Пещеры Картчнера спрятаны под пустыней на юге американского штата Аризона. Это изолированная и практически необитаемая система известняковых лабиринтов и переходов, погружённая в вечную тьму. Но, как оказалась, пустынная на первый взгляд пещера на самом деле таит в себе удивительно разнообразный мир микроорганизмов, которые выживают, не взирая на чрезвычайную нехватку света и питательных веществ.
Как утверждают исследователи, эти микробные экосистемы процветают, благодаря органическим питательным веществам, попадающим в пещеру вместе со стоковыми водами через скалистые своды. Учёные считают, что это открытие поможет им понять, как бактерии, грибки и другие микроорганизмы выживают в экстремальных условиях.
"Мы не ожидали найти такие процветающие экосистемы, пирующие какими-то остатками, просачивающимися извне, — говорит Джули Нельсон (Julie Neilson), из Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни при университете Аризоны. — Интереснее всего то, что эта экосистема выглядит как зеркало пустыни, расположенной выше: организмы уникальным образом адаптировались к экстремальному типу среды обитания, и к условиям недостатка питательных веществ".
Обитая в темноте, подземные микробы не способны осуществлять процесс фотосинтеза, который растения и другие организмы используют для преобразования солнечного света в энергию. Тем не менее, типы организмов, обнаруженные в пещерах Картчнера, обладают сходными чертами с более знакомыми науке видами, проживающими на поверхности.
"Мы обнаружили, что все основные роли, составляющие типичную экосистему, разобраны организмами этой пещеры, — объясняет Нельсон. — От производителей до потребителей — здесь есть все, просто невооружённым глазом их не увидеть".
Даже если не знать об этом биологическом разнообразии, просто существование жизни за счёт редких капель воды на дне тёмных пещер Картчнера уже кажется необычным явлением, так как в этом отчуждённом месте наблюдается ещё и острая нехватка органического углерода — одного из главных строительных компонентов всех организмов на Земле.
"Это место уникально, ведь это пещера в экосистеме пустыни, — продолжает Нельсон. — Оно не похоже на пещеры, расположенные в районах с умеренным климатом, таких, как в Кентукки или в Западной Вирджинии, где на поверхности есть леса, реки и почва с толщами слоёв органических веществ, обеспечивающих изобилие нужных форм углерода. В пещеры Картчнера поступает примерно в тысячу раз меньше этого вещества — с редкими каплями воды".
По словам исследователей, пещерные микроорганизмы приспособились получать небольшие количества питательных веществ из молекул воды и разлагающихся органических веществ в почве над землёй, или из минералов, растворяющихся в трещинах камней, — и при этом не тратить много энергии. У микробов в дело идут самые разнообразные химические соединения, которые только можно найти в пещере — даже марганец и пирит.
Вместо того, чтобы полностью полагаться на органический углерод, который для этой пещеры является крайне дефицитным ресурсом, микроорганизмы использую энергию, полученную из азотосодержащих соединений, таких, как аммиак и нитрит, чтобы преобразовать углекислый газ из воздуха в биомассу.
Для выявления сокрытых в пещере микробных сообществ, исследователи собирали образцы с поверхности сталактитов и других образований, свисающих с потолка пещер Картчнера, чтобы провести анализ ДНК. Гены, найденные в этих образцах, были использованы для восстановления бактерий и архей (одноклеточных организмов без клеточного ядра), которые и проживают в этих известняковых нишах. Кстати, более ранние исследования показали, что сталактиты являются своеобразным островом для пещерных микробов, то есть популяции микроорганизмов с разных пещерных образований почти не перемешиваются друг с другом.
Проанализировав ДНК, исследователи столкнулись не только с широким спектром организмов и сложной пищевой цепью, но и с некоторыми видами микробов, вероятно, ранее неизвестных науке.
"Двадцать процентов бактерий, присутствие которых мы обнаружили, основываясь на последовательностях их ДНК, не были похожи на что-либо из существующей базы данных, так что нам не удалось идентифицировать их", — говорит Нельсон.
"На одном из сталактитов мы нашли очень редкий организм микробной группы под названием SBR1093, которая включала около 10% популяции этого сталактита, но менее 0,5% на любом другом. Последовательность ДНК такого микроорганизма была найдена лишь трижды в истории: в осадочных породах солёных вод залива Шарк в Австралии, в загрязнённой углеводородами местности во Франции и на станции очистки сточных вод в Брисбене, Австралия. Это говорит о том, что в этом мире находится ещё множество организмов, о которых мы почти ничего не знаем. Тот факт, что эти организмы были найдены в загрязнённой среде, может означать, что они могут иметь практический потенциал — например, для восстановления окружающей среды".
Изучение этих видов микробов может помочь учёным понять их способность к устойчивости в экстремальных условиях, что в дальнейшем может помочь в поисках жизни на других планетах.
