Жизнь глубокого залегания

Наталья Нифантова – 04 ноября 2014

Антарктида – как огромная чашка Петри в руках ученого-извращенца. Обычно в этой плоской посудине с низкими бортиками микробиологи создают питательную среду, а потом выращивают на ней колонии микроорганизмов. Когда-то такая среда была и в Антарктиде. В субтропическом климате цвели цветы, росли деревья, даже бегали динозавры. А потом, что называется, приплыли – материк достиг Южного полюса, оброс километровым ледником, и температура нашей чашки стала в среднем минус 55 по Цельсию. Выкручивайся, жизнь, как хочешь.

Многим из нас, когда разговор заходит об Антарктиде, рисуется митингующая толпа императорских пингвинов вперемешку с дрейфующими льдами, тюленями и бородатыми полярниками. Однако эта бурная жизнедеятельность представлена лишь вдоль береговой линии ледника, да и то не везде. Даже местная сухопутная «мелочь», вроде бескрылых комаров-звонцов или блох, накрепко привязана к самой теплой части континента – Антарктическому полуострову. В глубь материка, большего по площади, чем вся Европа от Уральских гор до самой западной точки, в летний сезон залетают только птицы – южнополярные поморники. Людей, впрочем, здесь тоже немного – всего три полярные станции расположены не на побережье. А южный полюс недоступности – точку, находящуюся на одинаковом удалении от всех берегов Антарктиды, – собственными глазами за всю историю полярных исследований видело вообще человек десять, не считая пластикового бюста В. И. Ленина, установленного первопроходцами в 1958 году на крыше времянки, ныне занесенной снегом по тот самый бюст.

Мхи, лишайники, грибы - основное население континента

Полюс холода – точка самой низкой относительной влажности воздуха, самого сильного и продолжительного ветра, самой интенсивной солнечной радиации… Внутри континента много интересных точек, а вот мест, хоть сколько-то пригодных даже для самой выносливой жизни, – минимум. «Жарким» антарктическим летом на свободных ото льда участках скал вылезают погреться на солнце мхи и лишайники. Темные обнаженные камни поглощают солнечное тепло и нагреваются гораздо сильнее окружающего воздуха – до +30 °С. Удивительную изворотливость в деле выживания демонстрируют цианобактерии и микроводоросли. Они обнаруживаются на глубине одного сантиметра прямо в толще гранитных валунов, довольствуясь светом, проходящим в камень через прозрачные включения кварца, и водой, скапливающейся в трещинках. Еще интересней обустроились микробы, живущие в криоконитах – ледяных «стаканах». Криоконит образуется, когда в ледник постепенно уходит камень, лежавший на поверхности, – он продолжает аккумулировать солнечное тепло и топит лед вокруг себя. Небольшая прослойка жидкой воды с температурой +0,1 °С – и уже можно жить. Однако если бы за всем этим (а точнее под) не крылась какая-нибудь загадка, это была бы очень короткая статья, а Антарктида давно превратилась бы в хранилище радиоактивных отходов – такая возможность вполне серьезно рассматривалась до начала 1960-х годов.

О том, что между основанием антарктического ледника и поверхностью суши может находиться жидкая вода, подозревали давно. Потому что, с одной стороны, ледник получает энергию от геологического слоя под ним (в недрах нашей планеты еще довольно жарко), с другой, если сам он достаточно мощный, то создает такое давление, что температура плавления льда понижается, то есть он тает, не достигая 0 °С. Уже в середине 1950-х выяснили, что толщина ледяного панциря в центральных районах Антарктиды – 3,5–4 км, значит, давление у его основания должно быть больше 300 атмосфер. Тем не менее, немногие воспринимали гипотезу «подледного моря» всерьез, пока в 1960-х при бурении ледника на американской станции «Бэрд» в скважину не хлынула вода. Примерно тогда же были отметены все предложения по превращению Антарктиды в ядерный могильник. Если ледник – не просто монолит, неизвестно, где потом те отходы окажутся, и не в Мировом ли океане.

Если жизни нет
Удивительно, но исследование подледного озера Восток станет действительно великим открытием, даже если биологи ничего там не найдут. Антарктические озера, обитаемые или нет, – единственное место на Земле, похожее по условиям на внеземные объекты: спутник Сатурна – Энцелад и спутник Юпитера – Европа.
Эти ледяные луны, под замороженной поверхностью которых, как предполагают ученые, существует вода в жидком виде, – кандидаты на поиски жизни в Солнечной системе. Тоже микроскопической, естественно. Так близко от нашей планеты ее больше нигде быть не может даже теоретически. Если тот же Восток окажется пустым для биологов, его можно будет смело использовать для испытаний оборудования космических миссий.
Однако целью бурения, начатого на советской внутриконтинентальной станции «Восток» в 1989 году, была вовсе не вода, а лед. В Ленинградском горном институте разработали технологию, позволявшую извлекать из скважины керны – образцы льда длиной около 1,5 м. Это позволило собрать информацию об изменениях климата за полмиллиона лет, которую невозможно было получить никаким другим способом.

Но к 1994-му ученые сопоставили данные сейсмических, радиолокационных и спутниковых исследований, и стало ясно: под станцией «Восток» на глубине более 4 км находится огромный водоем. Озеро, названное в честь советской-российской станции, оказалось не единственным. Сегодня под ледником Антарктиды насчитали больше 300 озер разной величины. Но Восток – из них самое глубокое (максимум – 1200 м) и обширное (приблизительная площадь – 15,5 тыс. км2, это чуть меньше, чем Ладожское озеро, или как половина Байкала).

При чем тут, скажете, биология? В научной терминологии вся система подледных антарктических озер называется реликтовой. Реликт – это свидетель эпохи, нечто, сохранившееся в неизменном виде с древних времен. До середины XX века полагали, что это только рельеф, но присутствие жидкой воды с положительной температурой дало надежду, что свидетель может быть живым. Конечно, условия в подледных озерах сейчас не сахар. Ноль света, ноль органики, холод, огромное давление. В озерах вроде Востока, питающихся за счет таяния ледника, еще и запредельная концентрация кислорода. Талая вода приносит с собой пузырьки газа – лед-то атмосферный. Но когда там, где ледник тоньше и давление меньше, происходит обратный процесс, кристаллизация идет так медленно, что весь кислород остается в жидкой фазе. Озеро работает, как кислородный «пылесос». Для микроорганизмов, возникших, когда в атмосфере было больше CO2, чем O2, избыток последнего хуже его полного отсутствия. Однако оледенение – не шоковая заморозка, в Антарктиде оно растянулось на десяток миллионов лет, так что вполне вероятно, что микробы успели приспособиться к менявшимся условиям. Значит, подо льдом мы можем встретить целый заповедник ни на что не похожих организмов. Биологи знают немало видов экстремофилов – существ, научившихся жить там, где все прочее немедленно гибнет.

Кровавый водопад - эффектное свидетельство бурной подледной жизнедеятельности

В 1911 году австралийский географ Томас Гриффит Тейлор (Thomas Griffith Taylor) обнаружил на окраине Восточной Антарктиды ржаво-красный поток, спонтанно вытекающий прямо из-под ледника, – Кровавый водопад. В середине 1960-х установили, что цвет ему придают соединения железа. Но откуда они там берутся, выяснили только в 2009 году. Оказалось, его вода выносит на поверхность живые микроорганизмы целых 17 видов. При этом кислорода в этой воде почти нет. Бактерии дышат с помощью химической реакции, продукт которой – двухвалентное железо (Fe+2). Оно окисляется на воздухе, образуя ржавчину.
История явления, открытого больше века назад, могла закончиться научным хэппи-эндом лишь сегодня. Ведь и методы «чтения» ДНК появились только в 1970-х. А без генетической премудрости как прикажете изучать неведомые организмы? Вырванные из среды обитания, они так и норовят преставиться. Древние «законсервированные» миры беззащитны перед вторжением извне. И в описанном случае ученым повезло, что природа сама давала им материал для исследований. Но у тех, кто изучает озеро Восток, выбора нет. Озеро, спрятанное в глубине материка во всех измерениях, само наружу не выйдет.

Четыре километра – это час ходьбы прогулочным шагом. И путь длиной в 15 лет, если он пролегает в толще древнего ледника. К 1996 году совместная компания из русских, американских и французских исследователей углубилась до 3539 м, где бур вошел в слой льда, состоящий не из атмосферной, а из озерной, намерзшей снизу воды. В том же году американцы забрали свою долю образцов льда и увезли на родину, а французы хоть и продолжали с россиянами научные отношения, но неофициально. По факту, наши ученые остались с Востоком один на один. А в 1999 году работу им пришлось прервать для разработки технологии, с которой керосин, используемый при бурении, не попадал бы в озеро. На это ушло четыре года, и еще два – на согласования. В 2006-м работы продолжили. 5 февраля 2012 года буровики подошли к границе лед-вода и остановились до следующего года, чтобы поднявшаяся в скважине вода застыла и из нее можно было взять пробу льда, не затронув озеро.

А за тот год среди любителей «подледного лова» произошло много интересного. Разные страны резко активизировали свои усилия в поисках почти неземной жизни. В 2013 году новости из Антарктиды приходили чаще, чем из Госдумы.

10 января российские полярники извлекли свою пробу озерной воды. А 28 января американцы вскрыли подледное озеро Уилланс. Не спешите изумляться их скорости: Уилланс находится на самом побережье Антарктиды, где шельфовый ледник Росса спускается к океану, и от поверхности его отделяют всего 800 м. К тому же бурили американские специалисты быстрым методом – с помощью горячей воды, то есть никаких кернов не извлекали, а сразу зачерпнули из озера. В небольшом (1,5–2 м глубины) пресном озере, где давление примерно вдвое больше атмосферного, они обнаружили 3–4 тысячи видов микробов. Речь шла не о новых формах жизни, а, опять же, о выяснении способа выживания подо льдом. Для микробов озера Уилланс это оказалась реакция окисления аммония (NH3, он же аммиак).
К другому подледному озеру, Элсуорт, еще в конце 2012 года в экспедицию отправилась британская исследовательская группа. Ученые собирались за один сезон добраться до поверхности озера, лежащего на глубине около 3 км под ледником, используя американскую технологию. Но техника подвела. Бурение пришлось остановить.

Внезапный поворот сюжета во всей этой ледово-биологической истории произошел в мае 2013 года, когда российские ученые как раз должны были озвучить результаты исследований первого керна льда из озерной воды. В СМИ появилось сообщение, что профессор Скотт Роджерс из университета Боулинг Грин в штате Огайо (США) тоже изучил пробы льда с Востока (те, что оставались у США с 1990-х годов) и обнаружил там генетические следы 3500 видов – целый зоопарк! Среди них оказались не только все типы экстремофильных бактерий, но даже грибы, членистоногие, моллюски и паразиты более крупных животных – креветок, раков, рыб. То есть еще вчера наличие жизни в Востоке вообще ставилось под сомнение, а сегодня там уже «бьют хвостами киты». Такую бы статью – да в Nature. Но вышла она в онлайн-журнале с открытым доступом PLoS ONE, где статьи сначала публикуются, а уж потом рецензируются пользователями.
В том же месяце сделали заявление и российские исследователи. Они нашли в новой пробе озерного льда ДНК всего четырех организмов. Три из них оказались контаминантами – «загрязнителями», то есть попали в пробу извне. Четвертый же так и не смогли отнести ни к одному из подцарств бактерий.

Как дальше сложилась судьба микроба X и почему в одном куске льда можно найти и все, и ничего, я постаралась выведать у генетика Сергея Булата, руководителя лаборатории криоастробиологии Петербургского института ядерной физики (ПИЯФ), который занимается биологическими исследованиями воды озера Восток.

– Сергей, объясните, сделал Скотт Роджерс какое-то значимое открытие или нет? Ведь этот лед все изучали. Почему результаты разные?

– Если бы мы работали в тех же условиях, что американцы, мы бы тоже показали, что там полно жизни. Какой? Да любой! Нельзя с этими образцами работать без специальных условий. Обязательно должны быть чистые помещения. У Скотта Роджерса их не было. У нас в России их тоже нет. Лаборатория, где я сейчас работаю, находится во Франции. Она была построена, когда французы начинали палеоклиматические исследования льда.

Сергей Булат уже много лет ищет следы жизни в пробах воды озера Восток

– Что такое чистое помещение по меркам молекулярной биологии?

– Чистые помещения сертифицируются по наличию определенного количества частиц пыли. Допустим, класс 1000. Что это означает? В данном помещении находится менее тысячи частиц пыли размером меньше 0,5 микрона в одном кубическом футе (примерно 0,03 м3. – Ред.). Если класс 100 – менее ста частиц. Есть класс 1.
Как этого добиваются? Специальное покрытие, никаких закутков, уголков – все обтекаемой формы, и главное – система фильтрования воздуха. Воздух, который не содержит частиц, постоянно подается туда под давлением и выводится. Вся пыль выдувается. Чтобы помещение очистилось, нужно три дня. Во французской лаборатории я еще поставил ультрафиолетовую лампу. УФ-излучение разрушает молекулы ДНК. Но самое критичное – это деконтаминация льда.

– То есть очистка самого образца?

– Да, ведь буровики берут его руками, перчатки грязные, с него стекает керосин. С этим грязным образцом вы сначала должны зайти в специальные холодные комнаты. Здесь циркулярной пилой срезается внешний слой льда, миллиметра три. Но керосин образует на поверхности пленку, и, сколько бы вы ни резали, она моментально снова затягивается. Надо удалять этот керосин, в котором тоже живут бактерии. Есть специальная процедура. Керн режут на куски сантиметров по десять и обмывают в стаканах с чистым пентаном – он растворяет керосин. Когда пентан улетучивается, у вас есть чистый лед. Но вы еще не в чистой комнате, и местная грязь на него может попасть. Фрагменты льда кладут в открытый стерильный пакет, а его – в герметичный бокс, внутрь которого помещается озонатор. Озон не только убивает живое, он еще и окисляет всю органику, в том числе ДНК. После него там ничего не найдешь – мы проверяли. И когда заканчивается озонирование, вы открываете крышку бокса и быстро забираете этот пакет. Его уже можно нести в чистую комнату.

В ней должна стоять система производства сверхчистой воды. Ею еще раз нужно обмыть поверхность льда. А куда вы будете класть лед? В стеклянную или пластиковую банку, ее тоже нужно обмыть, высушить в ламинар-боксе класса 100 или 10 (ламинар-бокс – стерильный лабораторный «шкаф» с системой подачи воздуха. – Ред.). И только потом вы, одетый в специальный комбинезон и перчатки, можете поместить туда образец, и он расплавится. Все процедуры начинаются с этого.

Кто выполняет такие требования? В России это невозможно сделать. В Америке невозможно. Исключение – Япония и Франция. Есть проект создания нужных условий у нас в Лаборатории криоастробиологии. И он лучше французского на порядок. Три холодных комнаты: от –18 до нуля, и прямой выход в «предбоксник» чистых помещений. Ну, и классы чистых комнат повыше.

– Микроорганизм, следы которого вы обнаружили в пробах озерного льда, остается не опознанным?

– Он не входит ни в контаминанты, ни в мировую базу данных до сих пор. Хотя мировая база каждый день пополняется. И сравнение мы должны делать постоянно. А раз он остается неизвестным, мы ничего о нем не можем сказать. Анализ ДНК не расскажет, чем организм питается, какие у него продукты реакции. Вы можете микроорганизм изучить, если его культивируете. Но для этого нужно воспроизвести условия озера Восток. В России таких установок нет.

Сейчас эта работа плоха еще и тем, что не имеет повторности. В науке, если вы нашли какой-то генетический материал, вы берете образец в свою лабораторию, а потом отсылаете этот же материал, скажем, в Британию. И потом сравниваете результаты. Это называется повторением в независимых условиях. А нашу работу пока некому повторять.

В начале 2015 года бурение на озере Восток продолжится. До границы ледника с водой осталось 45 м. Затем в озеро опустят герметичные пробоотборники, и в начале мая образцы первозданной озерной воды без примесей керосина прибудут в лабораторию для изучения. И это будет только начало полноценного исследования уникального объекта. Верхние слои озера – для микробов место неподходящее, гораздо вероятнее найти что-то живое в придонных слоях или даже на самом дне. Но толщу озера начнут изучать в лучшем случае еще годом позже. Сейчас необходимое оборудование: роботизированные зонды, оснащенные тепловизорами, инфракрасными камерами, спектрометрами, голографическими микроскопами, способными уловить движение в полной темноте, – только разрабатывается и проходит испытания. Восток – дело тонкое.