Червь из ада: как животное научилось жить в километре под землей

На глубине больше километра нет солнечного света, растений и привычной пищи.

Вода заперта в трещинах древних пород, давление значительно выше поверхностного, кислорода почти не остается, а температура достигает уровня жаркого летнего дня.

Долгое время ученые считали, что в таких условиях могут существовать лишь бактерии и другие одноклеточные организмы.

Однако в южноафриканской золотой шахте обнаружили полноценное животное – микроскопического круглого червя Halicephalobus mephisto. Он получил прозвище "дьявольский червь" и стал одним из самых глубокоживущих представителей животного мира, известных науке.

Животное нашли там, где ждали только бактерий

История открытия началась с предположения бельгийского биолога Гаэтана Боргони.

Ученый много лет изучал нематод – круглых червей, представители которых способны переносить голод, недостаток кислорода, высокую температуру и другие неблагоприятные условия.

Боргони предположил, что подобные животные могут существовать значительно глубже обычной почвы. Большинство коллег относились к идее скептически: глубокая земная биосфера считалась царством микроорганизмов, а не многоклеточных существ с нервной, пищеварительной и репродуктивной системами.

Исследователь объединился с геомикробиологом Таллисом Онстоттом из Принстонского университета. В 2008 году ученые отправились в Южную Африку, где горнодобывающие предприятия дают доступ к породам, находящимся на глубине нескольких километров.

Через скважины и трещины они собирали подземную воду, фильтровали ее и искали в образцах живые организмы.

Потребовались десятки тысяч литров воды

Главной сложностью было доказать, что найденные черви действительно живут глубоко под землей, а не были случайно занесены людьми, инструментами или шахтной водой.

Исследователи проверяли воду внутри шахт, образцы почвы на поверхности и технические источники возможного загрязнения. Они отфильтровали десятки тысяч литров жидкости, прежде чем получили убедительный результат.

Живых нематод обнаружили в воде, поступавшей из трещин древних горных пород. При этом в используемой шахтерами воде таких организмов не нашли.

Химический анализ также показал, что подземная вода находилась в изоляции в течение тысяч лет. По оценкам исследователей, ее возраст составлял от трех до 12 тысяч лет.

Это не означает, что отдельный червь прожил несколько тысячелетий. Но данные подтверждают, что подземная экосистема не возникла из-за недавнего проникновения поверхностной воды.

Имя дали в честь Мефистофеля

Новый вид получил название Halicephalobus mephisto.

Вторая часть имени отсылает к Мефистофелю – демоническому персонажу легенды о Фаусте и властителю подземного мира. Название должно было подчеркнуть почти невероятные условия, в которых обитает животное.

Сам червь выглядит значительно скромнее своего имени. Длина взрослой особи составляет примерно половину миллиметра. Рассмотреть ее строение можно только под микроскопом.

Это обычная по форме нематода с вытянутым полупрозрачным телом. Она не является огромным подземным хищником, не может напасть на человека и не представляет опасности для шахтеров.

Необычным животное делает не внешний вид, а место проживания.

Живые особи нашли на глубине 1,3 километра

Halicephalobus mephisto обнаружили в водоносном горизонте, доступ к которому получили через золотую шахту Беатрикс. Живые экземпляры находились примерно в 1,3 километра под поверхностью.

Исследование также выявило нематод и их генетические следы в образцах воды с глубин от 900 метров до 3,6 километра.

Однако важно различать живых изученных червей и отдельные сигналы ДНК. Наличие генетического материала на глубине 3,6 километра показывает, что там могли существовать другие нематоды, но сам вид H. mephisto надежно описали по организмам, найденным выше.

Даже глубины 1,3 километра оказалось достаточно, чтобы изменить прежние представления о распространении многоклеточной жизни.

Вместо растений червь ест подземные бактерии

На поверхности большинство пищевых цепочек прямо или косвенно зависит от солнечного света. Растения используют его энергию, животные питаются растениями или другими животными.

В глубине земной коры этот механизм не работает.

Подземные бактерии получают энергию из химических реакций с минералами и веществами, содержащимися в породах и воде. Они образуют тонкие биологические пленки на стенках трещин.

Дьявольский червь питается этими бактериями.

Лабораторные наблюдения показали, что нематода предпочитает микроорганизмы из своей подземной среды обычным бактериям, которыми ученые часто кормят червей при экспериментах.

Таким образом, под поверхностью существует не просто случайно выжившее животное, а небольшая экосистема. Бактерии получают энергию из геологических процессов, а нематоды регулируют их численность, поедая биопленки.

Партнер для размножения ему не требуется

Halicephalobus mephisto способен размножаться партеногенетически – без спаривания с самцом.

Для изолированной подземной среды это дает важное преимущество.

Отдельной особи не нужно преодолевать большие расстояния по узким трещинам в поисках партнера. Даже небольшая группа может поддерживать популяцию, если получает достаточно пищи.

Партеногенез встречается и у других животных, включая отдельных насекомых, ракообразных, рептилий и нематод. Но в глубокой земной коре такая стратегия особенно удобна из-за ограниченного пространства и низкой плотности организмов.

Он живет при температуре человеческого тела

Вода, в которой нашли червя, была нагрета примерно до 37 градусов.

Для человека такая температура кажется обычной, но большинство свободноживущих почвенных нематод предпочитают значительно более прохладные условия.

Под землей организм не может уйти в тень, зарыться в более холодную почву или дождаться ночного похолодания. Температура окружающей породы меняется медленно, поэтому животному пришлось приспосабливаться на уровне клеток и генов.

Кроме жары, червь переносит недостаток кислорода, высокое давление и ограниченное количество пищи.

Его существование показывает, что сложность организма не обязательно делает его беспомощным перед экстремальными условиями.

Геном раскрыл систему защиты от жары

В 2019 году исследователи расшифровали геном Halicephalobus mephisto – первый полный геном животного, постоянно обитающего в глубокой земной коре.

Ученые обнаружили необычно большое количество копий генов, связанных с реакцией клеток на стресс.

Особое внимание привлекло семейство Hsp70. Белки теплового шока помогают восстанавливать другие белки, которые теряют правильную форму и повреждаются при высокой температуре.

У дьявольского червя это семейство оказалось значительно расширено. При нагревании соответствующие гены становились активнее, позволяя клеткам быстрее устранять повреждения.

Также у животного нашли дополнительные копии генов семейства AIG1, связанных с клеточным выживанием. Исследователи допускают, что далекий предок нематоды мог получить подобный ген от грибка путем горизонтального переноса.

Более трети обнаруженных генов не имели прямых аналогов среди уже изученных организмов. Это показывает, насколько далеко подземный вид разошелся с родственниками, живущими ближе к поверхности.

Даже его митохондрии работают иначе

Последующие исследования показали, что приспособления затронули не только защитные белки, но и клеточную энергетику.

В митохондриях кислород используется для получения энергии. Этот процесс особенно сложен при одновременном воздействии жары и нехватки кислорода.

Ученые обнаружили у H. mephisto изменения в ферменте цитохром-с-оксидазе, участвующем в клеточном дыхании. Предполагается, что особенности его строения помогают системе сохранять работоспособность при высокой температуре и гипоксии.

Исследователи сравнили этот механизм с биологическим терморегулятором: клеточная система будто подстраивается под постоянное тепло глубинной среды.

Как черви оказались так глубоко

Точный путь заселения земных глубин пока не восстановлен.

По одной из версий, предки нематод жили ближе к поверхности и постепенно проникали вниз вместе с водой, просачивавшейся через трещины.

Переход мог занимать тысячи поколений. По мере продвижения вглубь выживали особи, лучше переносившие тепло, недостаток кислорода и длительное отсутствие пищи.

Со временем подземная популяция оказалась отделена от поверхностных родственников и приобрела собственные генетические особенности.

Этот сценарий выглядит более вероятным, чем возникновение животного непосредственно в глубокой породе. Но ученым все еще предстоит выяснить, насколько широко подобные нематоды распространены под континентами и океаническим дном.

Открытие изменило представление о земной биосфере

До обнаружения дьявольского червя глубокую биосферу представляли преимущественно как мир бактерий и архей.

Многоклеточным животным необходимы энергия, пища, кислород и пространство. Считалось, что на километровой глубине этих ресурсов слишком мало.

Нематода показала, что небольшие животные способны встроиться даже в очень бедную экосистему.

Если бактерий достаточно для постоянного питания, а температура не превышает физиологический предел, многоклеточный организм может существовать там, где его раньше не искали.

Это заставляет ученых внимательнее изучать скважины, шахты, подземные водоносные горизонты и породы под морским дном.

Под землей могут скрываться другие животные

Нематоды являются одними из самых многочисленных и устойчивых животных на планете. Их находят в почве, пресной и морской воде, полярных районах и горячих источниках.

Поэтому именно круглый червь оказался первым животным, обнаруженным на такой глубине.

Но ученые не исключают существования других небольших беспозвоночных.

Трещины в породах могут служить убежищем для микроскопических организмов, способных питаться бактериями или друг другом. Их трудно найти, поскольку исследователи получают доступ лишь к ограниченному количеству подземной воды.

Отсутствие находок не всегда означает отсутствие жизни. Иногда нужный организм может находиться всего в нескольких сантиметрах от пробуренной скважины, оставаясь полностью недоступным для наблюдения.

Дьявольский червь заставляет иначе смотреть на Марс

Открытие имеет значение для поиска внеземной жизни.

Поверхность Марса холодная, сухая и подвергается воздействию радиации. Но глубоко под ней теоретически могут сохраняться вода, более стабильная температура и защита от космического излучения.

Обычно ученые предполагают, что возможная марсианская жизнь будет представлена простейшими микроорганизмами.

Halicephalobus mephisto не доказывает существование животных на Марсе. Однако он показывает, что подземная среда не обязательно ограничивается одноклеточной жизнью.

Если жизнь когда-либо возникла на другой планете и получила достаточно времени для развития, ее подземные формы могли оказаться сложнее, чем принято ожидать.

Самое удивительное животное почти невозможно увидеть

Дьявольский червь не отличается размерами, яркой окраской или сложным поведением.

Он не охотится на крупную добычу и не строит подземных сооружений. Его жизнь состоит из движения по заполненным водой микротрещинам, питания бактериями и размножения.

Но именно простота помогла нематоде освоить среду, где более крупное животное не получило бы достаточно энергии.

Открытие H. mephisto напоминает, что границы обитаемого мира нельзя определять только по человеческому опыту.

Под нашими ногами находится огромная область планеты, которую мы знаем хуже многих участков поверхности Марса.

И одно из самых важных открытий этой глубинной биосферы оказалось червем длиной всего в половину миллиметра.