Мовиле

Пещера Мовиле представляет собой сеть ходов в известняке, длиной примерно 200 м, с участками, частично или полностью затопленными гидротермальными водами. Температура воздуха и воды постоянна и составляет 21 °C, а относительная влажность близка к 100 %^[3]. Доступ в пещеру ограничен несколькими исследователями в год, чтобы минимизировать внешнее воздействие на хрупкую экосистему^[4].

Воздух в пещере сильно отличается от внешней атмосферы. Содержание кислорода составляет лишь треть—половину от концентрации на открытом воздухе (7-10 % O₂ против 21 % O₂ в атмосфере), а углекислого газа примерно в 100 раз больше (2-3,5 % CO₂ против 0,04 % CO₂ в воздухе)^[3]. Также присутствует 1-2 % метана (CH₄), а и воздух, и вода пещеры содержат высокие концентрации сероводорода (H₂S) и аммиака (NH₃)^[3]. Воды озёр содержат всего 9-16 мкМ растворённого кислорода на поверхности; менее 1 мкМ ниже 3-4 см. С увеличением глубины вода становится полностью аноксичной^[5].

Пещера Мовиле химически характеризуется высокими концентрациями сульфида, достигающими до 500 мкМ. Эта крайне анаэробная, богатая серой среда имеет много общего с глубоководными гидротермальными источниками, где окисление серы играет ключевую роль в производстве энергии^[6][7]. Биохимические процессы в пещере определяются аэробными бактериями-окислителями элементарной серы, которые являются основными продуцентами биомассы для экосистемы^[8].

Хотя их меньше, метилотрофы и диазотрофы также являются важными продуцентами, питающимися метаном и участвующими в круговороте углерода и азота в пещере^[8][9].

Пещера Мовиле классифицируется как карстовая пещера, образовавшаяся в результате выветривания и растворения карбонатных пород под воздействием кислых грунтовых вод на протяжении тысячелетий. Этот процесс называется спелеогенез, что позволило сформировать целую систему пещер, изолированных от поверхностных влияний примерно 5,5 миллиона лет^[10]. В отличие от большинства пещер, имеющих хотя бы частичный выход на поверхность, пещера Мовиле герметично изолирована, что формирует экстремальную, но стабильную экосистему. Такая геологическая изоляция поддерживает уникальную экосистему, основанную на хемосинтезе.

Пещера Мовиле поддерживает сложную экосистему, основанную на хемосинтетических бактериях. Эти бактерии получают энергию за счёт окисления сероводорода и метана, формируя основу пищевой цепи^[11]. Это делает пещеру одной из немногих известных экосистем, не зависящих от солнечного света как источника первичной продукции. Подобные хемосинтетические экосистемы обнаружены в пещере Айалон и пещере Вилья-Лус.

В пещере известно 57 видов животных^[12][13], среди которых пиявки, пауки, ложноскорпионы^[14], мокрицы^[15], многоножки (Cryptops speleorex)^[16], водяные скорпионы (Nepa anophthalma)^[17], а также улитки^[18]. Из них 37 видов являются эндемиками^[12][13]. Хотя животные обитают в пещере 5,5 миллиона лет, не все они появились одновременно. Одним из самых поздних видов является единственный вид улитки — Heleobia dobrogica, который обитает в пещере чуть более 2 миллионов лет^[14][18].

Организмы пещеры Мовиле приобрели уникальные адаптации для выживания в экстремальной хемосинтетической среде. Многие виды утратили функциональные глаза, так как зрение не требуется в полной темноте^[11]. Взамен у многих видов развились усиленные механосенсорные и хемосенсорные способности, позволяющие находить пищу и ориентироваться в темноте^[19].

Из-за высокой концентрации токсичных газов многие организмы выработали физиологические механизмы, позволяющие переносить повышенные уровни углекислого газа и сероводорода^[20]. Некоторые виды демонстрируют специализированные дыхательные адаптации, повышающие эффективность извлечения кислорода из бедной кислородом атмосферы пещеры^[3].

Среди ключевых видов пещеры Мовиле — пиявки, троглобионтные (полностью приспособленные к жизни в пещерах) многоножки и специализированные пещерные пауки.^[11] Многие организмы зависят от микробного производства хемосинтетических бактерий: растительноядные питаются бактериальными биоплёнками, а хищники — первичными потребителями.

Водные беспозвоночные пещеры Мовиле включают:^[11]

• Мейофауна (коловратки, нематоды, полихеты)
• Ракообразные (копеподы, остракоды, амфиподы, изоподы)
• Моитесьерииды (Heleobia dobrogica)
• Водяные скорпионы (Nepa anophthalma, отряд Hemiptera) — единственный в мире специализированный пещерный водяной скорпион^[17].
• Пиявки (Haemopis caeca)
• Дождевые черви (Helodrilus sp.)
• Плоские черви (Dendrocoelum obstinatum)

Из-за изолированности среды пищевые цепи в пещере крайне просты по сравнению с наземными экосистемами. Их основу составляют бактериальные биоплёнки, которые поедаются^[11].

• Наземные — Archiboreoiulus serbansarbui, Trachelipus troglobius, Armadillidium tabacarui,
• Водные — Helodrilus sp., Niphargus racovitzai, Niphargus dancaui.

Эти первичные потребители служат пищей для вторичных потребителей и высших хищников, включая:

• Наземные — Medon dobrogicus, Agraecina cristiani, Cryptops speleorex
• Водные — Nepa anophthalma, Haemopis caeca

Наземная экосистема пещеры включает разнообразных изопод, пауков, ложноскорпионы, акарид, хилопод, миллипед, коллембол, диплур, и жуков^[11]. Крупнейший беспозвоночный и главный хищник пещеры — многоножка Cryptops speleorex, постоянно охотящаяся на добычу — от коллембол и жуков до изопод. Другие многоножки (Geophilus sp., Clinopodes carinthiacus) также входят в число высших хищников.

Наибольшее видовое разнообразие и плотность наблюдаются в так называемой «озёрной комнате», где обитают многочисленные виды двупарноногих (Archiboreoiulus serbansarbui, Strongylosoma jaqueti), изоподы (Trachelipus troglobius) и водяные скорпионы (Nepa anophthalma), вероятно, благодаря наличию кислорода в этой камере. В камерах без кислорода встречаются в основном изоподы (Caucasonethes vandeli pygmaeus, Armadillidium tabacarui).

Пещера Мовиле представляет собой уникальную среду, в которой обитает многопрофильное сообщество микробных эукариот, приспособленных к очень специфическим условиям: низкое содержание кислорода, высокое содержание сульфида и насыщенность метаном. Их значение для устойчивости экосистемы определяется их сообществами и связями с хемосинтетическими бактериями и археями.

Уникальная система грунтовых вод пещеры Мовиле поддерживает сложное сообщество хемоавтотрофных первичных продуцентов^[21]. Различные «залы» пещеры имеют отличающиеся хемо-физиологические условия, что позволяет формироваться уникальным бактериальным родам в каждом микросообществе.

Поверхностные воды и большая часть стен пещеры покрыты бактериальными биоплёнками различного размера: от небольших белых плавающих пятен в «озёрной комнате» и «воздушном колоколе I» до жёлтых биоплёнок толщиной до 2 см, обнаруженных в «воздушном колоколе II»^[21].

Из-за различий в атмосферных условиях по всей пещере размеры и состав сообществ биоплёнок существенно различаются в зависимости от места, что приводит к формированию метаболически связанных микробных сообществ в определённых точках. Предварительные исследования микробных матов выявили наличие метаболически активных метилотрофов и окислителей серы, что указывает на преобладание литотрофии^[8].

Кумаресан и соавторы обнаружили вид Ca. Methylomas sp. LWB в микробных матах, что свидетельствует о наличии аэробной метилотрофии в пещере^[21].

Похожие исследования Aerts и соавт. выявили сложные группы уникальных родов в образцах биоплёнок, собранных в трёх подзонах:

• (1) из плавающих (поверхностных) биоплёнок в воздушном колоколе II
• (2) из биоплёнок на стенах в воздушном колоколе II
• (3) из погружённых биоплёнок на камнях под воздушным колоколом I

Выделенные микробные сообщества в этих образцах доминируют уникальными хемоавтотрофными родами:

• (1) Поверхностная (плавающая) биоплёнка воздушного колокола II:
  • Aquimonas — способствует денитрификации, ключевой род для устойчивости биоплёнки
  • Methylophilaceae — утилизирует метанол и метиламин^[22]
  • Rhodomicrobium — железоокисляющие пурпурные несерные бактерии, используют HS^- как альтернативный акцептор электронов^[23][24]
• (2) Биоплёнка на стенах воздушного колокола II:
  • Woodsholea — галофильные бактерии, метаболизм неясен^[25]
• (3) Погружённая биоплёнка воздушного колокола I:
  • Nitrospiraceae — род окислителей аммиака и нитрита^[26]

Образцы воды из озёр пещеры выявили столь же сложную микробную экосистему метанотрофов и окислителей серы, обеспечивающих субстраты для жизни микробов и беспозвоночных^[7]. Метанотрофные штаммы родов Methylomonas, Methylococcus, Methylocystis/Methylosinus доминируют в водных пробах и кодируют ключевые гены метанмонооксигеназы pmoA и mmoX. Представители рода окислителей серы Thiovulum были гораздо более многочисленны и метаболически активны в воздушном колоколе II, чем в озёрной комнате, но доминируют в обоих типах вод. Недавно предложенный вид Ca. Thiovulum stygium обладает оперонами нитратредуктазы (nar и nap), а также генами полисульфидредуктазы и экспорта сульфита (nrfD и tauE), что указывает на его многофункциональность как аэробного, так и анаэробного окислителя сульфида. Поверхностные воды озёрной комнаты содержат разнообразные роды Sphingobacterium, Stenotrophomonas и Thiovirga, а глубокие воды между воздушными колоколами I и II — высокую концентрацию ацидофильных видов, в основном рода Acinetobacter.

Хотя ранее считалось, что осадки пещеры Мовиле в основном аноксичны, недавние метагеномные исследования выявили возможность микрооксичных условий, определяемых хемолитотрофными процессами и микробным комменсализмом^[27]. В осадках обнаружено высокое количество аэробных железоокисляющих бактерий семейства Gallionellaceae, в частности родов Sideroxydans и Gallionella^[21]. Это открытие, а также обнаружение генов метанмонооксигеназы, указывает на возможность аэробной метилотрофии как важного метаболического пути для осадочных бактериальных сообществ^[21].

Микробные сообщества осадков могут различаться в зависимости от близости к озёрной воде пещеры Мовиле и формируют микрониши с разными метаболическими связями. Окисление серы преобладает в приозёрных осадках, что подтверждается полными путями в порядке Thiohalomonadales и семействе Arcobateraceae.^[27]

Продукты сульфидного дыхания с сероводородом обнаружены в отдалённых от озера пробах, однако полный путь окисления не удалось метагеномно реконструировать^[27]. Дыхание по азоту и денитрификация также являются ключевыми метаболическими процессами в осадках пещеры Мовиле, хотя большинство путей неполные. В приозёрных пробах гены, кодирующие субъединицы аммиакмонооксигеназы, были связаны с порядком Methylococcales^[27]. Гены для первых двух этапов диссимилятивного восстановления нитрата до аммиака (DNRA) найдены как в приозёрных, так и в удалённых пробах, и тесно связаны с типами Acidobacteriota, Planctomycetota и Gammaproteobacteria^[27].

Гены, связанные с фиксацией метана (CH₄) и углекислого газа (CO₂), обнаружены как в удалённых, так и в приозёрных осадках. Все субъединицы партикулярной метанмонооксигеназы (pMMO) кодируются генами семейства Methylococcales, что указывает на возможность метанотрофии в пещере.^[27]

Прогнозируемые генные ассоциации связывают процессы фиксации CO₂ с несколькими таксономическими группами:

• Chloroflexota — тип, включающий в основном термофилы.
• Micrarchaeota — тип ацидофильных архей (Kadnikov et al., 2020)
• Methylocella — род класса Alphaproteobacteria, включающий факультативных ацидофильных метанотрофов (Dedysh et al., 2005)
• Порядок Dongiales, ранее известный как семейство Rhodospirillaceae, группа несерных пурпурных бактерий^[27] (Baldani et al., 2014)
• Thiohalomonadales — порядок класса Gammaproteobacteria, включающий в основном умеренных галофилов (Sorokin et al., 2007)

Пещера Мовиле населена широким спектром эукариот, таких как грибы и простейшие, которые являются ключевыми эукариотическими группами в микробных матах. Простейшие в основном выступают в роли редуцентов и продуцентов кислорода в пещере Мовиле. Наиболее доминирующие эукариотические супергруппы — Ciliates (Alveolata), Stramenophiles (Bicosoecids) и Excavata (Jakobids)^[5]. Среди них Alveolata и Stramenophiles преобладают в микробных матах, а Excavata доминируют в планктоне обеднённого кислородом водного столба^[5].

Альвеолаты многочисленны в микробных матах и планктоне как ключевые растительноядные в пещере Мовиле, регулируя численность бактерий и способствуя обороту органического вещества^[28]. Последовательности альвеолат, найденные в пещере, в основном связаны с инфузориями, а также с немногими представителями типа Apicomplexa^[5]. Среди Apicomplexa доминируют грегарины, в частности Ancora spp.^[5] Динофлагелляты и немногочисленные паразитические перкинсиды также присутствуют, но менее многочисленны.^[5] Некоторые последовательности связаны с фотосинтезирующими видами, но, учитывая аноксичные условия, вероятно, они питаются бактериями. Большинство альвеолат распределено по разным классам инфузорий, из которых три наиболее многочисленны: Armophorea, Phyllopharyngea и Oligohymenophorea.^[5] Armophorea включает инфузорий, обитающих в анаэробных или микроаэрофильных условиях, с последовательностями, связанными с анаэробными метопидами и, возможно, паразитическим образом жизни.^[5] Новый клад в классе Phyllopharyngea оказался самым многочисленным в пещерных экосистемах и, возможно, представляет новую группу инфузорий.^[5] Класс Oligohymenophorea отличается наибольшим разнообразием, с многочисленными генетическими последовательностями, схожими с анаэробными или субоксичными видами.^[5]

Страменопилы — ещё одна доминирующая группа, включающая первичных бикосоэцид, связанных в основном с микробными матами и играющих важную роль в разложении органики и круговороте питательных веществ.^[29] Страменопилы, найденные в пещере Мовиле, также очень разнообразны и делятся на три основные группы: Bicosoecids, Labyrinthulids и Chrysophytes. Наиболее многочисленные и разнообразные клады — бикосоэциды, включая 156 последовательностей, а также сходные с другими экологическими последовательностями из мелководных субтропических озёр^[30]. В соответствии с низким содержанием кислорода в пещере, экологические последовательности, наиболее близкие к OTU Мовиле, происходят из обеднённых кислородом сред или видов, обитающих в микроаэрофильных/анаэробных условиях^[30]. Кроме того, диатомовые клады MOV-ST-4 и MOV-ST-5, найденные вместе с хризофитами, представлены гетеротрофными линиями, адаптированными к пещерной экосистеме^[30]. Дополнительные гетеротрофные группы включают Opalomonadea и клады MAST-3, а также сапрофитные лабиринтулы и бикосоэциды, все адаптированные к бедной питательными веществами и аноксичной среде пещеры^[30].

Экскаваты в пещере Мовиле очень разнообразны, среднее сходство генетических последовательностей составляет 70-75 %.^[30] Большинство последовательностей связано с семейством Stygiellidae, включая роды Stygiella и Velundella, обитающие в основном в анаэробных, богатых сульфидом и аммонием морских средах.^[30] Однако наиболее многочисленный и разнообразный клад MOV-EX-3 образует отдельную линию якобид, возможно, представляя новую семью.^[30]

В экосистеме пещеры Мовиле выявлено 123 вида микроскопических грибов, с заметно высокой встречаемостью спор.^[31] Из них 96 видов обнаружены исключительно внутри пещеры. 90 видов найдены в сухих участках, включая 51 из воздуха пещеры, 42 из осадков и 41 с различных субстратов (мёртвые беспозвоночные, корродированные стены, фекалии изопод). В воздушном колоколе II обнаружено 28 видов грибов, из которых 23 — в осадках и 9 — в плавающем микробном мате^[31]. Хотя большинство видов грибов широко распространены по подземным средам пещеры, два вида, включая неописанный вид Aspergillus sect. Candidisa и Talaromyces ruber, найдены только в осадках воздушного колокола II, а один вид — только в микробном мате этого же колокола. Из-за отсутствия исследований грибов после открытия пещеры в 1986 году неизвестно, являются ли эти грибы аборигенными или были занесены исследователями^[31].

Некоторые организмы пещеры Мовиле, включая ряд беспозвоночных, зависят от симбиоза с хемосинтетическими микроорганизмами. Некоторые виды, например специализированные изоподы и пиявки, питаются микробными биоплёнками, а другие содержат эндосимбиотические бактерии в кишечнике, способствующие пищеварению и усвоению питательных веществ^[32].

Резиденты-микроорганизмы пещеры Мовиле проявляют как мутуалистические, так и конкурентные взаимодействия, поддерживающие равновесие экосистемы. Мутуализм проявляется между определёнными микробными популяциями, в первую очередь хемосинтетическими бактериями, которые играют ключевую роль в круговороте веществ. Например, сероокисляющие бактерии, такие как Beggiatoa и Thiobacillus, окисляют сероводород до сульфата, обеспечивая другие микробные сообщества необходимыми веществами. Аналогично, метанотрофные бактерии, такие как Methylomonas, окисляют метан и поставляют органический углерод гетеротрофным микроорганизмам. Эти кооперативные взаимодействия формируют устойчивые микробные маты — энергетическую основу пищевой цепи пещеры.

В пещере Мовиле обнаружены два вида грунтовых амфипод рода Niphargus^[32]. У одного экземпляра Niphargus cf. stygius обнаружен эктосимбиоз с сероокисляющими бактериями рода Thiothrix^[6] — род бактерий, известных способностью жить в обратных градиентах сера-кислород^[33], и встречающихся в эктосимбиозе с беспозвоночными в гидротермальных источниках^[34]. Thiothrix преимущественно прикрепляется к волоскам и шипам на ногах и антеннах амфипод. Генетический анализ показал, что эти эпибиоты отличаются от свободноживущих Thiothrix из микробных матов пещеры Мовиле, что говорит об их адаптации к жизни на Niphargus cf. stygius^[6]. Такая ассоциация может играть роль в питании или защите от патогенов в бедной питательными веществами, богатой серой среде пещеры^[6].

Длительная изоляция пещеры Мовиле привела к уникальным эволюционным адаптациям её микробных и эукариотических сообществ. Это означает, что они претерпели генетическую дивергенцию в небольших изолированных популяциях и сформировали новые симбиозы, например, между беспозвоночными и сероокисляющими бактериями. Изучение этих систем даёт представление о ранней эволюции эукариот, особенно протистов, приспособленных к анаэробным условиям. В этом отношении пещера Мовиле служит отличным наземным аналогом глубоководных гидротермальных источников и внеземных экосистем, поддерживая гипотезу существования жизни под поверхностью спутников, таких как Европа или Энцелад^[35].