Кейсы

Настоящие жители Антарктиды: какие микроорганизмы живут в вечной мерзлоте и откуда они там появились

Далее

Всего 1% Антарктиды не находится подо льдом, остальная ее часть выглядит совершенно безжизненной. На континенте живут ученые на сменной вахте, а в прибрежной зоне обитают немногочисленные животные: тюлени и пингвины. Но то, что прячется во льдах, до сих пор остается загадкой — ученые продолжают исследования подледных озер, каменистых пиков и нагретых камней, засыпанных снегом. Цель одна — обнаружить микроорганизмы, способные объяснить человечеству, как возникла жизнь на Земле и может ли она существовать на Марсе и других планетах с экстремальными условиями на поверхности. «Хайтек» рассказывает о микроорганизмах, метаболизм которых работает благодаря метану, спящих бактериях из антарктической пустыни и экстремофилах, найденных на глубине 3,5 км.

Антарктида — последний из открытых континентов на Земле. Проводить исследования на этом участке льда и суши трудно из-за суровых климатических условий. В 2016 году антарктические исследования стоили российскому бюджету 1,61 млрд рублей. Для сравнения, на развитие космической программы в том же году страна потратила 300 млрд. Эти цифры несопоставимы, но результаты исследований, которые проводят в космосе и на Земле, все же сравнимы. И на планете, и за ее пределами люди ищут ключ к пониманию живого.

Осмысленные антарктические поиски

Микроорганизмы на Земле могут объяснить существование жизни вне нашей планеты. Антарктида — зона вечной мерзлоты, сохраняющей почти все, что в нее попадает. Речь идет не только о живых организмах: особенности нарастания льда дают представление о сейсмической и вулканической активности планеты на разных этапах доисторического периода. Из-за этой информации ученые начали исследовать антарктический керн. Уже после извлечения первых образцов в 60-х годах за дело взялись микробиологи.

Река Оникс на Антарктиде

Тогда же советские ученые выяснили, что микроорганизмы могут сохранять жизнеспособность во льду. Открытие сделал сотрудник Института микробиологии РАН Сабит Абызов. Он выделил из образцов мицелиальные грибы, дрожжи, спорообразующие и неспорообразующие бактерии, а затем поместил материалы в питательную среду. Некоторые из организмов «ожили», стали расти и развиваться так, как если бы не замерзали на тысячи лет. Открытие 70-х стало импульсом к изучению микроорганизмов в неблагоприятных условиях типа антарктических или вовсе внеземных.


Панспермия — теория зарождения жизни на Земле, согласно которой первые микроорганизмы были занесены на планету из космоса с метеоритами и астероидами.


На антарктическом материке обнаружили кратер Земли Уилкса — один из крупнейших следов столкновения с космическими объектами на Земле. Метеорит, создавший 500-километровый кратер, прилетел на планету 250 млн лет назад и стал причиной одного из пяти периодов вымирания. Теоретически, он мог принести новые формы жизни. И это не единственный космический след на континенте.

Немногие находки внеземного происхождения становятся поводом для выступления президента США. Тем не менее 7 августа 1996 года Билл Клинтон произнес речь по случаю открытия метеорита ALH84001. Предположительно, это отколовшийся кусочек Марса, прилетевший на Землю примерно 13 тыс. лет назад. Он покинул «родину» в то время, когда Красная планета была испещрена реками жидкой воды. При микробиологическом исследовании американские ученые выявили окаменелые частицы крайне мелких нанобактерий — всего 20–100 нм в диаметре. Открытие не стало гарантом марсианской жизни, поскольку достоверная природа организмов неизвестна: они могли попасть на метеорит после его падения на Землю. И все-таки это зацепка, ободряющая энтузиастов.

Невозможная среда обитания

Вопрос биологического разнообразия Антарктиды поставили еще в XIX веке, и речь шла о прибрежных обитателях океана. Сегодня ученые вышли на новый уровень понимания жизни в ледяной пустыне. Условия в ней нельзя назвать комфортными: на материке царит один из самых суровых климатов на Земле.


Из-за почти полного отсутствия облаков над Антарктидой, количество солнечной радиации достигает 1,25 ГДж/м2 в летние месяцы, но всего 10% лучей уходят на согревание континента: большинство отражается снегом. На антарктической станции «Восток» был зафиксирован абсолютный минимум температуры –89,2 °С. Она редко поднимается выше –30 °С.


Из-за быстрого охлаждения воздуха над материком находится область повышенного атмосферного давления. Выживание в таких условиях невозможно для многоклеточных организмов, с которыми человек уже был знаком.

В предыдущем столетии с развитием уровня обнаружения микрообъектов ученые смогли выдвигать теории о существовании микроорганизмов, способных выживать в экстремальных условиях вечного холода. Искать их нужно было не на поверхности, а в «оазисах».

Оазисы ледяной пустыни

Микроорганизмы Антарктиды не обитают на плоской заснеженной поверхности, где для них не найдется подходящих условий. Бактерии скрываются в подледных озерах, погребенных под слоями снега. Континент богат водоемами с постоянной температурой ниже нуля и высоким давлением буквально нависающего ледника. К 2007 году ученые обнаружили 140 подледных озер, появившихся еще до нарастания реликтового льда.


Количество подледных озер Антарктиды связано с гористостью ее рельефа. Ландшафт, по мнению ученых, сформировался во время распада суперконтинента Гондваны, примерно 150 млн лет назад. Именно в Антарктиде располагается так называемый Величайший каньон Земли.


Крупнейшим озером Антарктиды считается Восток, расположенное под одноименной российской станцией. О нем «Хайтек» писал в большом материале. Чтобы получить образцы материала из озера, ученые поддерживают работу буровой установки, проходящей 3–5 м в день за день. Само озеро расположено на глубине 3730–3770 м. Пробу воды из этого водоема брали в 2012 году. Содержание живых организмов в растопленном льде было нереальным: 3,4 тыс. видов в доисторическом озере. Впрочем, Антарктида тут же охладила энтузиастов: всего одна бактерия-экстремофил Hydrogenophilus thermoluteolus живет во льдах озера. Затем микроорганизмы нашли и в других подледных озерах, Уилланс и Элсуорт.

Подледные озера — не единственная антарктическая среда, подходящая для живого. Нунатаки — выступающие каменистые пики, которые не заносит снегом. Они прогреваются до такой степени, что дают приют высшим растениям и мхам. Кроме того, иногда температура камней доходит до +30 °С, а потому внутри гранитных валунов есть зеленые отложения. Это микроводоросли и цианобактерии, проникшие в трещинки и получающие солнечные свет с помощью кварцевых элементов камня, пропускающих необходимые лучи. В трещины забивается снег, который там же тает, так что микроорганизмы не страдают от типичной для Антарктиды засушливости.

Нунатак в Антарктиде

Еще одно место для развития микроорганизмов — криокниты. Это необычное вещество, напоминающее болотистую почву. Оно появляется, когда осколки камня или песок протапливают, нагреваясь от солнца, лед. Частица погружается вглубь покрова и снова засыпается снегом, причем вода вокруг камня остается жидкой, потому что топится теплом от камня. Такая среда снижает эффект альбедо, отражения света, до 20% вместо 60%. В таких углублениях при температуре 0–1 °С микроорганизмы могут жить и развиваться. Размер гранулы зависит от активности бактерий на ее поверхности, а значит это воспроизводимый процесс.

Объекты особого внимания

Сами микроорганизмы, несмотря на свои наноразмеры, представляют не меньший интерес, чем необычная среда их обитания. Это связано с особенностями их метаболизма, работающего благодаря метану — четырем атомам водорода, кружащихся вокруг одного атома углерода. Молекулы CH4 на 20% виноваты в глобальном потеплении, но без них нельзя представить и жизни. Часть от общего объема этого газа вырабатывается микробами, простейшей и древнейшей формой земной жизни.


Археи — один из трех доменов микроорганизмов наряду с бактериями и эукариотами. Многие из этих организмов — эукариоты, использующие производные углерода для процессов метаболизма.


К археям как раз и относятся экстремофилы, найденные в антарктических озерах. Там эти микроорганизмы выживают благодаря термальным источникам на дне водоемов. Они преобразуют химические соединения в биологическую энергию, вырабатывая и потребляя метан. Некоторые из них потребляют углекислый газ, водород и окись углерода.

Последние полвека ученые считали, что переработка метана свойственна только эвриархеотам, небольшой ветви архей. В 2015 году исследования обнаружили гены в филиуме Verstraetearchaeota, это открытие расширило представления о количестве организмов, использующих CH4. Шансы на выживаемость микроорганизмов повышаются, прямо пропорционально растет и зона их поисков.

Бактерии археи

Тип микроорганизмов, использующий экстремальную бескислородную диету, может выживать за пределами Земли. Новый тип бактерий был открыт в 2017 году, но и сегодня исследования продолжаются. Интересно, что в керне с территорий двух участков антарктической пустыни, Робинзон-Ридж и Адамс-Флэт, где были обнаружены бактерии, практически нет питательных веществ. Тем не менее, ученые отсканировали 23 вида микробов, включая две неизвестных бактериальных группы. Они получили название WPS-2 и AD3. В исследовательском докладе сообщается: «Большую часть энергии эти бактерии получают с помощью очищения атмосферных газов». Эти микроорганизмы экономят энергию и большую часть времени находятся в покое, но все-таки живут.


Метан — не только продукт жизнедеятельности, но и простейший способ обнаружить жизнь. Возможно, некоторые формы марсианской жизни вырабатывали этот углеводород. Аппарат Curiosity зафиксировал сезонные изменения метановой активности Марса, но существование жизни на планете докажет лишь ее обнаружение.


ДНК экстремофила Hydrogenophilus thermoluteolus из озера Восток может рассказать о строении родственных микроорганизмов, обитающих в других частях космоса. С помощью расшифровки этого кода исследователи поймут, откуда экстремофилы получают энергию в условиях своего существования. По мнению ученых, 99% разнообразных видов живого все еще ждут, когда их откроют.

Эксперименты проводятся с помощью центрифуг, «взбалтывающих» и выделяющих ДНК из клеток микроорганизмов. Затем последовательность цепи изучается в компьютерной программе так же, как она исследуется в случае человеческих образцов. «Это новое понимание жизни, способной существовать в экстремальных условиях Антарктиды. Атмосферный газ метан дает нам понимание жизни на других планетах», — считает австралийский микробиолог из Университета Нового Южного Уэльса Белинда Феррари.

Дальнейшие исследования помогут ученым понять принцип появление таких экстремофилов. Наука считает, что антарктический лед скрывает и другие виды микроорганизмов, существующие в тех же жестких, почти космических условиях. Как такие бактерии появились на Земле и найдет ли человек их родственников на Марсе или в океане Европы, — на эти вопросы лишь предстоит найти ответ.

Загрузка...