Кто живет в озере Восток

Клещенко Е.
(«ХиЖ», 2012, №5)

Одноклеточные умеют жить везде — по крайней мере, так кажется, когда перечисляют примеры необыкновенных экологических ниш. Одни обосновались в подставках для пивных кружек. Другие — на дне морском, на ржавеющих останках «Титаника»; о Halomonas titanicae мы писали в мартовском номере, в той же статье, где рассказывалось о бактериях, живущих в воде с рН 9,8 и концентрацией мышьяка около 200 мкМ. Третьи — в кипящей воде. Четвертые — внутри пористых камней.

В картонных кружочках, пропитанных пивом, вероятно, живется неплохо. И в темноте на дне океана, где невозможен фотосинтез, и даже внутри камня, где очень мало органики, жить можно. Хемолитотрофы — существа, которые не нуждаются ни в органических веществах, ни в освещении, чтобы получать энергию (этим они отличаются от органотрофов и фототрофов). Они питаются неорганическими молекулами и ионами — донорами и акцепторами электронов. Например, Fe2+ (донор) в клетке железобактерии окисляется до Fe3+, электроны поступают в дыхательную цепь и служат для производства АТФ. Акцептором электронов может быть кислород, если любитель экстремальных условий обитает там, где он есть, но многие обходятся и без кислорода, а используют окисленные соединения серы — в основном сульфаты. А где есть энергия, там будет и все остальное. Разумеется, нужны еще как минимум источники углерода, азота и фосфора — без них не сделать ни белков, ни липидов, ни ДНК с РНК, ни той же АТФ. Но эти источники также могут быть неорганическими. «Литотрофы» по-гречески означает «те, кто ест камни».

А можно ли жить там, где и камней нет, в чистейшей ледяной воде и полной темноте? Не исключено, что ответ мы узнаем в течение года.

Озеро Восток — крупнейшее среди известных на сегодня антарктических подледных озер и наиболее подробно изученное. Название оно получило в честь советской, ныне российской с международной группой исследователей, научной станции «Восток» (77о южной широты, 105о восточной долготы). Станция стоит на ледяном щите толщиной около четырех километров, а под ним — огромный водный массив. Площадь озера Восток — около 15,5 тысяч км2 (у Байкала, для сравнения, 31,7 км2), глубина — более 1200 м.

Озеро Восток. Фото: RADATSAT (NASA)

Откуда берется вода под антарктическим льдом? Еще в XIX веке русский революционер и ученый П.А.Кропоткин предположил, что массивные ледники согревают сами себя — чем глубже, тем выше температура, как и в скважинах, ведущих в толщу земной коры. Следовательно, на определенной глубине будет достигнута температура таяния. В 50—60-е годы ХХ века были разработаны теоретические представления о тепловых процессах в ледниках. В частности, член-корреспондент РАН И.А.Зотиков, известный гляциолог и писатель, провел расчеты теплообмена в леднике, которые показывали, что под ледовым щитом Антарктиды, в том числе и под станцией Восток, должны быть настоящие моря. У нижней границы льда температура должна повышаться до -2оС (на поверхности среднегодовая температура -55оС). А поскольку давление под тяжестью ледника около 400 атмосфер, этого вполне достаточно для таяния. В глубине озера должно быть еще теплее — озеро Восток дополнительно могут согревать гидротермальные источники. Кроме того, эта вода должна быть богата воздухом, а значит, и кислородом: его приносит ледник, который опускается и тает в северной части озера (атмосферный лед, сформированный из снега, всегда содержит воздух).

Из расчетов вырисовывалась потрясающая картина: море пресной воды в глубинах ледника, вечно погруженное во тьму и сжатое огромным давлением, но сравнительно теплое и теоретически пригодное для жизни. Да, и еще изолированное монументальной ледяной «крышей» от биосферы Земли (теперь мы знаем, что эта область Антарктиды не «оттаивала» на протяжении как минимум 14 млн лет).

Гипотеза И.А.Зотикова получила прямое подтверждение, когда в 60-е годы в скважине глубиной 2 км у американской станции Берд обнаружили пресную воду. Но еще до того под руководством члена-корреспондента АН СССР А.П.Капицы на станции «Восток» в 1959 и 1964 годах проводилось сейсмическое зондирование. Его целью было определить толщину ледника. Зондирование дало двойной приемный сигнал, словно он отражался от неких двух сред, — это интерпретировали как два слоя осадочных пород на дне. Лишь 30 лет спустя возникло правильное представление (оно появилось в первую очередь благодаря радиолокационным данным): первый сигнал — отражение от границы льда с водой, а второй — от границы «вода — осадочные породы».

Годом открытия озера Восток считается 1994-й. Данные сейсмического зондирования, авиационного радиолокационного профилирования, которое выполняли американские, английские и советские специалисты, а также данные о высоте дневной поверхности ледника, полученные с европейского исследовательского спутника IRS-1, принесли достоверную информацию о существовании огромного подледного озера в Центральной Восточной Антарктиде. Первое официальное сообщение об открытии озера Восток сделал А.П.Капица в августе 1994 года на совещании Научного комитета по антарктическим исследованиям в Риме.

В 1990 году на станции «Восток» начали бурить скважину, получившую название 5Г — «пятая глубокая». (Отклонения от основного ствола скважины, 5Г-1 и 5Г-2, которые мы видим на рисунке, были сделаны из-за потерь бурового снаряда в результате аварий; таких событий было два.) Бурение с распределением обязанностей и полученного материала (сегментов ледяного керна) до 1998 года вели советские, французские и американские ученые в рамках трехстороннего соглашения, а с 1998 года и до сего дня бурение продолжает только Россия (Франция участвует лишь в анализе льда). Основной целью работ изначально была палеоклиматическая реконструкция. Измерения концентраций дейтерия и 18О, а также углекислого газа и метана в образцах льда позволили получить информацию об изменениях климата в Центральной Антарктике на протяжении 420 тысяч лет. Так, стало понятно, что климат Земли изменяется циклически, потепления сменяются оледенениями, причем продолжительность полного цикла составляла около 100 тысяч лет. В целом анализ выявил четыре таких цикла оледенения — потепления в прошлом нашей планеты. В 1996 году скважина достигла глубины 3539 м, причем состав и структура льда изменились — можно было с уверенностью сказать, что это уже не сам ледник, а вода подледного озера, намерзшая на подошву ледника. К 1998 году бурение довели до глубины 3623 м — и по настоянию Научного комитета по антарктическим исследованиям, а также в связи со сложным положением российской экономики работы были остановлены почти на восемь лет. До поверхности воды оставалось около полторы сотни метров, и нужно было ответить на вопрос: все ли сделано, чтобы исключить возможность загрязнения уникального озера?

Скважина 5Г: 22 года упорной работы. Слева  —  станция Восток и озеро Восток на карте Антарктиды

Скважина заполнена буровой жидкостью, основной компонент которой — авиационный керосин с добавкой фреона как утяжелителя для выравнивания «горного» давления в скважине по мере углубления. Слова «керосин» и «фреон», конечно, не могут нравиться борцам с загрязнением, однако буровая жидкость не должна замерзать в условиях Антарктики, а будучи гидрофобной и легче воды (0,91 г/см3), она с водой не смешивается. Тем не менее российским специалистам порекомендовали разработать максимально безопасную технологию бурения, которая исключила бы малейшую опасность загрязнения реликтовых вод.

Министерство науки объявило в конце 1999 года конкурс на безопасную технологию бурения в скважине Восток и последующего проникновения в воды озера. Победителями стали специалисты из Горного института и НИИ Арктики и Антарктики (Санкт-Петербург). Эта технология признана действительно безопасной, писали о ней много. Но поскольку даже сейчас, десятилетие спустя, проницательные читатели научных новостей все еще отпускают комментарии вроде «представляю буровиков в стерильной одежде» или «теперь там есть жизнь», скажем несколько слов о физических принципах технологии. Стерильная одежда на буровиках ничему не поможет и не помешает, дело совсем в другом.

Как уже говорилось, вода в озере находится под высоким давлением. Экологически безопасная технология использует эффект недокомпенсации давления в скважине на десятки атмосфер — в тот момент, когда бур войдет в контакт с водой, не буровая жидкость пойдет в озеро, а вода из озера по простому физическому принципу поднимется в скважину на высоту, соответствующую разнице в давлении, в озеро же ничего не попадет.

Обсуждения и согласования новой технологии на всех уровнях заняли несколько лет. А в 2003году состоялись ее незапланированные «испытания» в Гренландии (скважинаNGRIP) и в Антарктиде на Земле Королевы Мод (скважина EPICA-2). Там тоже бурили скважины, в которых неожиданно оказалась вода. Поскольку бурят всегда при недокомпенсации давления, когда это произошло, уровень буровой жидкости повысился — ее «приподняла» вода, как и обещали российские специалисты.

Зимой 2005—2006 годов, то есть антарктическим летом, бурение продолжили и вновь получили ледяной керн озерного льда с глубины 3650,43 м. (Здесь и далее «озерным льдом» мы называем воду озера, которая очень медленно, со скоростью около 10 мм в год, намерзает на подошву ледника снизу, в отличие от атмосферного льда, прирастающего сверху.) До проникновения оставалось около 100 метров, однако достичь незамерзшей воды удалось не сразу. В сезон 2008—2009 годов произошла авария — потеря бурового снаряда. Пришлось начать бурение «в обход», отступив вверх до 3580 м (Эта скважина получила название 5Г-2.) Наконец, совсем недавно, 5 февраля 2012 года, исследователи достигли цели. Глубина ледника в точке проникновения составила 3769,3 м.

Воду озера, замерзшую в скважине, в следующем сезоне (декабрь 2012 — январь 2013 года) разбурят заново и отправят для анализа в лаборатории. Приборы, опущенные в озеро, и прямое исследование воды — в планах, начиная с 2013—2014 годов. Найдется ли в этих пробах что-нибудь живое?

По данным лабораторных исследований керна озерного льда, вода под ледником чистейшая. Органического углерода, основного материала для построения биомолекул, в ней не более 20 мкг на литр. Зато кислорода в избытке — 0,7—1,3 мг/л, в сто — двести раз выше, чем в обычных водоемах. Ближе к леднику, в верхних слоях озерного льда, есть небольшие включения слюды и глины с обломками различных минералов. Вода практически пресная, содержание сульфатов и карбонатов ничтожно. В общем, если в озере Восток и живет кто-то, жизнь у него нелегкая. Донорами электронов могут быть молекулы водорода и, возможно, сульфиды, акцепторами — сульфаты и кислород (в минеральных включениях), и других источников энергии не предвидится.

В полученных из скважины образцах льда следы жизни искали еще раньше — и находили. Пробы брали на разной глубине: и в толще ледника, состоящего из атмосферного льда, и в слоях озерного льда. Число живых клеток обычно не превышало двух десятков на миллилитр. (Более высокие значения, полученные в некоторых работах, — по-видимому, артефакты, вызванные загрязнением.) Исследовали и ДНК в пробах (для тех, кто понимает, — амплифицировали последовательности микробных генов рибосомной 16S РНК). Поиск биообъектов в настолько бедном ими образце — такое же сложное дело, как выделение древних ДНК (см. «Химию и жизнь», 2009, № 6), и методически чем-то похоже. Верхний слой ледяного керна аккуратно счищают, отмывают от керосина, затем стерилизуют (от чужеродной ДНК в том числе) озоном и промывают ультрачистой водой в специальных помещениях, сертифицированных по классу чистоты. (К примеру, в комнате класса 10 000 с ламинарными кабинетами класса 100, что означает менее 100 частиц размером меньше 0,5 мкм в кубическом футе воздуха.) Амплификацию молекул ДНК также проводят особым образом, и каждую находку сравнивают с ДНК-библиотекой потенциальных видов микроорганизмов-контаминантов, то есть загрязнителей, которые могли попасть в пробу на любом этапе. Когда мы будем искать жизнь во внеземных мирах, покрытых льдом, таких, как спутник Юпитера Европа, эти наработки нам пригодятся.

Интересный факт: ученые из Института ядерной физики в Санкт- Петербурге и сотрудники Лионского университета во Франции обнаружили в озерном льду с минеральными включениями, причем в двух горизонтах этого льда (и это подтверждает достоверность находки!), ДНК хемолитоавтотрофной бактерии Hydrogenophilus thermoluteolus. Что характерно для этой бактерии — она обитает в горячих источниках, ее температурный оптимум 50—52оС. По- видимому, ее настоящее местообитание — не ледяная озерная вода, а глубокие разломы в породах в окрестностях озера. Там тепло, мало кислорода и много углекислого газа, а радиолиз воды может снабжать бактерию водородом. Кстати, в районе озера Восток была зафиксирована сейсмическая активность, которая может «выплескивать» эти бактерии из глубоких разломов в воду озера. Найдена и другая ДНК, но ее не удалось однозначно классифицировать (сходство с ближайшим родичем составило 91%). Чтобы узнать больше, придется подождать антарктического лета.

См. также:

Разные разности

12.09.2018 18:00:00

Сотрудники геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова провели исследования арктического кратера на полуострове Ямал, выяснили причину его образования и открыли новое геологическое явление, ранее известное только для ледяных планет и планетоидов.

>>
07.09.2018 10:00:00

Сотрудник кафедры зоологии позвоночных МГУ имени М.В. Ломоносова в ходе международной экспедиции нашёл и описал новый вид тонконогих чесночниц. Вид назвали Leptobrachium tenasserimense.

>>
04.09.2018 10:00:00

...возможно, на Марсе есть подледное озеро жидкой воды шириной 20 км...


...редактирование геномов с помощью CRISPR-Cas9 может вызывать обширные делеции и геномные перестройки, затрагивающие многие тысячи нуклеотидов и потенциально патогенные...


...гугл-очки с функцией распознавания эмоций по выражению лица снижают проявления аутизма у детей...


>>
31.08.2018 10:00:00

Однозначно ответить на вопрос, какая сила позволяет паукам летать на своей расправленной паутине, никто не может почти двести лет. Похоже на электрическое явление, но никто пока что не собрался изучить связь паука с электричеством. Этот промах исправили Эрика Морли и Дэниэл Роберт из Бристольского университета.

>>
29.08.2018 13:00:00

Ответ на вопрос, заданный в заголовке, искали орнитологи во главе с Мартином Найфеллером из Базельского университета. Правда, не для всех птиц, а для тех, что уничтожают вредителей садов и огородов.

>>