Когда Земля только сформировалась, она представляла собой бурлящий шар из расплавленной породы: вероятно, он был слишком маленький, горячий и подвижный, чтобы поддерживать существование жидкой воды и атмосферы. Даже если атмосфера и существовала в каком-то зачаточном состоянии, она была уничтожена около 4,5 миллиарда лет назад в результате невероятно сильного столкновения Земли с одной из родственных ей планет. В результате образовалась масса каменистых обломков, некоторые из них со временем соединились в Луну. В течение последующих 100 миллионов лет расплавленная поверхность Земли остывала и формировала кору, выбрасывая пар и другие газы, включая углекислый газ, азот, метан и аммиак. Постоянная вулканическая активность сгустила эту газовую оболочку, а непрерывное столкновение с астероидами и метеоритами привело к образованию еще большего количества водяного пара, углекислого газа и азота.
Все высвободившиеся из недр планеты и образованные в результате падения космических объектов газы создали новую атмосферу. Огромные объемы водяного пара конденсировались в облака, а затем время от времени возвращались обратно на поверхность Земли в виде проливных дождей, которые могли продолжаться тысячелетиями. Четыре миллиарда лет назад, если не раньше, жидкая вода, скопившаяся на поверхности Земли, превратилась в неглубокий океан, усеянный многочисленными вулканическими островами, которые постепенно разрослись до первых массивов суши.
Как и многое в ранней истории Земли, точное место и время зарождения жизни мы не знаем. В какой-то момент, вскоре после появления нашей планеты, в каком-то теплом, влажном месте с подходящим химическим составом и достаточным потоком свободной энергии – в горячем источнике, ударном кратере или гидротермальном жерле на дне океана – частички Земли превратились сначала в первые самореплицирующиеся образования, которые затем эволюционировали в клетки. Доказательства, полученные в результате изучения окаменелостей и химического анализа самых древних из когда-либо обнаруженных горных пород, указывают на то, что микробная жизнь зародилась по меньшей мере 3,5, а возможно, и 4,2 миллиарда лет назад.
Среди всех ныне живущих существ те микробы, которые сегодня обитают в глубинах земной коры, вероятно, наиболее схожи с одними из самых ранних одноклеточных организмов. В совокупности эти подземные микробы составляют примерно 10–20 % биомассы Земли. Однако до середины XX века большинство ученых не верили в то, что жизнь может существовать на глубине более нескольких метров под Землей.
Несомненно, люди столкнулись с самыми поверхностными и заметными формами подземной жизни, когда еще только начали изучать и заселять пещеры, но самые старые из сохранившихся отчетов о подобных находках относятся лишь к 1600-м годам. В 1684 году, путешествуя по центральной Словении, естествоиспытатель Янез Вайкард Вальвазор проверил слухи о таинственном источнике близ Любляны, под которым, как считалось, обитает дракон. Местные жители думали, что дракон заставляет воду подниматься на поверхность каждый раз, когда двигается. После сильных дождей, объясняли они, на камнях неподалеку иногда находили детенышей дракона – тонких, извивающихся, с притупленной мордой, с оборками на шее и с почти полупрозрачной розовой кожей. Основываясь на этих сообщениях, Вальвазор описал этих животных как «подобных ящерице червей и паразитов, которых здесь много». Только спустя столетие естествоиспытатели выяснили, что эти существа были водными саламандрами, живущими исключительно в подземной воде, текущей через известняковые пещеры. Теперь они известны как европейские протеи.
В 1793 году немецкий географ и натуралист Александр фон Гумбольдт опубликовал одно из своих самых ранних научных исследований – монографию о грибах, мхах и водорослях, которые он обнаружил в шахтах близ немецкой провинции Саксония. Почти четыре десятилетия спустя, в сентябре 1831 года, проводник по пещерам и фонарщик Лука Чеч нашел в одной из пещер на юго-западе Словении крошечного медного жука длиной менее восьми миллиметров. Он был похож на муравья: с выпуклым брюшком, узкой головой и веретенообразными лапками. При ближайшем рассмотрении энтомолог Фердинанд Шмидт определил, что этот жук представляет собой ранее неизвестный вид, приспособившийся к подземной жизни: у него не было ни крыльев, ни глаз, и он ориентировался в окружающей среде с помощью длинных щетинистых усиков. Известие об этом открытии породило целую волну научных исследований. В период с 1832 по 1884 год естествоиспытатели задокументировали множество новых для науки обитателей пещер, включая различных сверчков, псевдоскорпионов, мокриц, пауков, многоножек, сороконожек и улиток.
В начале XX века ученые начали догадываться об истинном изобилии жизни под землей. Около 1910 года, пытаясь определить источник метана в шахтах, немецкие микробиологи выделили бактерии из образцов угля, собранных на глубине около километра. В 1911 году русский ученый Василий Омелянский обнаружил жизнеспособные бактерии, которые сохранились в вечной мерзлоте рядом с найденным мамонтом. Вскоре после этого почвенный микробиолог Чарльз Липман из Калифорнийского университета в Беркли сообщил, что ему удалось оживить древние бактериальные споры, которые застряли в кусках угля, добытого на шахте в Пенсильвании.
Хоть эти ранние исследования были весьма интересны, они не убедили большинство ученых в том, что микробы распространены в глубоких слоях земной коры, поскольку существовала вероятность того, что образцы были загрязнены микробами с поверхности. Однако в течение нескольких последующих десятилетий исследователи продолжали находить микробов в породах и воде, полученных из шахт и буровых площадок в Азии, Европе и Америке. Советские биологи даже начали использовать термин «геологическая микробиология».
К 1980-м годам отношение научного сообщества к подземным обитателям начало меняться. Исследования водоносных слоев – подземных запасов воды, залегающих в горных породах, – показали, что бактерии населяют грунтовые воды и изменяют их химический состав даже на глубине нескольких сотен метров под землей. Министерство энергетики США запустило научную программу, которая была призвана отслеживать загрязнение грунтовых вод. С ее помощью предстояло выяснить, способны ли микробы отфильтровывать загрязняющие вещества. Руководитель программы Фрэнк Воббер и его коллеги разработали строгие методы, которые исключали случайное попадание поверхностных микробов в исследуемый материал. Они дезинфицировали буровые коронки и полученные колонки-керны скального грунта, а также отслеживали движения жидкостей через кору, чтобы убедиться, что вода с поверхности не смешивается с образцами.
В конечном счете результаты этого и других подобных исследований показали, что ранние сторонники теории о существовании подземной биосферы были слишком умерены в своих оценках. Где бы ученые ни искали – в пределах континентальной коры, под морским дном, под антарктическими льдами, – они находили уникальные сообщества микробов, в состав которых входили тысячи неизвестных видов живых существ. Иногда микробы явно присутствовали, но были рассеяны. Так, на некоторых участках земной коры на кубический сантиметр приходился всего один микроб, что можно сравнить со страной с одним человеком на каждые 644 квадратных километра. Подземный мир был реален, но его обитатели – гораздо более микроскопичны и необычны, чем можно было себе представить.
В 1990-х годах астрофизик из Корнеллского университета Томас Голд опубликовал ряд провокационных утверждений о микробной подземной среде. Голд предположил, что микроорганизмы можно найти во всех недрах планеты в заполненных жидкостью порах между крупицами минералов горных пород. Он утверждал, что они существуют не за счет света и кислорода, а в основном за счет метана, водорода и металлов. Хотя ученые пока не нашли микробов глубже, чем на три километра под землей, Голд предположил, что они живут еще глубже – на глубине до десяти километров и что биомасса микробов внутри коры равна или даже больше той, что можно найти на поверхности. Он также считал, что вся жизнь на Земле или, по крайней мере, некоторые ее разновидности могли зародиться в недрах планеты, что на других планетах и лунах тоже могут существовать подземные экосистемы. Он полагал, что обитающие в глубинах земной коры микробы, защищенные от тех опасностей, которые можно встретить на поверхности, были, вероятно, наиболее распространенной формой жизни во всем космосе.
К началу 2000-х годов ученые, отчасти вдохновленные идеями Голда, начали говорить о новых способах погружения еще глубже в земную кору. Особенно многообещающими были шахты, поскольку они обеспечивали доступ к удаленным недрам, не требуя дополнительного бурения или инфраструктуры. Таллис Онстотт, профессор геологических наук Принстонского университета, и его коллеги побывали на сверхглубоких золотых приисках в Южной Африке и извлекли образцы подземных вод, находящихся на глубине 3,2 километра под землей. В некоторых из самых глубинных образцов исследователи обнаружили единственный живой вид – бактерию, которая по форме напоминала багет с хлыстообразным хвостом. Она выдерживала температуру до 60 °C и получала энергию из побочных продуктов радиоактивного распада урана, находящихся в ее лишенном солнечного света месте обитания.
Онстотт и его коллеги решили назвать микроб Desulforudis audaxviator в честь отрывка из романа Жюля Верна «Путешествие к центру Земли», который гласит на латыни: «… descende, audax viator, et terrestre centrum attinges» – «спустись, отважный странник, и ты достигнешь центра Земли». Вода, в которой был обнаружен D. audaxviator, стояла нетронутой как минимум десятки миллионов лет, что позволяет предположить следующее: популяция этих микробных терранавтов могла существовать столь же долго.
«Как правило, мы не думаем о том, что в горных породах способна возникнуть жизнь, – пишет Онстотт в своей книге «Глубинная жизнь» (Deep Life). – Я геолог по образованию и, как и большинство геологов, тоже считал горные породы безжизненной материей». Но теперь, как геомикробиолог, он рассматривает каждую горную породу как небольшой мир, состоящий из особых микроорганизмов: «некоторые из них, возможно, живут в горной породе с момента ее образования сотни миллионов лет назад».