом Фуміо Інагакі з японського Агентства наук і технологій моря і землі (JAMSTEC) і Кая-Уве Хінрікса з Бременського університету. Ця робота проводилась в рамках Міжнародної програми океанічного буріння (Integrated Ocean Drilling Program) в районі північно-західного краю Тихого океану (на схід від півострова Сімокіта).

У 2006-му та 2012 роках були взяті керни з глибин від 300 м до 2,5 км. У зразках кернів вчені шукали сліди життя: кількість і склад мікробіоти, біомаркери специфічного бактеріального метаболізму, ізотопний склад вуглекислого газу і метану. Вийшов безперервний профіль мікробіоти в залежності від глибини і типу осадів.

Характеризуючи життя в глибоких шарах океанічного ложа, вчені зробили все можливе, щоб виключити сучасне забруднення. Проби для мікроаналізу брали тільки з середини зразків керна стерильними інструментами в стерильних умовах. Крім того, в бурову рідину додавали спеціальну флуоресцентну домішку, яка добре проявлялась при мікроскопуванні. Якщо зразок містив сліди цієї флуоресцентної мітки, його вибраковували. Але й цього було мало, тому що певна частина бактерій з поверхні все одно потрапляла в зразки. Вчені паралельно брали метагеномні проби мікрофлори бурової рідини для кожної глибини і всі типи клітин, спільні для бурових розчинів і зразків кернів, вважали забрудненнями. Тобто проводився потрійний контроль забруднень, що дозволяє з довірою ставитись до отриманих кількісних і якісних оцінок глибоких мікробіот.

Ясно, що характеристики мікробного життя поступово змінюються з глибиною осадів. Відомо, що чим глибше, тим менше число живих клітин, причому воно убуває експоненціально. Взагалі, живі клітини відомі з глибин 4 км під дном океану, можливо вони є і глибше, просто немає даних. На глибині 2,5 км у вивчених пробах число клітин, за найбільш консервативними оцінками, виявилось близько сотні на 1 см3 породи, і чим ближче до поверхні, тим воно було більшим. Але в даному випадку замість поступового збільшення рясноти життя проявились два максимуми. І обидва вони приурочені до масивних вуглевмісних шарів океанічних порід.

Графік числа клітин на різних глибинах в океанічних осадах в північно-західному регіоні Тихого океану. Два максимуми на глибинах 2450 м і 2040-1800 м відповідали масивним вуглистим прошаркам

Ці вугленосні шари сформувались відповідно в палеогені і ранньому неогені в наземних лісових умовах, а поверх них утворились осади болотистих і лагунних відкладень. Шари наземного походження вище перекриваються більш молодими морськими відкладеннями, в яких характеристики мікрофлори цілком відповідають теоретично очікуваним. Але вчених набагато більше зацікавила мікробіота вугленосних прошарків.

Крім кількісних показників, несподіваними виявились і якісні характеристики мікрожителів цих шарів. За метагеномними характеристиками вони ближчі радше до ґрунтового комплексу лісів і боліт, ніж морських осадів. Так, в них підвищена частка типово ґрунтових бактерій типів Actinobacteria, Proteobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes, Acidobacteria. В більш молодих типових морських осадах бактерій цього типу суттєво менше. При цьому в вуглевмісних шарах порівняно мало представників типу Chloroflexi, звичайних в океанічних осадових породах. Це означає, що мікробіота глибоких осадів була певною мірою успадкована від початкового місця існування, і що б там не траплялось в наступні мільйони років, зберігала сліди свого оригінального портрета.

Мікробіота глибоких вугленосних прошарків цілком активна і існує за рахунок гідрогенотрофного метаногенезу. Такий висновок вчені зробили, вивчивши, по-перше, ізотопний склад метану і низькомолекулярних органічних сполук, по-друге — загальну кількість ключового ферменту метаногенних біологічних процесів (а його оцінювали за наявністю характерного біомаркера). В обох випадках знайдені чіткі сліди метаногенного метаболізму. Його виробниками були, ймовірно, археї-гідрогенотрофи, які відновлюють вуглекислий газ до метану присутнім в глибоких осадових породах воднем. Щоправда, з відомих гідрогенотрофів були визначені тільки дві форми, але це лише попередні визначення.

Додатковим доказом гідрогенотрофного метаногенезу в глибоких шарах стали експерименти. Вчені завантажили в дослідний біореактор весь мікробний комплекс і в якості «їжі» забезпечили його поміченою ізотопами вугільною пудрою. Клітини в дослідному реакторі стали ділитись, використовуючи для росту мічений вуглець. У загальній біомасі виявились носії специфічного гена гідрогенотрофного метаболізму, який кодує метил-коензим М редуктазу — ключовий фермент в метаноутворенні. За своїми послідовностями ці гени виявились близькими до редуктаз мешканців наземних вугільних пластів. Таким чином, мікрофлора глибоких осадів дійсно використовує вугільний пил, виробляючи метан за допомогою водневого відновлення. Акуратні оцінки та розрахунки швидкостей цих процесів допомагають прикинути обсяги паливних продуктів, які утворюються в глибоких шарах океанічних осадів. Але це лише перші приблизні оцінки.

Ми, як з'ясовується, напрочуд мало знаємо про нашу біосферу. Величезну її частину становить мікрофлора підземних осадів — у відсотковому відношенні приблизно стільки ж, як і ґрунтова мікрофлора, і приблизно половина мікробіоти океанічних вод. Ці оцінки переглядатимуться з урахуванням складу, метаболічних особливостей і генезису мікрофлори різних пластів порід. Але навіть цікавішим за ці загальні оцінки стає з'ясування походження та адаптації глибоких мікробних комплексів до нових умов. Важко було уявити, що наземний мікробний комплекс лісових ґрунтів за 60 мільйонів років не замінився повністю на комплекс морських осадових порід. Навіть при дуже низьких енергетичних ресурсах цей комплекс показав себе в деяких аспектах на диво стабільним. Хотілось би знати: чи так це в інших місцях, де реєструють вуглисті пласти в океанічних осадах? Наскільки змінились характерні ґрунтові представники? Ймовірно, відповіді на ці питання ми отримаємо найближчим часом, так як зараз активно працюють великі проекти глибокого буріння дна океану.

X

Вхід

Завантажую...