Каким образом микроорганизмы в вечной мерзлоте могут спровоцировать появление мощной «углеродной бомбы»?

Исследование геномов помогает выявить механизмы, с помощью которых бактерии и архебактерии оказывают влияние на один из крупнейших на Земле резервуаров углерода во время его таяния. В вечной мерзлоте содержится около 1600 миллиардов тонн углерода, — а это более чем в два раза превосходит содержание углерода в атмосфере.

В мае нынешнего года, когда температура на севере Швеции начнет, наконец, подниматься выше нуля на несколько градусов, ученым снова придется возвратиться к мягким торфяникам Стурдаленского болота. Опять послышатся их шаги по провисающим деревянным настилам, переброшенным через болотную топь, среди множества прозрачных коробок из оргстекла, виднеющихся то здесь, то там среди болотных трав.

На протяжении короткого вегетационного периода через каждые три часа крышки коробок закрываются, чтобы коробки заполнились метаном, парниковым газом, который просачивается из почвы. Через 15 минут этот газ будет по лабиринту трубок перекачиваться в специальную лабораторию на колесах для анализа.

Кроме этого, ученым придется вставлять металлические стержни в мягкую болотную жижу и извлекать образцы для лабораторного анализа. С помощью секвенирования генов специалистам предстоит изучать микроорганизмы, производящие метан. Данный проект, известный как IsoGenie, является одним из крупнейших и самых долгосрочных в своем роде полевых исследований на фоне других проектов по изучению микроорганизмов, обитающих в вечной мерзлоте. «Нам хотелось бы узнать что-нибудь новенькое. Для этого мы объединили анализ геохимических данных и изучение микробной экологии, — эти два направления работы представляют собой две совершенно разные области», — говорит соучредитель проекта IsoGenie и эколог Скотт Салеска (Scott Saleska) из Аризонского университета в Тусоне.

Несколько десятилетий тому назад Стурдаленское болото было полностью погружено в вечную мерзлоту. Однако на сегодняшний день из-за повышения общемировой температуры большая часть этого болота превратилась в подобие лоскутного одеяла, которое состоит из отдельных болотных массивов и травянистых заболоченных территорий; в результате климатического изменения на всей территории Стурдаленского болота образовались бугры (их называют палсами), в которых массив вечной мерзлоты частично отделен сухими торфяниками. На всей территории этих болот ученые ведут наблюдения за изменениями, которые происходят в микробных сообществах внутри палсов в процессе их таяния.

На протяжении большей части истории человечества вечная мерзлота представляла собой крупнейший на Земле поглотитель углерода, словно специально консервируя на протяжении столетий в своих замерзших слоях растения и животных. В вечной мерзлоте содержится около 1600 миллиардов тонн углерода — а это более чем в два раза превосходит содержание углерода в атмосфере в наши дни. Однако из-за повышения температуры вечная мерзлота продолжает разрушаться и исчезать, оставляя после себя столь грандиозные изменения ландшафта.

Ученые все больше и больше беспокоятся о том, что потепление климата приведет к грандиозному пиршеству самых разных бактерий и архей, выделяющих углекислый газ и метан. И хотя математические модели, описывающие изменения климата, уже давно учитывают способность арктической вечной мерзлоты и арктических озер генерировать углерод, активность микроорганизмов, пребывающих в ее толще, в значительной степени рассматривается как своего рода черный ящик, состояние которого изменяется синхронно с физическими свойствами экосистемы, включающими ее температуру и влажность. «В том-то и проблема! — считает биогеохимик Кармоди МакКэлли (Carmody McCalley) из Рочестерского технологического института в Нью-Йорке. — Если в математической модели данный механизм описывается не верно, то она, скорее всего, не сможет выдавать качественные прогнозы».

По мере возрастания внимания ученых к организмам, живущим в такой среде, растет и количество результатов, выданных учеными на-гора. Зачем же нам необходимо знать, какие микроорганизмы доминируют в процессе изменения вечной мерзлоты? Подобная информация может оказаться полезной, например, для определения различных типов парниковых газов, выделяемых этими микроорганизмами. А дело вот в чём: благодаря различным типам микроорганизмов, обитающих в арктических озерах, влияние климатических изменений на состояние этих озер может оказаться еще более сильным, чем считалось ранее. При этом наличие железа и других питательных веществ в почве способно ускорить выработку парниковых газов на некоторых территориях.

Несмотря на тот факт, что до сих пор неизвестно, каким образом изменится ландшафт в результате потепления (а такие вопросы, как роль вирусов в почве, остаются в основном без ответа), сбор информации о микроорганизмах позволяет ученым получить более целостное представление о процессах, которые имеют место в настоящий момент. «Это позволило нам тщательнее исследовать данную проблему, — говорит еще один соучредитель проекта IsoGenie микробиолог Вирджиния Рич (Virginia Rich) из Университета штата Огайо в Колумбусе. — Ведь в этом имеется острая необходимость, если говорить о системах вечной мерзлоты. И всё потому, что эти системы тают прямо на глазах».

Долгая история

Функционирование микроорганизмов в тающей вечной мерзлоте изучается в рамках нескольких исследовательских проектов. Некоторые из них, такие как Alaska Peatland Experiment (Эксперимент на торфяниках на Аляске), финансируемый Национальным научным фондом США (NSF), посвящены изучению сообществ микроорганизмов, обитающих в такой же среде, которая аналогична богатой углеродом почве Стурдалена. Другой крупный проект — это экосистемный эксперимент нового поколения под названием Arctic, финансируемый Министерством энергетики США. Он исследует богатую полезными ископаемыми местность Северного склона Аляски, недалеко от Уткиагвика (бывшего Барроу). Вооруженные силы США проводят исследования, посвященные изучению такого вопроса: каким образом сообщества микроорганизмов перемещаются и изменяются в Туннеле вечной мерзлоты (так называется 110-метровая шахта, высеченная в замерзшем склоне холма недалеко от г. Фэрбенкса).

В других крупномасштабных проектах принимают участие помимо прочих Центр вечной мерзлоты при Копенгагенском университете, который проводит метагеномический анализ почвы, полученной из различных участков Гренландии, России, Швеции и Свальбарда (т. е. Шпицбергена — прим. ИноСМИ). В рамках совместных исследований, которые проводятся российскими и американскими учеными на северо-востоке Сибири, проводится сравнение сообществ микроорганизмов, обитающих в образцах вечной мерзлоты разного возраста, начиная от нескольких тысяч до нескольких миллионов лет. Ученые обнаружили нетронутую вечную мерзлоту, в которой живут цианобактерии и микроводоросли; именно эти организмы могут активизироваться в результате таяния вечной мерзлоты.
Стурдаленское болото представляет собой одно из наиболее хорошо изученных мест в Арктике; на протяжении более ста лет ученым удалось собрать подробную информацию о его температурном режиме, составе почвы и растительных сообществах. Микробиолог Бу Свенссон (Bo Svensson) из Университета Линчёпинга в Швеции был одним из первых ученых, которые еще в 1970-х годах начали измерять количество выделяющегося из почвы метана. Чтобы улавливать газ он использовал ведра и банки из-под кофе, для этого приходилось зачастую многие часы проводить на болоте, защищаясь от комаров и мошкары; для этого приходилось густо мазаться специальным средством для отпугивания насекомых, изготовленного на основе дегтярного масла, приобретенного неподалеку в саамской общине. Поскольку в те времена не было ни специального оборудования, ни электричества, то Свенссону часто приходилось преодолевать расстояние в десять и более километров, чтобы добраться до шведской научно-исследовательской станции Абиску с наполненными газом шприцами и прочим оборудованием, надежно засунутым в рюкзак.

В наше время в трясине рядом с современным оборудованием можно заметить одну из тех ржавых банок Свенссона — своеобразное материальное свидетельство того, насколько далеко продвинулась наука. «Стурдаленское болото привлекает к себе внимание ученых из разных стран мира», — говорит Свенссон. Процессы потепления, затронувшие данный регион, сильно повлияли на изменения, протекающие в Стурдаленском болоте, благодаря чему оно стало привлекательным местом для исследований, проводимых учеными, которые занимаются проблемой изменения климата. И ситуация не изменилась даже после того, как в 1980-х годах там провели ЛЭП и построили подъездную дорогу.

В 2010 году в результате запуска проекта IsoGenie у исследователей, которые занимаются изучением Стурдаленского болота, появился более совершенный инструментарий — средства молекулярной биологии. Этот проект, финансируемый Министерством энергетики США, был инициирован Вирджинией Рич, которая разработала методы отбора проб ДНК из окружающей среды для изучения живущих в океане микроорганизмов и Скоттом Салеска, создателем лазерной системы измерения концентрации примесей газа. Проект IsoGenie объединил усилия представителей разных областей науки, в рамках проекта была собрана огромная база данных, отражающая ситуацию за последнее десятилетие.

Не так давно ученым для того, чтобы собрать как можно более полную информацию о микроорганизмах, приходилось выращивать их в лаборатории. Однако в настоящее время исследователи все чаще собирают образцы прямо из окружающей среды и секвенируют ДНК, используя средства метагеномики с целью объединения сообществ микроорганизмов, обитающих в почвах, океанах, озерах и во многих других местах. Ученые научились не только идентифицировать различные виды микроорганизмов, но также теперь им под силу сделать вывод о том, какие гены этих микроорганизмов активны; эти научные подходы дают возможность глубже понять и описать как метаболические процессы, так и процессы взаимоотношений между микробами.

Как сообщила Вирджиния Рич, команда ученых под ее руководством собрала 13 тысяч геномов микроорганизмов, обитающих в почвах Стурдаленского болота. Это сообщество поистине огромно. Оно полностью охватывает, если так можно выразиться, древо жизни всех микроорганизмов; сюда же входит недавно обнаруженный отряд архебактерий, выделяющих метан, и 15 тысяч почвенных вирусов, которые, как считается, заражают живущих в почве микробов. Данная научная находка позволила по-новому взглянуть на процесс возникновения метана.

Они выделяют метан

Первое крупное открытие было сделано в 2014 году, когда ученые показали, что в разных ландшафтных районах Стурдаленского болота обитают различные микробные сообщества, которые выделяют метан с разной скоростью. Например, в частично оттаявших илистых болотах большинство присутствующих микроорганизмов производят метан в ходе так называемого гидрогенотрофного метанообразование; в ходе этого процесса они потребляют углекислый газ и водород. Однако в полностью растаявших болотах мы наблюдаем, что сообщество микроорганизмов приобретает более сложный характер; здесь микроорганизмы производят метан при помощи так называемого ацетокластического метанообразования, в этом случае для производства метана используются ацетат и диоксид углерода. По словам Вирджинии Рич, на данную особенность необходимо особенно обратить внимание, поскольку два упомянутые выше процесса по-разному протекают в условиях изменений, происходящих в окружающей среде, таких, например, как температура и pH.

Это открытие встревожило ученых, поскольку из него следует, что различные районы болота на более поздних стадиях таяния могут производить больше или меньше метана — и всё это в зависимости от условий окружающей среды; данный фактор необходимо учесть при создании экстраполирующих математических моделей. «В нашей статье мы показали, что вид производимого метана сильно варьировался в разных местах в зависимости от интенсивности процесса таяния, а также от наличия тех или иных [микроорганизмов]», — разъясняет Скотт Салеска.

«Действительно, шаг был сделан огромный», — утверждает участник проекта IsoGenie биогеохимик Патрик Крилл (Patrick Crill) из Стокгольмского университета. — Теперь мы убедились в наличии связи между ландшафтом и его биогеохимическими характеристиками. И всё это было установлено благодаря различным областям биологии«.

«То, что им удалось выявить связь между микроорганизмами и моделями климата, — это действительно круто», — добавляет специалист в области экологии экосистем Тед Шуур (Ted Shuur) из Университета Северной Аризоны во Флагстаффе.

В глубинах

Затем команда ученых переключилась на арктические озера. По словам участницы проекта IsoGenie биогеохимика Рут Варнер (Ruth Varner) из Нью-Гэмпширского университета в Дареме, в ходе предпринимаемых ныне попыток прогнозирования климатических изменений недостаточно внимания уделяется исследованию вопроса об особенностях выделения метана в зависимости от той или иной зоны озера. Долгое время считалось, что на мелководье, которое прогревается быстрее в теплые месяцы, производится больше метана, чем в более глубоких слоях. Однако данное утверждение никогда не подвергалось проверке.

С помощью метагеномики и методов измерения выбросов газа из двух озер, расположенных в Стурдаленском болоте, Рут Варнер вместе с коллегами обнаружили, что эта старая гипотеза нуждается в пересмотре. В научной статье, которая еще не прошла экспертную оценку, они показывают, что в сообществах микроорганизмов, обитающих в более глубоких зонах арктических озер, содержится большее количество микроорганизмов, выделяющих метан, чем в зонах мелководья; они, кроме того, более чувствительны к повышению температуры. Это означает, что небольшое повышение температуры может привести к непропорциональному выбросу метана из средней области на поверхности озера. Рут Варнер предупреждает, что если общемировая температура продолжит расти, то «по нашему мнению, метана будет выделяться еще больше, чем мы ожидали».

В сентябре прошлого года Рут Варнер и Вирджиния Рич объявили о следующем начинании — проекте под названием EMERGE, который будет изучать «реакцию экосистемы на изменения». Данный проект, который получил 12,5 миллиона долларов США от NSF, объединяет 33 ученых-специалистов, представляющих 15 областей науки, для продолжения работы по метагеномике, начатой в рамках проекта IsoGenie. Ученые поставили следующую цель: более комплексное изучение механизмов эволюции микроорганизмов как реакцию на изменение климата, а также исследование роли вирусов.

Один из аспектов предстоящей работы состоит в том, чтобы проанализировать корреляцию между различными сообществами микроорганизмов и особенностями ландшафта, т. е. теми элементами ландшафта, которые видны невооруженным глазом (например, растения). В случае решения данной задачи ученые смогут при помощи спутников выявлять по всему Арктическому региону сообщества микроорганизмов, выделяющих метан.

Связь между результатами наблюдений за процессами, происходящими в вечной мерзлоте на Сутрдаленском болоте и в некоторых других регионах Арктики, совсем не очевидна. Размеры этих регионов, а также их разнообразие и удаленность — всё это создаёт проблему для ученых. Фактически, по оценкам специалистов, почти треть всех арктических исследований проводилась в радиусе 50 километров и, к тому же, всего на двух участках — в Абиску (Швеция) и на озере Тулик в районе Норт Слоуп (Аляска). Эколог-микробиолог Марк Уолдроп (Mark Waldrop) из Геологической службы США в г. Менло-Парке, Калифорния, более десяти лет занимавшийся изучением вечной мерзлоты Аляски, считает, что использование инструментов микробиологии в местном и региональном масштабе приносит для науки большую пользу. Вместе с тем Уолдроп указывает, что ученые всё еще не имеют полного представления о том, какие процессы будут происходить в различных зонах вечной мерзлоты Арктики по мере их таяния, поэтому хотелось бы получить более репрезентативный набор проб. С этой целью Уолдроп совместно с НАСА создает самую большую базу данных, в которой могли бы быть представлены образцы микроорганизмов вечной мерзлоты, охватывающие все арктические регионы. Уолдроп настроен оптимистично по отношению к подобной базе данных, поскольку с ее помощью можно будет изучать те регионы Арктики, по которым имеется лишь неполная информация.

Моделирование — важный фактор

Перед учеными стоит еще одна задача: разобраться в том, какие изменения происходят в окружающей среде в процессе таяния вечной мерзлоты. Подобные изменения (например, высушивание почвы или ее отвердение, или, наоборот, затопление водой) оказывают серьезное влияние как на сами сообщества микроорганизмов, так и на продуцируемые ими выбросы газов в окружающую среду. Микробиолог Джанет Янссон (Janet Jansson) из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в г. Ричленде, штат Вашингтон, разделяет подобную точку зрения; по ее словам, работа по выявлению особенностей жизни микроорганизмов, населяющей все эти разнообразные экосистемы, крайне важна. Янссон считает, что информация о микроорганизмах — важное подспорье для моделирования выбросов углерода в будущем. «Это, прямо- таки, маленькие фабрики, которые производят парниковый газ. И поэтому, конечно, мы должны понимать, как это происходит. Нельзя игнорировать вопрос о механизмах порождения этих газов», — поясняет Янссон.

Джанет Янссон возглавляет группу, изучающую сообщества микроорганизмов в низинном регионе Норт Слоуп, покрытом озерами. По мере замерзания и таяния вечная мерзлота трескается и прогибается, создавая геометрические образования, называемые полигонами ледяного клина, которые представляют собой сочетание массивов льда, болот и озер. Этот неоднородный ландшафт покрывает около 20% изучаемого региона Аляски. На протяжении почти всего последнего десятилетия Джанет Янссон использовала в работе метагеномный анализ, а также анализ газов. С помощью такого подхода она хотела получить ответ на следующий вопрос: есть ли различия между выбросами газов в различных средах обитания и каковы они?

В работе Джанет Янссон 2015 года, где автор использует инструментарий метагеномики, показано, каким образом микроорганизмам удается на протяжении столь длительного времени выживать в условиях бедной питательными веществами и постоянно находящейся в твердом состоянии среды — то есть в вечной мерзлоте. Джанет Янссон вместе с коллегами обнаружили у микроорганизмов специфические гены, которые кодируют белки, участвующие в метаболизме железа; данный факт указывает на то, что для выживания в суровых условиях микроорганизмы используют данный элемент в качестве источника энергии. Это открытие проливает свет на механизмы, на основе которых была выработана доминирующая стратегия выживания микроорганизмов в условиях вечной мерзлоты. А в декабре прошлого года ученые, работавшие на исследовательской станции Абиску, показали, что по мере того, как микроорганизмы оттаивают и возвращаются к активной жизни, присутствие железа в почве может фактически ускорить выделение углекислого газа.

В дальнейшем Джанет Янссон хотела бы перейти к изучению вирусов, которые заражают многих из этих почвенных микроорганизмов, и выяснить их роль в переработке углерода. Некоторые вирусы убивают своих хозяев, изменяя общий баланс микробиоты в данном конкретном сообществе. У других вирусов имеются дополнительные метаболические гены, кодирующие белки, которые высвобождают углерод, заключенный в растительном веществе. «Не думайте, что вирус будет себя, так сказать, хорошо вести. У нас есть множество неопубликованных данных, которые показывают, что вообще-то вирусы способны на гораздо большее», — говорит Янссон.

По мере повышения температуры в Северном полушарии ученые собираются вернуться в места проведения арктических исследований. В Стурдаленском болоте снег все еще покрывает землю, а температура держится на отметке значительно ниже нуля. Но скоро оттепель. Вирджиния Рич и Рут Варнер с нетерпением ждут, когда им представится возможность раскрыть тайны микроорганизмов, населяющих те болотистые места.