В своём романе «У критической точки» американский писатель Хол Клемент рассказывает об инопланетянах, которые живут в серной кислоте. Смогли бы инопланетяне действительно жить в кислоте настолько сильной, что она обжигала бы нашу кожу при малейшем прикосновении? До самого недавнего времени были известны лишь четыре земных организма, все из числа эукариот, которые растут в чрезвычайно кислой среде, где значение рН близко к 0. Это Cyanidium caldarium и три гриба: Acontium cylatium, Cephalosporium sp. и Trichosporon cerebriae. Это не означает, что внутреннее содержимое их клеток кислое. Фактически, Cyanidium поддерживает рН своей внутренней среды близким к нейтральному. В 1995 году были обнаружены два ацидофильных прокариота: Picrophilus oshimae и P. Torridus; оба вида — термофильные археи, обнаруженные в Японии, в сольфатарах, естественных источниках испарений, в которых сернистые газы смешиваются с горячим паром.{24} На Земле есть множество примеров простейших и грибков, живущих при чуть более умеренных значениях рН, — например, те, что благоденствуют в желудках некоторых животных.
Относительная кислотность или щелочность раствора указывается по шкале рН, которая является мерой концентрации ионов водорода в растворе. Нейтральные растворы имеют рН 7,0. Значение рН менее 7,0 указывает на кислотность (повышенную концентрацию ионов водорода), а выше 7,0 — щелочность (пониженную концентрацию ионов водорода). Многие важные молекулярные процессы внутри живых клеток протекают в очень узком диапазоне рН. Следовательно, чтобы жить, клетки должны регулировать внутренний уровень рН. Уровень рН может локально отличаться в пределах организма; однако у большинства тканей он находится в пределах одной единицы рН от нейтрального значения.
Хотя в этом разделе мы уделяем особое внимание эукариотам, я хотел бы оставить комментарий в отношении нескольких ацидофильных бактерий. Многие из бактерий растут в диапазоне значений рН, близких к нейтральным, от 5,0 до 8,0, хотя немногие виды бактерий приспособились к жизни в более кислых или щелочных условиях. Например, когда в ходе горных работ угольные пласты подвергаются воздействию воздуха, залежи пиритного сульфида железа подвергаются атаке Thiobacillus ferrooxidans, которая вырабатывает серную кислоту и снижает рН до 2,0 или даже до 0,7. Этот организм может выдерживать высокие концентрации ионов железа, меди, кобальта, никеля и цинка, и кислотность до pH 1,3. Многие бактерии процветают в кислых болотах, сосновых лесах и озёрах с рН от 3,7 до 5,5. Любитель кислой среды Sulfolobus acidocaldarius обладает высокой устойчивостью к кислотам, которые достаточно сильны, чтобы разъесть вашу кожу за считанные секунды.
Озеро Накуру, африканское содовое озеро с рН около 10, — это дом для многочисленных форм жизни. На озере Накуру живут миллионы фламинго, которые питаются цианобактериями вроде спирулины, растущей в озере. Каждый день фламинго сбрасывают в озеро 15,6 тонны фекалий и мочи в сухом весе, которые дают питание стабильному урожаю прокариот, не относящихся к цианобактериям. В озере также процветают двадцать различных гетеротрофных (бактерии, нуждающиеся в органическом источнике углерода — см. примечание 8) видов простейших и три вида коловраток (многоклеточных водных беспозвоночных).{25}
Может ли инопланетная форма жизни существовать в чрезвычайно солёной воде? Уровень солёности — это количество растворённых солей, которые присутствуют в воде. Природные воды различаются по солёности — от почти чистой воды, лишённой солей (например, талая снеговая вода), до насыщенных растворов в солёных озёрах вроде Мёртвого моря, в котором концентрация соли составляет примерно 332 части на тысячу. Экстремальная солёность Мёртвого моря исключает большую часть животной или растительной жизни, за исключением галофильных (солелюбивых) бактерий. Рыба, занесённая туда Иорданом или более мелкими ручьями во время наводнения, погибает мгновенно. Если не считать растительности вдоль рек, растительный мир состоит в основном из галофитов — растений, произрастающих на солёной или щелочной почве. Такие экстремальные галофилы, как представители рода Halobacterium, демонстрируют оптимальный рост при 20-30-процентном содержании соли и распадаются при снижении этого уровня солёности. Такие бактерии встречаются в Мёртвом море и даже на солёных рыбе и шкурах.
В сверхсолёных водах обитают очень разнообразные одноклеточные существа, в частности, диатомовые водоросли и жгутиконосцы. Африканские содовые озёра вроде озера Накуру также являются сверхсолёными и при наличии достаточного количества пищи могут обеспечить существование очень разнообразной микробной популяции. Существует также множество видов галофильных и галотолерантных водорослей.
Основной проблемой, с которой сталкиваются галофилы, является контроль их осмотического давления — давления, вызываемого поступлением воды внутрь живого организма и из него. Без такого контроля они могли бы терять воду, уходящую в окружающую среду. Естественная тенденция заключается в том, что вода перетекает из мест, где её концентрация выше, в места, где её концентрация ниже. Я экспериментировал с морскими червями, механизм реакции которых позволяет им вначале набухать, когда они брошены в воду с низкой концентрацией соли, а потом спадаться, когда они брошены в воду с высокой концентрацией соли. Если изменения солёности незначительны, черви могут регулировать расход воды, пытаясь вернуть своим телам нормальный объём. Организм гораздо меньшего размера, Dunaniella salina, синтезирует внутриклеточный глицерин в высокой концентрации, чтобы уравновесить внешнее осмотическое давление.{26}
Вполне возможно, что инопланетяне могли бы жить в условиях экстремального давления. На Земле мы знаем, что инфузории могут выдерживать циклическое изменение давления от одной до трёх атмосфер в минуту без каких-либо вредных последствий, а на континентальном шельфе, по крайней мере, на глубине 6560 футов (2000 м), существуют многочисленные сообщества эукариот. Поскольку сложные позвоночные обитают в самых глубоких океанах, вполне вероятно, что при наличии достаточного количества пищи гетеротрофные эукариотные микробы встречаются даже на больших глубинах. С другой стороны, многие организмы, обитающие на поверхности, не могут выдержать высокого давления: например, амёбы с увеличением давления теряют способность образовывать псевдоподии (выпячивания). Когда амёбы подвергаются давлению в 6000 фунтов (2720 кг) на квадратный дюйм, они фактически превращаются в крошечные сферы и остаются совершенно неподвижными.{27}
В 1997 году учёные из Японского морского научно-технологического центра в Нацушима Йокосука, Япония (см. примечание 8), обнаружили новый вид морского червя, обитающий на глубине 21 000 футов (6500 м) вблизи дна Японского жёлоба в западной части Тихого океана, где давление в 650 раз выше, чем на уровне моря. Тело червя прозрачно, что позволяет легко разглядеть его внутренние органы. Также в 1997 году были обнаружены другие замечательные морские черви, обитающие в Мексиканском заливе на глубине всего 1640 футов (500 м). Эти ледяные черви являются частью ранее неизвестной глубоководной экосистемы, которая включает грибовидные выходы гидрата метана — разновидности льда, образующегося в иле морского дна. Окружающая среда потенциально очень ядовита, поскольку в этом регионе в воду просачиваются пропан, этан, сульфиды и сырая нефть. К удивлению учёных, на выходах метана были обнаружены сотни плоских безглазых розовых червей, копошащихся на их поверхности.