Современные аналоги в Антарктиде обнаруживают водоемы, изобилующие жизнью, похожей на ранние многоклеточные организмы
Фрагмент цианобактериального мата, взятый с поверхности водоема с талой водой. Автор: Роджер Саммонс
Когда Земля замерзла, где укрылась жизнь? Ученые Массачусетского технологического института говорят, что одним из убежищ, возможно, были лужи растаявшего льда, которые усеивали ледяную поверхность планеты.
В исследовании, опубликованном в Nature Communications, исследователи сообщают, что 635-720 миллионов лет назад, в периоды, известные как «Земля в снежный ком», когда большая часть планеты была покрыта льдом, некоторые из наших древних клеточных предков могли пережидать события в прудах с талой водой.
Ученые обнаружили, что эукариоты — сложные клеточные формы жизни, которые в конечном итоге эволюционировали в разнообразную многоклеточную жизнь, которую мы наблюдаем сегодня, — могли пережить глобальное похолодание, живя в неглубоких водоемах. Эти небольшие водные оазисы, возможно, сохранились на относительно неглубоких ледяных покровах, присутствующих в экваториальных регионах. Там на поверхности льда могли скапливаться пыль и мусор темного цвета, что повышало его способность таять и образовывать лужи. При температуре около 0 градусов по Цельсию образовавшиеся пруды с талой водой могли служить средой обитания для определенных форм ранней сложной жизни.
Команда ученых сделала свои выводы на основе анализа современных водоемов с талой водой. Сегодня в Антарктиде по краям ледяных щитов можно найти небольшие лужицы растаявшего льда. Условия вдоль этих полярных ледяных щитов аналогичны тем, которые, вероятно, существовали вдоль ледяных щитов вблизи экватора во времена Земли Снежного кома.
Исследователи проанализировали образцы из различных водоемов с талой водой, расположенных на шельфовом леднике Мак-Мердо в районе, который был впервые описан участниками экспедиции Роберта Фолкона Скотта в 1903 году как «грязный лед». Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили четкие признаки эукариотической жизни в каждом пруду. Сообщества эукариот варьировались от водоема к пруду, демонстрируя удивительное разнообразие жизни в окружающей среде. Команда также обнаружила, что соленость играет ключевую роль в том, какой вид жизни может существовать в пруду: в прудах с более солоноватым или солоноватой водой было больше похожих сообществ эукариот, которые отличались от сообществ в прудах с более пресной водой.
«Мы показали, что пруды с талой водой являются подходящими местами для укрытия ранних эукариот во время оледенений по всей планете», — говорит ведущий автор Фатима Хусейн, аспирант кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS). «Это показывает нам, что разнообразие присутствует и возможно в таких условиях. Это действительно история жизнестойкости».
Соавторами исследования в Массачусетском технологическом институте являются профессор геобиологии Шлюмберже Роджер Саммонс и бывший постдок Томас Эванс, а также Жасмин Миллар из Кардиффского университета, Энн Юнгблут из Музея естественной истории в Лондоне и Ян Хоуз из Университета Вайкато в Новой Зеландии.
Полярное погружение
Земля-снежный ком — это разговорный термин, обозначающий периоды времени в истории Земли, в течение которых планета покрывалась льдом. Это часто используется как ссылка на два последовательных оледенения продолжительностью в несколько миллионов лет, которые произошли во время криогенного периода, который геологи называют периодом между 635 и 720 миллионами лет назад. Вопрос о том, была ли Земля больше похожа на застывший снежный ком или на более мягкую «слякоть», все еще остается предметом споров. Но ученые уверены в одном: большая часть планеты была погружена в глубокую стужу, а средняя глобальная температура составляла минус 50 градусов по Цельсию. Вопрос заключался в следующем: как и где возникла жизнь?
«Мы заинтересованы в понимании основ сложной жизни на Земле. Мы видим свидетельства существования эукариот до и после криогенного периода в палеонтологической летописи, но нам в основном не хватает прямых свидетельств того, где они могли обитать в это время», — говорит Хусейн. «Большая часть этой тайны заключается в том, что мы знаем, что жизнь выжила. Мы просто пытаемся понять, как и где».
Существует ряд предположений о том, где организмы могли укрыться во время «Снежного кома» на Земле, в том числе в определенных районах открытого океана (если бы такие условия существовали), в глубоководных гидротермальных источниках и вокруг них, а также под ледяными покровами. Рассматривая пруды с талой водой, Хусейн и ее коллеги выдвинули гипотезу о том, что талые воды на поверхности льда, возможно, также были способны поддерживать раннюю эукариотическую жизнь в то время.
«Существует множество гипотез о том, где могла сохраниться жизнь во время криогенного периода, но у нас нет подходящих аналогов для всех них», — отмечает Хусейн. «Сегодня на Земле встречаются водоемы с талой водой, расположенные над льдом, и они доступны, что дает нам возможность по-настоящему сосредоточиться на эукариотах, обитающих в этих средах».
Маленький пруд, большая жизнь
Для своего нового исследования исследователи проанализировали образцы, взятые из прудов с талой водой в Антарктиде. В 2018 году Саммонс и его коллеги из Новой Зеландии отправились в район шельфового ледника Мак-Мердо в Восточной Антарктиде, где, как известно, находятся небольшие водоемы из растаявшего льда, каждый глубиной всего в несколько футов и шириной в несколько метров. Там вода замерзает до самого морского дна, задерживая в себе темные отложения и морские организмы. Удаляемый ветром лед с поверхности образует своего рода конвейерную ленту, которая со временем выносит этот пойманный в ловушку мусор на поверхность, где он поглощает солнечное тепло, вызывая таяние льда, в то время как окружающий лед, свободный от мусора, отражает поступающий солнечный свет, что приводит к образованию неглубоких прудов с талой водой.
Дно каждого пруда покрыто ковриками из микробов, которые накапливались годами, образуя слои липких клеточных сообществ.
«Эти коврики могут быть толщиной в несколько сантиметров, разноцветные, и на них могут быть очень четкие слои», — говорит Хусейн.
Эти микробные коврики состоят из цианобактерий, прокариотических одноклеточных фотосинтезирующих организмов, у которых отсутствует клеточное ядро или другие органеллы. Хотя известно, что эти древние микробы выживают в самых суровых условиях на Земле, в том числе в прудах с талой водой, исследователи хотели знать, могут ли эукариоты — сложные организмы, у которых развились клеточное ядро и другие мембраносвязанные органеллы, — также выдерживать подобные сложные условия. Для ответа на этот вопрос потребуется нечто большее, чем просто микроскоп, поскольку отличительные характеристики микроскопических эукариот, присутствующих среди микробных матов, слишком малозаметны, чтобы различить их на глаз.
Чтобы охарактеризовать эукариот, команда проанализировала маты на наличие специфических липидов, которые они производят, называемых стеринами, а также генетических компонентов, называемых рибосомальной рибонуклеиновой кислотой (рРНК), которые могут быть использованы для идентификации организмов с различной степенью специфичности. Эти два независимых набора анализов предоставили дополнительные данные для определенных групп эукариот. В рамках исследования липидов команда обнаружила среди микробных матриксов множество стеринов и генов рРНК, тесно связанных с определенными типами водорослей, простейших и микроскопических животных. Исследователи смогли оценить типы и относительное содержание липидов и генов рРНК в разных водоемах и обнаружили, что в них обитает удивительное разнообразие эукариотической жизни.
«Нет двух одинаковых водоемов», — говорит Хусейн. «Есть повторяющиеся признаки, но они присутствуют в разном количестве. И мы обнаружили разнообразные сообщества эукариот из всех основных групп во всех исследованных водоемах. Эти эукариоты являются потомками тех эукариот, которые пережили Снежный ком на Земле. Это действительно подчеркивает, что водоемы с талой водой во времена Земли Снежного кома могли служить надледниковыми оазисами, которые питали эукариотическую жизнь, что в дальнейшем способствовало диверсификации и распространению сложной жизни, включая нас».
Это исследование было частично поддержано программой экзобиологии НАСА, совместной работой Саймонса по изучению происхождения жизни и грантом MISTI от Массачусетского технологического института в Новой Зеландии.