Фауна океанических гидротерм: из реликтов в молодость
Генетический анализ животных из горячих океанических источников показал, что все эти виды, считавшиеся едва ли не ровесниками древнейших архей, сравнительно молоды.
Многокилометровые океанские глубины темны, пусты и безжизненны; по всему миру – и под жизнерадостными умеренными широтами, и в обледенелой Арктике, и под жаркими тропиками – они одинаково унылы. Так думали исследователи прошлого.
Не имея возможности заглянуть в эти глубины, британский естествоиспытатель Эдвард Форбс, которому принадлежит первая схема вертикальной зональности океана, в XIX веке выдвинул «азойную теорию» о невозможности жизни глубже 500 м. Вскоре, благодаря исследованиям на парусно-паровом корвете «Челленджер», во время которых с помощью драг были получены первые образцы грунта из глубоководных районов океана, стало понятно: жизнь там все же есть. Но, что верно, она очень бедная.
Чтобы как следует изучить дно и его обитателей, понадобились надежные морские суда, новые орудия отбора проб и подводные аппараты, в том числе пилотируемые, оснащенные механическими манипуляторами, фото- и видеокамерами. Переворот в науке произошел в 1977 году, когда глубоководный обитаемый аппарат «Алвин» опустился возле Галапагосских островов на глубину 2,5 км в районе горячих источников: перед взорами экипажа предстали чудесные подводные оазисы с прежде неизвестными животными.
Последующие изыскания показали, что в местах выхода горячих растворов, насыщенных ядовитым сероводородом, метаном и другими химикатами, существуют удивительные сообщества животных, которые питаются за счет хемоавтотрофных бактерий-симбионтов. Бактерии синтезируют органические вещества, используя энергию химических реакций, где задействованы агрессивные компоненты гидротермальных растворов. Огромные, метровой длины черви Рифтии содержат бактерий-кормильцев в особом органе – трофосоме, куда кровеносная система червя доставляет необходимый бактериям сероводород. У некоторых двустворчатых моллюсков бактерии живут в жабрах, которые из-за этого стали огромными, красными и по виду напоминают печень. Глубоководные креветки носят бактерий под панцирем, волосатые крабы-йети выращивают их на густом «мехе» передних ног. Каждый своим способом, они «приручили» разные группы хемоавтотрофных бактерий, растят их внутри или снаружи своего тела, и для гидротермальных глубоководных животных это — главный и вполне достаточный источник пищи.
Предполагается, что гидротермальные источники уже существовали в древнем океане. Бактерии, обитающие в гидротермах, и вместе с ними археи – безъядерные одноклеточные организмы, способные к синтезу метана, считаются самыми древними из живых организмов нашей планеты. Логично было предположить, что животные, обитающие в условиях, которые существовали в древнем океане в симбиозе с одними из самых древних существ планеты, – тоже древние. Долгое время так и считалось, что фауна глубоководных гидротерм – это живые ископаемые. Иллюзию рассеяла молекулярная генетика. По степени сходства генов разных организмов можно оценить, как давно они разошлись в ходе эволюции. О результатах таких исследований на лекции в Институте океанологии РАН рассказал профессор Роберт Врайенхук (Robert C. Vrijenhoek) из Исследовательского института аквариума в Монтерее (Monterey Bay Aquarium Research Institute, штат Калифорния, США). Его приезд в Россию стал возможным благодаря поддержке фонда «Династия».
Генетический анализ животных из горячих океанических источников показал, что все эти виды сравнительно молоды. Гигантские красные черви Рифтии, которых по первой поре поместили в тип погонофор в качестве отдельного класса под названием вестиментиферы, вместе со всеми остальными погонофорами оказались всего лишь одним из небольших подразделений класса многощетинковых червей, и они возникли менее 60 млн. лет назад. Креветки под названием Римикарис (Rimicaris) появились 30 млн. лет назад, двустворчатые моллюски Батимодиолусы (Bathymodiolus) – 30-50 млн. лет. Единственный более или менее древний обитатель гидротерм – улитки из рода Прованна (Provanna), чей возраст оценивается в 120 млн. лет. Но эти моллюски — исключение: они населяют не только горячие источники, но и другие районы океанического дна, а, кроме того, могут обходиться без симбиотических бактерий, поскольку обладают нормальным кишечником и могут употреблять другую пищу.
У всех «хемосинтетических» животных предки известны еще из мезозоя, но сами они возникли гораздо позже. Роберт Врайенхук считает, что большинство современных таксонов моллюсков, многощетинковых червей и ракообразных произошло в кайнозойской эре, и что это случилось после палеоцен-эоценового потепления. Это потепление вызвало широкое распространение бескислородных условий, попросту говоря, заморы в глубоководных районах океана и массовое вымирание морских животных.
Исследуя геномы Рифтий, Врайенхук с коллегами обнаружили удивительное сходство между особями из разных широт. Несмотря на отчетливые различия в размерах и форме отдельных частей тела, которые зоологи расценивали как видовые различия, генетические различия оказались минимальными. По встречаемости редких аллелей (несколько отличающихся вариантов одного и того же белка) удалось выделить всего две области: одна к северу от экватора, другая – к югу, но и между ними различия очень небольшие. Похожая история и с другой вестиментиферой – Риджеей (Ridgeia), у которой прежде было описано два отчетливых вида: они оказались возрастными стадиями, а не видами.
У двустворчатых моллюсков Батимодиолусов, обитающих вдоль Срединно Тихоокеанского Хребта, тоже есть две формы – к северу и к югу от 20° южной широты, каждая из них очень однообразная, но между формами генетические маркеры показали существенные различия. Они настолько велики, что пришлось присвоить формам ранг отдельных видов. Ни внешних различий, ни анатомических найти не удалось – только генетические, зато серьезные.
Генетическое однообразие большинства видов, обитающих в глубоководных гидротермах, необычное для организмов с всесветным распространением, по мнению Роберта Врайенхука, может быть объяснено нестабильностью места обитания. Каждый их горячих источников существует недолго, в одних местах они появляются, в других – затихают. А что происходит с их обитателями? Деваться им некуда, и они погибают. Новые гидротермы животные заселяют благодаря тому, что у всех этих видов есть плавающие личинки, которых приносят течения. В череде вымираний и размножения в новых местах «хемотрофные» животные постоянно проходят через «бутылочные горлышки» — ситуации, когда популяция сокращается до считанного числа особей с последующим увеличением численности. Поскольку в «узком месте» популяционного цикла генетическое разнообразие невелико, потомки, будучи близкими родственниками, тоже похожи друг на друга.
Некогда считалось, что гидротермальные источники могли быть местом, где зародилась жизнь. «Нет, вряд ли, — считает исследователь. — Это слишком нестабильные системы. И, хотя многие животные гидротерм кажутся конструктивно примитивными, реликтами их считать нельзя».
С позиций сегодняшнего дня расширение зон, лишенных кислорода – явление негативное. Оно может происходить в результате крупномасштабных изменений климата. Не стоит думать, что животным, обитающим на глубине в километр и более, изменения климата на поверхности нашей планеты безразличны. Глубоководные «хемосинтетические» организмы не защищены от катастрофических событий, происходящих в освещенной зоне Земли и океана. Напротив, они могут оказаться очень чувствительными к изменениям температуры и течений, влияющих на взаимодействие кислородных и бескислородных зон, у границы которых обитают эти удивительные организмы.
Фото: NOAA
