Исследования кернов антарктического льда, добытых при бурении скважины к подледному озеру Восток, сопровождались и сенсациями, и разочарованиями. Новые методы исследования перечеркнули десятилетия работы и подбросили новые загадки. Формы жизни, найденные в озерных слоях льда, оказались такими, что и представить никто не мог.

Ожившие из ледяного плена

Ледяной щит Антарктиды — это гигантский холодильник, который сохраняет все, что в него попало, считали ученые: так же, как «консервированный климат», он хранит и древние живые организмы, вмороженные в лед. И этот природный криобанк дает нам возможность познакомиться с микрофлорой, жившей сотни тысяч лет назад. Захватывающая перспектива! Российские ученые начали исследовать керны льда из скважины, которую бурили на станции «Восток» еще в 70-х годах. В Антарктиде работал Сабит Абызов и его сотрудники из Института микробиологии РАН — пионеры в этой области. Прямо на станции построили микробиологическую лабораторию, где они при помощи специальной микробуровой установки вырезали срединную часть керна и в стерильных условиях плавили его над колбой. Колбу ученые тут же запаивали, а в Москве, в лаборатории Института микробиологии, анализировали содержимое. Об этой работе несколько лет назад Сабит Абызов рассказывал автору статьи. Результаты поражали воображение. Во льду на глубине 2500-3000 метров микробиологи обнаружили разнообразные живые организмы: бактерии, дрожжи, грибы, диатомовые водоросли. В одном миллилитре талой воды они насчитывали тысячи клеток. Возраст этого льда — около 300 000 лет. Значит, микроорганизмы в нем находились все это время в состоянии сверхглубокого сна — анабиоза. Некоторые из организмов микробиологам удалось оживить. Клетки, извлеченные из керна, ученые высевали в питательные среды. Часть культур начинала расти и делиться. Для теста «живой — не живой» исследователи также использовали радиоизотопный метод — радиоактивный углерод 14С потребляют только живые клетки.

ЖИЗНЬ В ПОДЛЕДНЫХ ОЗЕРАХ

Озеро Восток уникально тем, что находится на такой глубине и изолировано от внешнего мира. Но в Антарктиде много подледных озер, которые не так изолированы. И они полны жизни. Вот несколько примеров. Валерий Гальченко, сейчас директор Института микробиологии РАН, в 2008 году исследовал подледное озеро Унтерзее вблизи российской антарктической станции «Мирный». В отличие от Востока это поверхностное озеро — оно покрыто всего лишь трехметровым слоем льда. Вода в озере оказалась пересыщена кислородом и азотом. А население озера — очень разнообразным. Помимо фотосинтезирующих бактерий в озере нашлись хе-мосинтезирующие: метанокис-ляющие, метанобразующие, сульфообразующие и другие. А кробиологи обнаружили, что (синтез происходит даже на 70-метровой глубине. Сергей Булат с коллегами работал на озере Радок, расположенном в антарктическом оазисе, который летом освобождается от снега. Это рифтовое озеро, причем очень глубокое — 367 метров. Летом озеро оттаивает по краям, но, несмотря на это, вода в нем очень холодная — не выше +10 С. Молекулярные биологи на озере Радок отрабатывали те же методы, которые использовали при анализе кернов с Востока. И ДНК-анализ показал: озеро полно разнообразной жизни. «Мы ожидали, что в нем живут одни бактерии, а нашли целые сообщества живых организмов, — рассказывает Булат. — И бактерии, и грибы, и диатомовые водоросли, и бурые водоросли, и зоопланктон (рачки). Не было только позвоночных — рыб».
Ученые из Бельгии и Великобритании изучали несколько антарктических озер, расположенных в районе массива Дюфека — одного из участков большого горного антарктического хребта Пенсакола. Вода некоторых из этих озер летом прогревается до +12,80 С. В озерах доминируют циа-нобактерии. Они образуют огромные бактериальные маты, полностью покрывающие дно. Найдены также зеленые водоросли, диатомовые водоросли, а из животных — два вида коловраток и три вида тихоходок (крошечных беспозвоночных, напоминающих личинки насекомых).

С глубиной количество жизнеспособных клеток уменьшалось, но и на отметке 3500 метров микробиологи обнаружили сотни клеток в одном миллилитре воды. Это была настоящая сенсация — оказывается, микробы способны к сверхдлинному анабиозу в сотни тысяч лет! «Эти бактерии не живут во льду, но когда-то были занесены туда с воздушными потоками из атмосферы», — объяснял директор Института микробиологии РАН Валерий Гальченко. На отметке 3538 метров материковый ледяной щит сменяется слоем льда озерного происхождения. «Мы ожидали, что в озерном льду будет больше бактерий, — комментирует Валерий Гальченко. — Но оказалось наоборот». В пробах озерного льда микробиологи нашли только две бактерии. По тесту «мертвый — живой» одна оказалась мертвой, а другая — полуживой (она содержала вещества, характерные для живых бактерий, но расти на питательной среде не стала).

Молекулярные биологи разрушили сказку

Время шло, и к научным методам стали предъявляться более жесткие требования. С 1999 года анализом ледяных кернов с Востока занимается Сергей Булат, руководитель лаборатории молекулярной и радиационной биофизики Петербургского института ядерной физики (ПИЯФ). У микробиологов и молекулярных биологов, изучающих один и тот же объект, разные подходы. Первые находят микроорганизмы в пробах при помощи микроскопа, высевают их в питательные среды и смотрят, что выросло. Вторые работают не с организмом, а с его ДНК — выделяют ДНК и по базе данных определяют, кому она принадлежит. И те и другие несколько с недоверием относятся друг к другу. Но, собственно, похожая ситуация складывается сейчас во многих областях биологии. Приступая к работе с кернами из скважины, молекулярные биологи ориентировались на критерии чистоты, принятые при работе с древней ДНК. У специалистов по древней ДНК очень жесткие требования к тому, как надо работать, чтобы не загрязнить пробы современной ДНК. Во-первых, нужны помещения не просто стерильные, но сертифицированные по стандартам чистоты. Даже в Антарктиде такого помещения нет, в Институте микробиологии — тоже. Во-вторых, необходим контроль: при проведении реакции обязательно нужно ставить контрольную пустую пробирку. Результат в контрольной пробирке будет отражать уровень загрязнения — он покажет ДНК микроорганизмов, которые всегда есть в среде, даже самой чистой: в воздухе, в воде, на человеке. В-третьих, одни и те же образцы должны анализироваться в нескольких удаленных друг от друга и независимых лабораториях. Таким методом Булат и его коллеги составили целую базу — библиотеку контаминантов, то есть загрязнителей. В этой базе 224 последовательности ДНК бактерий, которые содержатся в пыли, в воде, на руках человека и пр. С этой библиотекой ученые сравнивали любую свою находку. Но, кроме того, сравнивали еще с мировой генетической базой GenBank, в которой содержится ДНК всех возможных микробов, ассоциированных с человеком. Вот такой строгий контроль. И когда эти критерии молекулярные биологи применили к поиску жизни в антарктическом ледяном щите атмосферного происхождения, ничего достоверного сквозь такой фильтр не просочилось. А найденные ранее микробиологами бактерии и грибы оказались из группы контаминантов, ассоциированных с человеком. Так первоначальная стройная картина и сказка о микробах, оживших после сна в сотни тысяч лет, рассыпалась на глазах.

ЛЮБИТЕЛИ ЭКСТРИМА

Бактерии на нашей планете освоили все возможные среды обитания. Некоторые из них приспособились к самым, казалось бы, неприспособленным для жизни условиям: к очень горячим и очень холодным температурам, к повышенной солености, к концентрациям тяжелых металлов и пр. В горячих источниках живут термофильные бактерии. Например, тионовые бактерии, окисляющие сероводород до серы, живут при температуре 70-800 С, рассказывает корреспонденту ДМ Валерий Гальченко. Он с коллегами много лет изучал бактериальную жизнь в камчатских гейзерах. Немецким микробиологам удалось найти у берегов Италии микроорганизмы, живущие при 1130 С, на сегодня это абсолютный рекорд. Но когда бактерии переходят в покоящиеся стадии — споры, они выдерживают и больше. Термофилы живут и на дне океана — там, где горячая вода поднимается по разломам в земной коре и выходит наружу. «На глубине нескольких тысяч метров господствует хемосинтетическая жизнь, — рассказывал Валерий Гальченко корреспонденту ДМ. — Поскольку света там нет, на смену фотосинтезу приходит хемосинтез. Например, серные бактерии окисляют восстановленные соединения серы (в основном сероводород) с участием растворенного в воде кислорода. Там, где нет кислорода, живут метанобразующие бактерии, синтезирующие метан из водорода и углекислоты». Бактерии антарктических озер — пример противоположной адаптации к крайне низким температурам. Нижний температурный предел жизни — температура замерзания воды. Японские ученые недавно получили еще одно доказательство того, что бактерии вездесущи. Они обнаружили живые микроорганизмы в слое грунта, возраст которого составляет 460 000 лет. Исследуемый слой грунта залегал на глубине 200 метров от поверхности морского дна. При анализе грунта исследователи установили, что на один кубический сантиметр грунта приходится 10 000 000 микроорганизмов, из которых многие еще не известны науке. Бактерии приспособились и к сверхвысокой солености. Исследователи из Израиля и Германии показали, что Мертвое море — вовсе не мертвое, хотя его соленость достигает 300 грамм на литр. Погрузившись на его дно, дайверы обнаружили огромные скопления бактерий — бактериальные маты. Их образовали микроорганизмы, относящиеся к царству архей. А на канадском острове Аксель-Хейберг, где располагается станция арктических исследований Макгил-ла, ученые нашли аэробный организм в воде источников, которые берут свое начало из-под слоя вечной мерзлоты. Вода этих источников крайне соленая. Микроорганизм питается метаном и выживает при низкой температуре и повышенной солености. Еще один пример живучести бактерий: японские ученые выяснили, что они способны выживать, расти и размножаться при гравитации в сотни тысяч раз сильнее земной (400 000 g ).

Пищевые предпочтения бактерий также могут быть весьма экзотическими. Американские ученые из Университета Орегона нашли в пещере на высоте 1500 метров бактерий, которые питаются минералом оливином. Но самая громкая сенсация — находка бактерии, которая живет в озере с высокой концентрацией мышьяка и, как утверждали Фелиса Вольф-Симон и ее коллеги из Института астробиологии NASA, опубликовавшие свою работу в Science, питается мышьяком, встраивая его в ДНК вместо фосфора. Правда, международное научное сообщество подвергло эти результаты критике. Авторы готовы предоставить ученым из других лабораторий свои образцы для независимого исследования.

Зато в кернах льда озерного происхождения (глубже 3538 метров), который образовался из воды самого озера при замерзании, группе Сергея Булата удалось найти три ДНК-последовательности, прошедшие через все критерии отбора. Значит, можно утверждать, что они принадлежат трем разным микроорганизмам.

Во льду найден теплолюбивым микроб

Один микроорганизм, найденный на глубине 3607 метров, по ДНк ученые определили как термофильную водородокисляющую бактерию Hydrogenophilus thermoluteolus. «Его ДНк на 99% совпала с ДНк этого микроорганизма, который ранее японцы нашли в горячих источниках, — объясняет Сергей Булат. — это факультативный автотроф. Если вы дадите ему органику, он будет ее потреблять. Если органики нет, он может использовать только Со2 и Н2 и из простейших химических реакций добывать энергию для поддержания жизни». «это была шокирующая находка, и мы сначала в нее не поверили, хотя микроорганизм прошел проверку по всем базам, — продолжает Булат. — он же в природе не растет при температуре ниже 37 градусов (Цельсия. — ДМ), а предпочитает 52-54 градуса. откуда он взялся в антарктическом льду?» ученые подвергли Hydrogenophilus thermoluteolus еще одной проверке. Взяли керн с другой глубины — 3561 метр и отправили его на анализ в лабораторию в лионе. И параллельно с французами, работая разными методами, обнаружили в другом слое льда ту же самую ДНк.

Второй найденный группой Булата микроорганизм оказался некультивируемым. Известна только его ДНк. поскольку ее нет в базе GenBank, значит, это совсем новый, неизвестный ранее вид. третий организм, который недавно найден на глубине 3608 метров, относится к типу актинобактерий (Actinobacteria). подобные ему микробы обитают в почвах рядом с холодными озерами в тибете. то есть это холодолюбивый микроб. ДНк антарктической актинобактерии на 94% совпала с ДНк тибетской, а это означает родство на уровне рода или семейства. «Мы его собираемся отправить в Институт микробиологии, — говорит Сергей Булат, — чтобы там его попробовали культивировать в соответствующей среде. Если вырастет именно то, что мы нашли, появится возможность описать микроорганизм, изучить его свойства. Зная свойства и ДНК-роспись, можно описать новый вид».

Разные подходы

Хотя результаты поисков жизни в антарктическом льду оказались намного более скромными, чем они предполагали, это совершенно не значит, что микробиологи что-то там сфальсифицировали. просто у них подход другой. «Но наука требует перепроверки, — объясняет корреспонденту ДМ Сергей Булат. — Если данные получены в одном месте, их нельзя считать достоверными. С Востоком ситуация осложняется тем, что материал уникальный, его мало, и, как правило, исследователи не оставляют «архив» (то есть кусочек того же самого керна) в рефрижераторе, поэтому их результаты невозможно перепроверить». Сейчас микробиологи и молекулярные биологи выработали согласованную позицию по дальнейшей работе. по словам Сергея Булата, они выстроили цепочку: «Мы что-то находим по ДНк, они это культивируют и изучают свойства».

Внеземная жизнь на земле

теперь, наконец, российские буровики проникли в озеро, и вскоре ученые получат возможность исследовать непосредственно саму воду. руководитель российской антарктической экспедиции Валерий Лукин говорит, что, изучая озеро Восток, мы можем познать совершенно новые пути эволюции земных организмов, которые миллионы лет были изолированы от окружающего мира. какие формы жизни мы встретим в самом озере, пока можно лишь фантазировать, пояснил корреспонденту ДМ Валерий Гальченко. а фантазировать ученые не любят. Но кое-какие основания для предположений у них имеются. Например, известно, что вода в озере пересыщена кислородом. «Вода получает кислород изо льда, — объяснил корреспонденту ДМ Вячеслав Мартьянов. — Сначала снег, в котором много воздуха, переходит в фирн, а потом в лед. кислород в нем остается, а когда лед внизу начинает таять, газ переходит в воду». Специалисты вычислили, что содержание кислорода в воде озера должно быть около 700 миллиграмм на литр, а по другим данным — от 600 до 1300 миллиграмм на литр. это очень высокие значения, объясняет Сергей Булат. Для сравнения — в горных альпийских реках кислорода содержится 14 миллиграмм на литр. по словам ученого, Восток — это такой «холодный кислородный реактор». Возможно, избыток кислорода даже формирует газовые гидраты. «при таком содержании кислорода известная нам земная жизнь существовать не может», — подчеркивает Булат. Хотя микроорганизмы на нашей планете адаптируются к очень разным экстремальным условиям (например, бактерии, живущие в горячих источниках), никто не изучал, могут ли живые организмы адаптироваться к такому содержанию о2. В общем, «если в озере есть живые организмы, они должны быть оксигенофилами — любить кислород. поскольку на нашей планете такие организмы неизвестны, — говорит Булат, — можно сказать, что мы будем изучать внеземную жизнь на Земле». И, по мнению Валерия Лукина, «озеро будет прекрасной моделью для изучения возможных форм жизни в других системах».

кислород относится к основным элементам Вселенной, поэтому такие условия вполне могут существовать на других планетах. уже доказано, что кислород есть на Европе — спутнике Юпитера, на Знцеладе — спутнике Сатурна. «Может ли к таким условиям адаптироваться жизнь — пока вопрос. Исследование озера Восток, соответственно, подскажет нам, где и какую жизнь стоит искать в нашей Солнечной системе и в других мирах», — заключает Сергей Булат. Первую пробу озерной воды, которая прибудет в Санкт-Петербург не раньше 18 мая, будут исследовать специалисты Арктического и Антарктического института (ААНИИ), ПИЯФ и Института микробиологии РАН, а также зарубежных лабораторий. А со следующего сезона, как ученые рассказали, начнутся первые исследования в самой Антарктиде. Сначала специалистам по бурению предстоит расконсервировать скважину и разбурить замерзший в ней озерный лед, после этого ученые попробуют опустить в воду пробоотборники и, возможно, видеокамеру. Однако главные изыскания намечены на сезон 2013-2014 годов. К этому времени будут готовы приборы, над которыми сейчас работают физики-ядерщики из ПИЯФ. Зто разнообразные зонды, спектрометр, флуориметр и прочее оборудование, которое сможет уловить в воде любые следы аминокислот или иных биологических молекул. Нахождение жизни в озере Восток, безусловно, станет сенсацией. Но и отсутствие жизни — не меньшей сенсацией, подчеркивают ученые. «Если будет доказано, что в озере нет жизни, то это будет единственным местом на Земле, где есть вода, но нет жизни, — сказал академик Владимир Котляков на публичной лекции. — И это тоже открытие». «Сейчас мы считаем, что жизнь есть везде, где присутствует вода Сергей Булат. — Если ее не окажется в озере Восток, то мы увидим, в каких условиях, несмотря на наличие воды, жизнь невозможна».