Hluboká horká biosféra a zemský povrch

V minulém čísle (Vesmír 79, 253, 2000/5) jsme představili teorii T. Golda, podle níž život vznikl hluboko v zemské kůře, ve stabilních podmínkách, kde je dostatek uhlovodíků kosmického původu. Naproti tomu byly podmínky na povrchu extrémní, a ještě se „zhoršily“ poté, co povrch osídlily některé formy života. Ty se povrchem nechaly utvářet (např. nízkou teplotou a tlakem, proměnlivými podmínkami či světlem), ale také samy povrch utvářely (složení atmosféry, hydrosféry i litosféry). Mezi podzemním a nadzemním životem tak vznikla ostrá, nesnadno prostupná bariéra, ale lze najít i místa, kde se obě formy života setkávají a vytvářejí bizarní společenstva.

• Povrchová biosféra je „poháněna“ sluneční energií, kterou ukládá jako energii chemických vazeb v organických sloučeninách syntetizovaných z CO₂, kyslík je dočasným odpadem. Koloběh se uzavírá reoxidací organických sloučenin kyslíkem. Výsledným odpadem celého procesu je teplo vyzářené do vesmírného prostoru.
• Hluboká biosféra je odkázána pouze na chemické proměny – některé příklady možných oxidoredukčních článků a zdrojů organického uhlíku jsme uvedli v předchozím čísle. Oxidoredukční články se dají kombinovat z vodíku, uhlovodíků, síranů, sulfanu, CO₂ a nižších oxidačních stupňů železa a manganu. Podle druhu reakce vypadá i odpad – například usazeniny sulfidů, magnetitu, manganové konkrece apod.

V tomto článku se budeme věnovat rozhraní mezi oběma strategiemi.

V roce 1997 pronikla malá ponorka Alvin až do hloubky 2,6 kilometru, k vývěrům hydrotermálních vod na expandující riftové zóně u Galapág. Hluboko pod hranicí fotosyntézy pozorovala překvapená posádka až 30 centimetrů velké mlže (zévy, Tridacna) a skupiny přisedlých „červů“. Byly to bradatice (Pogonophora) a některé dosahovaly délky až 2 m. Mezi nimi plavaly ryby a proháněli se krabi. O 10–20 metrů dál se rozprostírala studená „poušť“ oceánského dna, kam se potrava může dostat snad jedině z hladiny, tedy z velké dálky. Další výzkumy ukázaly, že hlubokomořská oáza není ojedinělá a že na každý podmořský hydrotermální vývěr je vázán zvláštní ekosystém.

Oázy jsou zřejmě místem, kde se prapůvodní organizmy zdola setkávají se svými vzdálenými potomky shora. Podle teplotního spádu lze ekosystém rozdělit zhruba do dvou částí. V ústí komínu, kde teplota dosahuje snad až 300 °C, žijí hypertermofilní bakterie a archebakterie. Jejich způsob života se nijak neliší od toho, jak žijí jejich „kolegyně“ v hloubce, nejsou na povrchu závislé. Metabolizují to, co voda přináší z hloubky, a výsledkem jejich činnosti je i komín sám. Pár desítek centimetrů od jeho ústí hynou hlady a podchlazením. Horká voda prýštící z komínů však je zdrojem živin pro ty, které se vyskytují jen o kousek dál a jsou adaptované na teploty povrchu. Výtečným zdrojem energie pro ně mohou být vodík, sulfan (postaru sirovodík) a metan. Ony však k oxidaci těcht látek nepoužívají to, co se nabízí z hloubky, ale dvě látky obsažené v okolní mořské vodě – sírany a kyslík.

Co jsou ti tvorové zač? Jistěže bakterie. My však na nádherných obrázcích z hloubky vidíme jen samé živočichy, kteří na jedné straně dýchají kyslík (poušť kolem je důležitá jako jeho zdroj), na druhé straně jim jako živiny mohou sloužit pouze organické látky (chemolitotrofní živočichové neexistují). Z toho vyplývá, že východiskem potravního řetězce jsou bakterie. Různé planktonní organizmy se živí buď bakteriemi a detritem, vypadávajícími z horkého mraku nad komínem, nebo spásají nárůsty chemolitotrofních bakterií kolem komínu. Tento plankton slouží za potravu dalším živočichům. Druhou možností jsou symbiózy mezi bakteriemi a živočichy. V tom jsou mistry bradatice – může se ukázat, že jsou hlavními „energetickými centrálami“ systému.

Celá ta zoo, která se živí jinak než bakteriemi vypadlými z komínu, je poháněna oxidací sulfanu kyslíkem. ²⁾ Reakce je energeticky bohatá, a uvolněná energie se dá použít také k fixaci oxidu uhličitého. První problém spočívá v tom, že reakce obou plynů je spontánní, nepotřebuje katalýzu, a tak sulfan (ale i metan) z komínů může reagovat s kyslíkem dříve, než je pohlcen bakterií. Pro bakterie je proto důležité vyskytovat se v malé oblasti, kde jsou oba plyny hojné a ještě spolu nestačily reagovat. Představte si, jak to tam všechno víří a bouří, a bude vám jasné, že pro bakterii není snadné se v této zóně udržet, kdežto pro metrovou přisedlou bradatici to je hračka. Bradatice nemá trávicí soustavu, celé její tělo je vyplněno parenchymem a v něm žijí bakterie oxidující sulfan. Krom toho má žábry, jimiž oba plyny přijímá a na bílkovinných nosičích je krevním oběhem ³⁾ dopravuje k bakteriím ve tkáni. Bakterie dýchají, fixují CO₂, rostou – a bradatice je žerou. Ti ostatní se zase živí bradaticemi. Jednoduché!

Ovšem pro většinu živočichů, kteří pro přenos kyslíku v krvi používají hemoglobin, je sulfan smrtelně jedovatý. Velmi rád se váže na hemoglobin a nedovolí vazbu kyslíku. Přitom nosičem kyslíku u bradatic je právě hemoglobin (a je citlivý k sulfanu jako každý jiný hemoglobin). Proto si bradatice vyvinula zvláštní proteiny, které sulfanu vazbu na hemoglobin nedovolí. Podobných adaptací bude asi víc. Bradatice v podmořské komunitě plní roli, kterou zde nahoře zastávají býložravci: roli primárních konzumentů, základu potravní pyramidy. ⁴⁾

Jiné hraniční ekosystémy

O mikrobiálních společenstvech velmi horkých pramenů se dočtete v článku, lze však uvést i jiné příklady života na rozhraní.

• Na oceánských šelfech v hloubce několika set metrů a za nízkých teplot kolem 4–7 °C byla nalezena společenstva zpracovávající podmořské vývěry ropných uhlovodíků.
• V rumunské jeskyni Movile (viz Tvorové z černé laguny, Vesmír 73, 568, 1994/10), která byla pravděpodobně několik milionů let odříznuta od povrchu, se r. 1986 našel zvláštní ekosystém zpracovávající hydrotermální sulfan. ⁵⁾ Špičku potravního řetězce zde tvoří na 40 druhů hmyzu a různých „červů“, z nichž 33 je známo jen z této jeskyně.
• V roce 1997 byl prozkoumám podobný jeskynní systém v jižním Mexiku. Jeskyně vznikla pravděpodobně rozpouštěním vápence kyselinou sírovou a její ovzduší je tak zamořeno sulfanem, že tam lze vstoupit jen s kyslíkovým přístrojem. Uvnitř žijí například drobné endemické rybky. Důkazem mimořádně bujného mikrobiálního života je živý slizový koberec pokrývající stěny jeskyně.
• n Roli bradatic mohou hrát i mlži. V Mexickém zálivu v hloubce 650 m byla nalezena mělká prohlubeň plná velmi slané vody a probublávaná zemním plynem (převážně metanem). Na pomezí slané a obyčejné mořské vody je jakýsi „útes“ z mlžů Bathmodiolus. Opět – z jedné strany metan, z druhé kyslík, mlž sedí na rozhraní a koncentruje oba plyny svými žábrami, bakterie slouží jako spalovací agregát. Útes je obydlen i dalšími bizarními bytostmi.
• Po objevu podmořských hraničních ekosystémů bylo něco podobného zjištěno i v rybničním bahně, a to v místech, kde se sulfan a metan difundující zdola míchají s kyslíkem shora.

Zóna je často jen zlomek milimetru silná, a navíc se toto rozhraní během dne pohybuje v závislosti na fotosyntéze (v noci je blíže k povrchu bahna, ve dne kyslík proniká do větší hloubky). Bakterie by to nepřetržité stěhování nezvládaly, a tak si osedlaly nálevníky. Podobně jako bradatice je i nálevník plný symbiotických bakterií, nepřijímá potravu, nedýchá, vše mu zajišťují symbionti a on je za to vozí do optimální směsi plynů.

Jezero Vostok

Mikrobiální překvapení nás mohou čekat z jezera Vostok, které má rozlohu asi jako Ontario. Že jste tuto obrovskou plochu nenašli na žádné mapě? Leží totiž v centrální části Antarktidy asi 4 km hluboko pod ledem. Led zachycuje termální energii Země, takže zde podle geofyzikálních údajů vznikl polštář tekuté vody o tloušťce asi 600 m, obsahující 100 m sedimentů. Průzkumný vrt byl zastaven nějakých 250 m nad hladinou vody, aby se zabránilo chemickému nebo mikrobiálnímu znečištění ekosystému. NASA ve spolupráci s ruskými vědci vyvíjí pro výzkum jezera čisté technologie, které by jednou mohly být použity na Europě – Jupiterově měsíci. Ten je rovněž kryt ledem, ale pravděpodobně v hlubších partiích obsahuje tekutou vodu. Europa je tedy další příhodné místo pro vznik horké hluboké biosféry (viz Vesmír 79, 253, 2000/5).

Hydráty metanu a ropa

Bizarním hraničním biotopem by mohla být oblast výskytu hydrátů metanu. V hlubokých oceánech při tlacích větších než 50 atmosfér a za teplot nižších než 7 °C vznikají hydráty metanu. Metan přidaný za těchto podmínek do mořské vody způsobuje mrznutí, takže celé rozsáhlé partie oceánského dna jsou pokryty bahnem, které obsahuje jehlicovité krystaly ledu s bublinami metanu a na ně vázané hydráty metanu. Pokud by se podařilo vyřešit problémy spojené s průmyslovou extrakcí těchto uhlovodíků, možná bychom se dalších 500 let nemuseli starat o tenčící se zásoby ropy. Polohy s hydráty metanu se dají dobře zjistit sonarem. Celkové množství uhlíku vázaného ve zmrzlých hydrátech metanu, které se kromě moře vyskytují též ve věčně zmrzlé půdě tundry (permafrostu), je větší než světové zásoby všech fosilních paliv – uhlí, ropy a plynu. Technické řešení těžby a zpracování je zatím v nedohlednu. Nebudeme se na tomto místě zabývat problémem, jaké globální oteplení by způsobilo postupné uvolňování metanu. Zajímavé je, že v horninovém prostředí převládá – k radosti naftových geologů – metan nad oxidem uhličitým a že i na prostředí mořského bahna s krystaly ledu a hydráty metanu je vázán specifický život zastoupený hlavně „červy“, kteří „přeorávají“ mořské dno a spolu s mikrobiálními symbionty zpracovávají „metanovou zmrzlinu“.

Někdo to rád horké

Hydrotermální ložiska drahých a barevných kovů vznikají z teplých solanek, které obsahují rozpuštěné komplexy kovů. I za vysokých tlaků jsou kovy obtížně rozpustné ve vodních roztocích a nepoměrně lépe se rozpouštějí v uhlovodících za vzniku organických komplexů. Naftu běžně doprovázejí organické látky s chemicky vázaným niklem a vanadem, dají se však najít i organické komplexy obsahující zlato. Podle T. Golda je mnoho hydrotermálních ložisek vlastně vedlejším produktem mikrobiálního metabolizmu svrchních desítek kilometrů zemské kůry. Geologická tradice naopak shromáždila řadu pozorování o existenci smíšených hydrotermálních látek, které kromě komplexních chloridů a síranů obsahují i uhlovodíky. Představme si oblast o rozměrech několika desítek čtverečních kilometrů, která je nerovnoměrně zahřáta. Roztoky obsažené v hornině jsou teplotním a tlakovým gradientem donuceny k oběhu, pro který přednostně využívají volné prostory, například podél zlomových zón. Pohyb roztoků je však pomalý, kontakt s minerálními zrny velmi těsný a reakce probíhají za zvýšených tlaků (dejme tomu 500 atmosfér) a teplot (dejme tomu 80–250 °C). Výsledkem je, že roztoky vymývají veškeré dostupné látky, od uhlovodíků až po chloridy zlata. V místech, kde dochází k míšení různých roztoků, chladnutí, změnám obsahu kyslíku a podobným reakcím, se některé složky srážejí. Je pravděpodobné, že tyto chladnoucí vývěry hlubokých vod s nahromaděnou chemickou energií bývají osídlovány mikrobiálními společenstvy. Jeden příklad za všechny: rozsáhlá polská ložiska ryzí síry velmi pravděpodobně vznikla mikrobiální redukcí okolních sádrovců.

Mikrobiolog – povrchový šovinista

Geologové věnují mikrobiálním reakcím, které musejí být široce rozšířené, poměrně malou pozornost, protože jim bez pomoci mikrobiologů nerozumějí. Většina mikrobiologů pak patří mezi „povrchové šovinisty“, jak jim říká T. Gold, kteří jen neradi odkládají své oblíbené živné roztoky a Petriho misky. Dosud nerozumíme procesům, které vytvářejí vcelku stabilní složení atmosféry. Klíčová role v ní patří biogenním prvkům – kyslíku, dusíku a uhlíku. A pokud dnes poměrně spolehlivě víme, že množství zmrzlých hydrátů metanu na dně moří a v permafrostu je větší než množství všech ostatních fosilních paliv, pokud tušíme, že hluboká biosféra může vážit víc než povrchová biosféra, pak se klíčové okamžiky vývoje života na Zemi odehrávají na hodně hlubokých úrovních, o které se dnes stará jen několik málo výzkumných týmů.