Пришельцы с Байкала

Идея существования жизни в недрах нашей планеты была впервые выдвинута известным писателем Жюлем Верном в конце 19 века. Его герои во главе с профессором Лиденброком отправляются в путешествие «к центру Земли » и открывают там, помимо динозавров и первобытного человека, огромный подземный океан. В своем романе Великий писатель — фантаст, которого часто называют провидцем, еще раз предсказал будущее: столетие спустя жизнь действительно была обнаружена под океанским дном – это были не доисторические ящеры, а микроорганизмы с уникальным метаболизмом, живущие в «океане» поровой воды и способные существовать практически в «неземных» условиях

Изучение глубинной Биосферы началось еще в 1968 году, когда Гломар Челленджер, специально оборудованное американское научно-исследовательское судно, пробурило свою первую скважину на дне океана Мексиканского залива и продолжило в рамках международных океанских буровых проектов с участием нового бурового судна с символическим названием JOIDES * Резолюция, названный в честь парусного судна Джеймса Кука, известного мореплавателя 18 века.

Глубоководные программы включали химический анализ вод, содержащихся в глубоководных донных отложениях. Скорость протекающих в этих поровых водах реакций свидетельствует о существовании в недрах донных отложений активных живых бактерий, получающих необходимую для своей жизнедеятельности энергию из окислительно-восстановительных реакций. В конце 1980-х годов начались микробиологические исследования глубоководных донных отложений, которые дали поразительные результаты (Bell, Heuer, 2012).

В конце прошлого века были получены первые данные о профилях активности микроорганизмов, общей численности и разнообразии их форм в глубоких слоях донных отложений, что убедительно доказало существование глубинная биосфера (Крэгг и др., 1990; золото, 1992). Однако само понятие глубинной биосферы возникло позже. Сегодня мы используем его для обозначения огромной экосистемы донных отложений под морским дном, в которую входят разнообразные микроорганизмы (бактерии, Ахеи и грибы) с активным метаболизмом и размножением.

Чрезвычайное разнообразие

Так где же начинается глубинная биосфера? Согласно большинству исследований, его верхняя граница лежит примерно на 1 метр ниже морского дна, и по своей протяженности и объему он соперничает с Мировым океаном. До сих пор никаких образцов глубоких отложений без жизни обнаружено не было. Расчетная биомасса глубинных биосферных микроорганизмов составляет до 70 % биомассы всех микроскопических обитателей донных отложений, включая верхние слои (Whitman и др., 1998; Parkes и др., 2014).

Чем больше глубина отложений, тем жестче условия жизни: давление растет, температура поднимается до 60-100 °С, а кислорода почти нет. Эти условия кажутся экстремальными для обитателей водных и верхних осадочных слоев – и все же микробная жизнь в глубоких отложениях весьма разнообразна, хотя характеристики и члены микробного сообщества меняются с глубиной.

Сегодня микроорганизмы-бактерии и археи-обнаружены в донных отложениях на глубине более 1,6 км ниже уровня дна, и прямое измерение активности клеток свидетельствует о наличии живых микроорганизмов в отложениях старше 16 миллионов лет (Roussel и др., 2008; Чобану и др., 2013; Шипперс и др., 2005). Молекулярно-генетические исследования глубоководных отложений из разных районов Мирового океана выявляют большое разнообразие микробных сообществ, многие из которых являются уникальными и (или) так называемыми некультурными микроорганизмами, которые невозможно выращивать в лабораторных условиях (Orcutt и др., 2011). Сами микроорганизмы и их ДНК были обнаружены не только в морских отложениях, но и под поверхностью суши в углеводородных коллекторах и водоносных слоях, залегающих на глубине нескольких километров.

Существуют места, где глубинная биосфера соприкасается с поверхностной биосферой-это зоны высокой тектонической активности, где» горячие » глубинные горизонты отложений или базальтовая кристаллическая оболочка выделяют газы и жидкости – дополнительные источники углеводородов и энергии (Boetius, Wenzhöfer, 2013). Восходящие потоки водорода и ацетата, а также метана и других углеводородов, образующиеся в глубине отложений, увлекают их микроскопических обитателей в верхние горизонты (Hubert и др., 2009).

Глубоководное бурение на Байкале осуществлялось в рамках международной программы «Байкал-бурение» с участием российских, американских и японских исследователей. В 1993 году была пробурена первая 100-метровая скважина вблизи бугульдейской замыкающей дамбы, а спустя три года бурение в озерных отложениях вдоль академического хребта позволило изучить распределение органического углерода и биогенного кремнезема в диатомовых водорослях и получить первые данные о разнообразии глубоководных прокариотических микроорганизмов (Кузьмин и др., 2000)

Одним из таких населенных пунктов является Байкал – самое глубокое пресноводное озеро планеты. В его донных отложениях имеются просачивания нефтегазосодержащих флюидов, грязевые вулканы и залежи метановых газогидратов. В некоторых отдельных районах озера нефть и газ, как сообщается, мигрируют к поверхности дна с глубин 2-7 км, имеющих температурно-напорный режим (Конторович и др., 2007; Хлыстов и др., 2013). Аномально высокие концентрации отдельных ионов, содержащихся в поровой воде поверхностных отложений, обнаруженных в этих зонах, могут быть обусловлены прохождением через них высокоминерализованных глубинных флюидов (Гранина и др., 2001; Погодаева и др., 2007). Подтверждением этого вывода является тот факт, что верхние слои донных отложений грязевых вулканов содержат разрезы древних диатомовых водорослей, тогда как в спокойных зонах осадконакопления они встречаются на глубине 300 метров (Bradbury и др., 1994; Klerx и др., 2003).

Все эти данные свидетельствуют о том, что в районах глубоководных сбросов на Байкал обитатели глубоководного термофильного микробного сообщества могут попадать в холодные (около 4 °С) поверхностные осадочные слои вместе с потоками донных отложений.

Хвойный маркер из диатомовых водорослей

Экспериментальные исследования глубоководной биоты байкальских отложений в районах сброса углеводородов, где органическое вещество трансформируется микробным сообществом, проводятся с 2012 года лабораторией микробиологии углеводородов Лимнологического института Сибирского отделения Российской академии наук (Иркутск) под руководством доктора биологических наук Т. И. Земской.

Эксперименты проводятся при температуре 80 ° С и давлении 49,5 атм-это условия, характерные для тектонически активной зоны Байкала. Специальные напорные баки, разработанные и собранные в Николаевском Институте неорганической химии СО РАН (Новосибирск), обеспечивают непрерывное культивирование микроорганизмов в газовой среде с автоматическим регулированием давления и температуры. Образцы осадка «упаковывают» в стерильные стаканы и обогащают биомассой без микробов Синедра acus диатомовые водоросли помещали в напорные баки и культивировали при высокой температуре и давлении.

За одиннадцать месяцев эксперимента органический материал отложений трансформировался на 17,4 %. Анализ маточного вещества и продукта, выполненный в лаборатории геохимии нефти Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН (Новосибирск), показал, что в результате эксперимента содержание органического углерода и битумоида уменьшилось, а появился новый компонент-трициклический ароматический углеводородный ретен. Это самый неожиданный результат, так как этот вид углеводорода обычно используется в качестве биомаркера биомассы хвойных растений. Образование ретена в ходе эксперимента доказывает, что этот углерод может синтезироваться в процессе разрушения диатомовых водорослей микробным сообществом глубоководных отложений Байкала.

После проведения эксперимента в донных отложениях также был выявлен широкий спектр нуклеотидных последовательностей. Анализ с использованием популярного генетического маркера-фрагмента гена 16S рРНК, кодирующего белок бактериальной рибосомы, — показал, что они относятся к микроорганизмам с различным метаболизмом: пурпурные несульфурные бактерии, способные расти в анаэробных условиях за счет окисления органических соединений; морские и пресноводные углеводородокисляющие микроорганизмы; анаэробные некультурные метанотрофы; уникальные бактерии, филогенетический статус которых пока не определен.

Посольская Банка-подводная возвышенность, расположенная на границе Южной и Центральной впадин озера Байкал. Изучение аномалий теплового потока, а также сейсмические и акустические исследования показали, что в этом районе наблюдается активная миграция газонасыщенных флюидных потоков, некоторые из которых имеют глубокое термогенное происхождение (Klerkx и др., 2006; Наудц и др., 2012). Газосодержащая жидкость переносит жизнеспособные термофильные микроорганизмы в верхние слои осадочных пород

Длительное культивирование донных отложений способствовало размножению некоторых жизнеспособных термофильных микроорганизмов в культуре обогащения. Одним из них является термофильный факультативный анаэроб рода Paracoccus с миксотропным (смешанным) метаболизмом, т. е. способный расти как в присутствии «готовой» органики, так и молекулярного водорода и углекислого газа. Эти свойства позволяют отнести данный штамм к вероятным участникам трансформации органического вещества донных отложений Байкала.

Дальнейшее культивирование при температуре 60 ° С выявило другие виды термофильных микроорганизмов: актиномицеты рода Planifilum и бактерии рода Thermaerobacter. Интересно, что последний был изолирован на глубине 10 897 метров от отложений Challenger Deep, грязевого вулкана Марианской впадины, одного из самых загадочных и наименее изученных мест нашей планеты.

Глубоководные микроорганизмы Байкала оказались не менее малоизвестными, чем обитатели знаменитой Марианской впадины. С одной стороны, они имеют высокий процент сходства с бактериями и археями, встречающимися в горячих источниках, подземных отложениях, донных отложениях и почвах, загрязненных углеводородами, а также в гидратсодержащих донных отложениях морских экосистем. Как и эти микроорганизмы, они существуют благодаря гидрогенотрофному метаногенезу и Н2 — зависимое разложение погребенного органического вещества. С другой стороны, исследование общей ДНК из отложений выявило уникальные клоны с метаболическими путями, о которых можно только догадываться.

Особый интерес представляет способность глубоководных микроорганизмов Байкала синтезировать ретен. Байкальские масла известны как «молодые «и считаются уникальными из-за большого количества «ископаемых» молекул (хемофоссилии ), такие как сесквитерпаны, секохопаны, стераны, олеананы и другие (Конторович и др., 2007). По нашим данным, retene может быть добавлен в список биомаркеров Байкальской нефти.

Бактерии рода Paracoccus являются примером микроорганизмов с микотрофным (смешанным) метаболизмом, способных питаться как органическими, так и неорганическими веществами. Структура их электронно-транспортной цепи аналогична структуре митохондрий-межклеточных органелл высших организмов, происходящих от симбиотических бактерий. Эти специфические особенности позволяют им выживать при различных концентрациях кислорода, «переключаясь» с кислородного (аэробного) на бескислородный (анаэробный) обмен веществ (Baker и др., 1998)

Полученные результаты свидетельствуют о том, что изучение микроорганизмов, поступающих из Байкальской глубинной воды, может иметь значение для установления источников образования ископаемых углеводородов и оценки вклада этих микроорганизмов в их образование и разрушение. Кроме того, учитывая, что ретен традиционно используется в качестве биомаркера хвойных растений при изучении последних изменений в биологических сообществах, эти данные позволяют более корректно интерпретировать процессы, происходившие в далеком прошлом.

* JOIDES-Объединенное океанографическое учреждение по глубоководному отбору проб земли

Белл Э. М., Хойер В. Б. глубинная Биосфера: глубинные подземные и подземные среды обитания / / жизнь в экстремальных условиях: окружающая среда, организмы и стратегии выживания (под ред. Э. М. Белл). Стажер такси. 2012 год. P. 554

Б. А. Крэгг, Паркс Р. И., Мальков Ю. С. и соавт. Биомасса бактерий и профили активности в глубоких слоях осадочных пород / / Proc. ВВЦ. Дрель. Еда. 1990. В. 112. П. 607-619.

Голд Т. Глубокая Горячая Биосфера / / Тр. Национальное. Акад. Sci. США. 1999 год. В. 89. П. 6045-6049.

Гранина Л. З., Каллендер Е., Ломоносов И. С. и др. Аномалии в составе поровых вод Байкала / / Рус. геология. и геофизика. 2001. V. 42. Н. 1-2. П. 362-372.

Хлыстов О., де Батист М., Седзи Х. и др. Газогидрат озера Байкал: Открытие и разновидности / / журн. Азиатская Земля Sci. 2013 год. V. 62. С. 162-166.

Конторович А. Е., Каширцев В. А., Москвин В. И. и др. Нефтяной потенциал байкальских месторождений / / Рус. геология. и геофизика. 2007 год. V. 48. N. 12. П. 1346-1353.

Кузьмин М. И. основные итоги Байкальского проекта / / Вестник РАН. 2000. V. 70. N. 1. С. 41-47.

Parkes R. J., Cragg B., Roussel E. обзор популяций прокариот и процессов в донных отложениях sud-seafloor, включая биосферу: геосферные взаимодействия / / Mar. Геология. 2014 год. В. 352. П. 409-425.

Погодаева Т. В., Земская Т. И., Голобокова Л. П. и др. Химический состав поровых вод донных отложений в различных бассейнах Байкала / / Рус. геология. и геофизика. 2007 год. V. 48. Н. 11. П. 886-900.

Верн Дж. Путешествие к центру Земли. Penguin Books LTD. 1994 год. С. 256.

Whitman W. B., Coleman D. C., Wiebe W. J. прокариоты: невидимое большинство / / Proc. Натуральный. Акад. Sci. США. 1998 год. В. 95. П. 6578-6583.

При поддержке междисциплинарного международного проекта СО РАН №82 и гранта РФФИ №16-04-00181

Авторы благодарят академика М. А. Грачева за помощь в организации их исследований глубинной биоты озера Байкал

https://scfh.ru/en/papers/aliens-from-baikal/

Ссылка на основную публикацию