Podmorska symbioza – życie bez światła, z metanu i siarki

Wokół tajemnicy życia na Ziemi

Czy życie może istnieć tam, gdzie nie dociera światło, a środowisko wydaje się całkowicie niegościnne – w wiecznym mroku głębin oceanicznych, wśród toksycznych wyziewów metanu i siarkowodoru? Odkrycia dokonane w ostatnich dekadach pokazują, że tak. Na dnie oceanów, w strefach takich, jak zimne wypływy czy kominy hydrotermalne, naukowcy znaleźli bogate i zróżnicowane ekosystemy, funkcjonujące całkowicie bez udziału światła słonecznego.

Oceaniczne wypływy (ang. cold seeps) to miejsca na dnie morskim, gdzie z osadów geologicznych powoli wydobywają się zimne, bogate w związki chemiczne ciecze – najczęściej metan, siarkowodór, amoniak oraz inne węglowodory. W przeciwieństwie do kominów hydrotermalnych, które związane są z aktywnością wulkaniczną i wysokimi temperaturami, wypływy zimne mają temperaturę zbliżoną do otaczającej wody morskiej. Odkryto je dopiero w 1984 r. w głębinie Zatoki Meksykańskiej (Paull et al. 1984]. Miejsca wypływu wód podziemnych bogatych w różne toksyczne związki tworzą doskonałe warunki do bujnego rozwoju fauny, tworzą się tu ekosystemy źródeł węglowodorowych (cold seep ecosystems).

Jak to możliwe, że życie nie tylko przetrwało, ale wręcz rozkwita w tak ekstremalnych warunkach – bez światła, pod olbrzymim ciśnieniem, w obecności toksycznych związków chemicznych? Co leży u podstaw funkcjonowania tych niezwykłych głębinowych ekosystemów, które istnieją całkowicie niezależnie od energii słonecznej?

W tych miejscach powstają unikalne chemoautotroficzne ekosystemy, które opierają się na chemosyntezie – bakterie utleniające metan lub siarkowodór dostarczają energii i materii organicznej innym organizmom. Życie w tych warunkach jest możliwe dzięki symbiozie bakterii z bezkręgowcami morskimi. W tych głębinowych oazach życia można spotkać m.in. rurkoczułkowce (pogonofory) oraz wiele gatunków małży, takich jak vesicomyidy, omułki, lucinidy czy thyasiridy, a także rzadkie, endemiczne ślimaki głębinowe. Kluczem do przetrwania tych stworzeń jest symbioza z bakteriami: małże żyją w bliskim związku z bakteriami metanowymi, które zamieszkują ich skrzela, natomiast rurkoczułkowce współpracują z bakteriami siarkowymi, gromadzonymi w specjalnym narządzie zwanym trofosomem. Bakterie dostarczają gospodarzom substancji odżywczych, a w zamian zyskują ochronę i dostęp do odpowiednich warunków środowiskowych. To niezwykłe partnerstwo pozwala całemu ekosystemowi funkcjonować w całkowitym mroku i chemicznie nieprzyjaznym środowisku (Fischer 2010).

Jednym z najbardziej niezwykłych mieszkańców oceanicznych wypływów jest rurkoczułkowiec z rodzaju Lamellibrachia. Wieloszczet L. luymesi żyje w ścisłej symbiozie z bakteriami, które osiedlają się w specjalnych tkankach jego ciała. To właśnie rurkoczułkowiec dostarcza swoim bakteryjnym partnerom niezbędnych substancji – tlenu i siarkowodoru. Transport tych związków możliwy jest dzięki wyjątkowej hemoglobinie, odpornej na toksyczne działanie siarkowodoru, co stanowi rzadkość w świecie zwierząt. Kolonie L. luymesi można znaleźć m.in. w północnej części Zatoki Meksykańskiej, na głębokościach 500-800 metrów. Zwierzęta te osiągają długość nawet ponad 3 metrów, a ich tempo wzrostu jest tak wolne, że niektóre osobniki mogą dożywać ponad 250 lat. To czyni je jednym z najdłużej żyjących bezkręgowców na Ziemi. Ich kolonie, tworzone w pobliżu źródeł węglowodorowych, mogą liczyć setki, a nawet tysiące osobników, tworząc spektakularne, biologiczne „lasy” głębinowe (Dattagupta et al. 2006).

Odkrycia dokonane w głębinach oceanów pokazują, że kluczem do przetrwania w tak ekstremalnym środowisku jest symbioza – ścisła współpraca między organizmami, która umożliwia im życie tam, gdzie w pojedynkę nie miałyby szans. W głębinowych ekosystemach zależność między zwierzętami a bakteriami osiąga swoje najbardziej spektakularne formy, zmuszając nas do nowego spojrzenia na to, czym jest życie i jakie strategie może przyjmować, by trwać.

Prof. Piotr Skubała

Literatura:
- Dattagupta S., Miles L. L., Barnabei M. S., Fisher C. R. 2006. The hydrocarbon seep tubeworm Lamellibrachia luymesi primarily eliminates sulfate and hydrogen ions across its roots to conserve energy and ensure sulfide supply. „Journal of Experimental Biology” 209: 3795-3805.
- Fischer D. 2010. Cold seeps: marine ecosystems based on hydrocarbons. „Science in School” 16: 60-64.
- Paull C. K., Hecker B., Commeau R., Freeman-Lynde R. P., Neumann C. et al. 1984. Biological communities at the Florida Escarpment resemble hydrothermal vent taxa. „Science” 226: 965-967.