Жизнь глубокого залегания
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.
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.
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.
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.
– 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.
– 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.
– 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.
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.
Наука
Наталья Нифантова