Dubokomorska hidrotermna vrela — ekosistemi bez sunca koji redefinišu granice života

Na dubini od 2.500 metara ispod površine Tihog okeana, gde pritisak prelazi 250 atmosfera, gde nema ni traga sunčeve svetlosti i gde su temperature izvan geotermalnih otvora bliske nuli — postoji ekosistem koji ključa od života. Hidrotermna vrela (hydrothermal vents) — pukotine u okeanskom dnu kroz koje izlaze mineralizovane vode temperature i do 400 stepeni Celzijusa — okružena su gustim zajednicama organizama koji ne zavise od fotosinteze i koji koriste hemoenergiju — hemijsku energiju sumpornih jedinjenja i vodonika — kao osnovu celog lanca ishrane. Otkrivanje ovih ekosistema 1977. godine od strane istraživačke podmornice Alvin revolucionisalo je biologiju jer je pokazalo da je život moguć bez sunca.

Timu sa Woods Hole Oceanographic Institution koji je koristio DSV Alvin odmah je bilo jasno da nešto ne štima. Očekivali su da vide pustu okeansku podlogu u blizini tektonskog raseda na Galapagos Riftu. Umesto toga, kamera je snimila guste zajednice bele i crvene boje, metar visoke cevaste crve, ogromne školjke i rakove — zajednicu koja je po gustini bila uporediva s tropskim koralnim grebenom. Fotosinteza na tim dubinama nije moguća — odakle energija?

Hemosinteza — alternativa fotosintezi

Osnova dubokomorskih hidrotermnih ekosistema je hemosinteza — proces kojim specifične bakterije i arheje oksiduju neorganska jedinjenja (primarno vodonik-sulfid, H₂S, ali i metan i molekularni vodonik) da bi dobile energiju za fiksaciju ugljika iz CO₂. Formula je drugačija od fotosintetske, ali rezultat isti: ugljenična jedinjenja koja postaju osnova lanca ishrane.

Riftia pachyptila — gigantska cevasta crva koja može narasti do dva metra dužine i koja je jedna od najkarakterističnijih vrsta hidrotermnih vrela — nema ni usta ni digestivni trakt. Umesto toga, telo joj je ispunjeno specijalizovanim organom (trofozomom) koji sadrži četiri do šest milijardi hemosintezujućih bakterija. Ova endosimbiotska veza — u kojoj crva obezbeđuje bakterijama H₂S i CO₂ kroz krvotok koji sadrži poseban hemoglobin specijalizovan za transport vodonik-sulfida, a bakterije daju crvi organsku materiju — jedna je od najelegantnijih simbioza u biologiji (Childress i Fisher, 1992, Oceanography and Marine Biology: An Annual Review).

Raznolikost hemosintezujućih organizama u hidrotermnim zajednicama izuzetno je visoka: Thermococcus, Pyrococcus, Archaeoglobus, Methanopyrus — sve su to arheje koje su ekstremofilni majstori koji žive na temperaturama iznad 100 stepeni Celzijusa (hipertermofilni), pri pH ispod 1 (acidofilni) ili pri pritiscima koji bi uništili svaki citosol standardnog eukariotskog organizma. Proučavanje ovih organizama otvorilo je čitave nove industrijske primene — termofilni enzimi koji rade na visokim temperaturama koriste se u PCR tehnici (Taq polimeraza, izolovana iz Thermus aquaticus) i imaju primene u prehrambenoj industriji i bioremedijaciji.

Hidrotermna vrela i poreklo života

Hidrotermna vrela imaju posebno mesto u debati o poreklu života na Zemlji. Hipoteza 'toplog vrela' — koju su razvili naučnici poput Johna Baileyja Corlissa (koji je bio među prvim istraživačima vrela 1977. godine) i koja je dalje razvijena od strane Michaela Russella i Nicka Lanea — sugeriše da su alkalna hidrotermna vrela, a ne UV-ozračeni plitki površinski okeani, najverovatniji kontekst u kome je nastao život.

Alkalna hidrotermna vrela (za razliku od kiselih 'crnih dimnjaka') stvaraju pH gradijent između vruće alkalne vode i hladnog kiselog okeana — gradijent koji je termodinamički analog protonskog gradijenta koji ATP sintaza koristi u svim savremenim živim ćelijama za produkciju energije. Lane i Martin (2012, Cell) predlagali su da su protoćelije u hidrotermnim vrelima koristile ovaj prirodni protonski gradijent kao besplatni izvor energije pre nego što su razvile sopstvene membrane i ATP sintetazni mehanizam — što je jedan od najzanimljivijih modela porekla života koji postoji.

Za nas, 2.500 metara iznad, ovaj svet je gotovo nestvaran. Ali njegovi organizmi su realni — i proučavanje njihove biohemije otvorilo je vrata za razumevanje termorezistentnih enzima, anaerobnog metabolizma i ekologije bez sunca, koji imaju implikacije i za astrobiologe koji traže život na ledenim mesecima poput Evrope i Enkeladusa, gde dubokomorska hidrotermna okruženja možda postoje ispod leda.