Монстры Марианской впадины

Китайские ученые расшифровали геном лучеперой рыбы, обитающей в самом глубоком месте Мирового океана — Марианском желобе. Чтобы выдерживать давление, в сотни раз превышающее атмосферное, и полное отсутствие света, ее организм претерпел несколько серьезных изменений на генном уровне за довольно короткое время. Последние экспедиции показали, что в этой бездне живут и даже процветают множество существ.

Легенда о плоской рыбе

Глубоководные желоба были изучены (а многие открыты) в начале 1950-х годов советским судном "Витязь" и датской "Галатеей". Самое глубокое место на планете — Бездна Челленджера в Марианской впадине. До сих пор львиная доля информации, полученная оттуда, принадлежит экспедициям более чем полувековой давности.

В 1960 году швейцарский батискаф "Триест" впервые опустился на дно Бездны Челленджера. "Прямо под нами внизу лежало нечто вроде плоской рыбы, напоминающей камбалу. У нее было два круглых глаза сверху. Она двигалась по дну в слизи и воде и исчезла в ночи", — так красочно описывал свои впечатления океанолог Жан Пикар, пилот "Триеста".

Ученые сразу усомнились в этом свидетельстве, тем более что на борту не было фотокамер. Однако журналистам образ "плоской рыбы Триеста" очень понравился и они многие десятилетия занимали им воображение широкой публики. Были введены в заблуждение даже некоторые профессора.

Легенда о плоской рыбе вновь всплыла в 2012 году благодаря рискованному предприятию режиссера Джеймса Кэмерона — третьего человека в мире, видевшего дно Бездны Челленджера из глубоководного батискафа. Сам Кэмерон, как и участники предыдущих экспедиций, плоских рыб там не заметил. Не обнаружили их японцы, американцы и китайцы, ставившие ловушки на дне Марианской впадины. Да и второй пилот "Триеста" Дон Уолш впоследствии не так уверенно говорил об увиденном.

В статье 2012 года английский океанолог из Университета Абердина Алан Джемисон окончательно развенчал миф о "плоской рыбе Триеста". Во-первых, точно известно, что реальные плоские рыбы, такие как скат или камбала, живут на мелководье. Во-вторых, маловероятно, чтобы батискаф опустился прямо на рыбу: согласно статистике ловушек, с глубиной среднее время прибытия первой рыбы к ним увеличивается и достигает десяти часов на почти 11 километрах. "Триест" пробыл на дне 20 минут, и ловушек с наживкой у него не было.

Главный же аргумент против — слишком сильное гидростатическое давление. По-видимому, оно делает невозможным обитание рыб на глубине свыше 8,5 километра. Но чтобы существовать даже на этой отметке, как выяснилось, нужно значительно поменять организм.

Псевдолипарис устанавливает рекорд

Долгое время самыми глубоководными считались ошибневые рыбы из класса лучеперых. Их вид Holcomycteronus profundissimus вылавливали с шести километров. В 1970-е рекорд был побит глубоководной бротулой (Abyssobrotula galatheae) из того же семейства, выловленной в океаническом желобе Пуэрто-Рико на отметке 8370 метров. Однако уже упомянутый Джемисон засомневался и в этом. По данным регистра рыб, есть 17 образцов этого вида бротулы, из которых только два добыты на большой глубине, так что возможна ошибка и самое глубоководное позвоночное существо еще предстоит открыть.

Пока же рекордсменом считается марианский морской слизень Pseudoliparis swirei. В 2013 году его поймали китайские исследователи при тестовом спуске батискафа на глубину семь километров. В 2017-м американцы подняли несколько десятков этих рыб с глубины 8178 метров.

Это небольшие рыбки длиной до 28 сантиметров, весом не более 200 граммов. У них прозрачная кожа, покрытая слизью, через которую просвечивают внутренние органы, на голове два маленьких черных глаза. Они абсолютно слепы и не реагируют на подсветку ловушек.

Этот вид псевдолипарисов стоит на вершине пищевой цепочки глубоководной части Марианской впадины, у него нет врагов, а еды в избытке, ведь на дне водится множество рачков.

Компанию псевдолипарисам на глубине составляют несколько видов рыб из семейств бельдюговых, ошибневых и долгохвостов.

Ученые обнаружили глубоководные мутации

Все больше данных о том, что к обитанию на большой глубине — без света, в холоде — организм должен быть особым образом приспособлен. Новейшие методы исследования генома позволили ученым приоткрыть здесь завесу тайны.

Например, оказалось, что с глубиной в тканях костных рыб увеличивается количество триметиламиноксида — простого органического соединения, помогающего клетке не потерять форму и справиться с внешним давлением. Такие вещества называют осмолитами.

Есть также данные о том, что клеточные белки из-за большого давления теряют форму, а это смертельно для живых существ. Значит, должен быть механизм, не допускающий этого. Так появилась гипотеза о пьезолитах — растворимых веществах, удерживающих форму белков или даже собирающих их вновь, если они разрушились.

В недавней статье в Nature китайские ученые представили результаты расшифровки генома марианского псевдолипариса и сравнили его с геномом обычного липариса Танака. Два вида разошлись примерно 20 миллионов лет назад.

Генофонд глубоководной рыбы оказался более разнообразным, причем примерно 55 тысяч лет назад их популяция резко разрослась. Сам же геном на 22 процента больше генома липариса Танаки и содержит меньше мутаций.

Одна из главных особенностей — низкая скорость метаболизма у псевдолипарисов, они буквально медленно живут. Их самки производят меньше икры, но зато она более крупная.

У марианского псевдолипариса не весь скелет окостеневший, по большей части он из хрящей. Вероятно, это вызвано мутацией гена Gla, досрочно прекращающего кальцинирование костей.

Выяснилось, что рыбы потеряли несколько важных фоторецепторов. Они не различают цвета и не улавливают свет. Они утратили ген пигментации mc1r, вот почему они бесцветны — окраска для них теперь лишнее.

Несколько мутаций помогли им улучшить метаболизм жирных кислот. У псевдолипарисов обнаружилось 15 копий гена acaa1, регулирующего синтез докозагексаеновой кислоты — одной из омега-3 жирных кислот. Есть мутации в генах tfa и slc29a3, отвечающих за перенос ионов и растворов из клетки. Все это явно направлено на то, чтобы сделать липидные мембраны клеток более эластичными и проницаемыми.

Возможно, некоторые мутации у псевдолипариса увеличивают синтез триметиламиноксида в тканях для сохранения формы белков. Ученые обнаружили еще одно странное отличие — в гене hsp90 произошла замена аминокислот, причем на очень консервативном участке, который неизменен у человека, мышей и даже дрожжей. Этот ген отвечает за синтез высокомолекулярного шаперона, который, в свою очередь, участвует в свертке более двух сотен белков, важных для клеточных процессов. Что делает эта мутация, пока неизвестно.

Авторы работы отмечают, что марианским псевдолипарисам пришлось адаптироваться к новым условиям жизни всего за несколько миллионов лет. Для эволюции позвоночных это малый срок.

Наше новое место обитания?

Марианская впадина населена многочисленными видами беспозвоночных животных, бактерий, грибков, вирусов. К примеру, на глубине свыше пяти километров там обитают морские звезды вида Freyastera benthophila.

Китайские ученые расшифровали геном в их митохондриях — это кольцеобразная ДНК, состоящая всего из нескольких десятков генов. Зато много ее копий в каждой клетке организма. В целом он оказался похожим на митогеном других морских звезд с некоторыми исключениями, которые еще ждут своего объяснения.

Изучен также митогеном бокоплава — крошечного рачка, поднятого с глубины почти 11 километров. Этот вид появился 109 миллионов лет назад и эволюционировал медленно. За время обитания на глубине у него в митохондриальном гене обнаружено всего несколько особенностей, таких же, как у других глубоководных видов (в частности, совершенно другая компоновка генов в ДНК).

Еще одно открытие — на дне Бездны Челленджера обнаружилась колония бактерий, поедающих углеводороды. Причем плотность их населения там больше, чем где бы то ни было на Земле. Это организмы родов Oleibacter, Thalassolituus и Alcanivorax. Они есть и на поверхности, и тоже питаются углеводородами. Вопрос в том, откуда органика на такой глубине. Ученые полагают, что она не осела с поверхности, а произведена какой-то другой группой еще не известных науке глубоководных микроорганизмов.

Марианский желоб образован в результате тектонических процессов. В этом месте большая Тихоокеанская плита земной коры "ныряет" под небольшую Марианскую плиту, образуя впадину длиной 2550 и шириной 70 километров. Здесь очень высокая сейсмичность, а пищевые ресурсы и условия обитания резко отличаются от менее глубоких зон. Неизвестно даже, есть ли там сезоны года.

Мы очень мало знаем о Мировом океане, а его глубоководные части, по сути, только начали исследовать. Но пришло время делать это активнее, учитывая, что в перспективе маячит глобальное потепление климата и на поверхности через пару веков может оказаться слишком жарко.