ЖИЗНЬ НА ГРАНИЦЕ ЖИЗНИ
Для специалистов лаборатории микробиологии Института общей и экспериментальной биологии СО РАН — вода в природе — это объект изучения жизнедеятельности различных типов микроорганизмов и их сообществ.
Э. Данилова, к.б.н., с.н.с,лаборатории микробиологии,
Б. Намсараев, д.б.н., проф.,
зав. лабораторией микробиологии,
ИОЭБ СО РАН
На территории Бурятии на редкость сочетается множество интересных и уникальных водных экосистем, в которых условия обитания микроорганизмов относятся к экстремальным. Здесь способны существовать только одноклеточные микроорганизмы, не имеющие ядра, — прокариоты. Здесь образуются микробные сообщества, куда высшая жизнь не допускается. Это и есть объект нашего изучения. Думается, что для человека более или менее мыслящего и любознательного этот факт удивителен. Как могут живые организмы существовать при столь высоких температурах, порой достигающих +80°С?! Клетка термофильной бактерии устроена несколько иначе: измененная структура белка, которая не дает сворачиваться при высоких температурах, а ферменты имеют оптимум активности при существенно более высокой температуре, чем их мезофильные аналоги. Защитным механизмом является и то, что термофилы представлены более мелкими формами (палочками, кокками), чтобы уменьшить поверхность соприкосновения с окружающей средой. Оказывается, для термофильных бактерий вполне комфортная температура — свыше 50-70 градусов. Кстати, немецким микробиологам удалось найти у берегов Италии микроорганизмы, живущие при 113 градусах (!), на сегодняшний день это абсолютный рекорд. Хотя, как предполагают ученые, естественный предел жизни — 130-150 градусов (речь идет о микроорганизмах в активном состоянии; когда бактерии превращаются в споры, они выдерживают и больше). Термофилы Бурятии нашли себе подходящие условия в горячих источниках Баргузинской долины, Курумканском и отчасти Окинском районах нашей республики.
Изучение термофилов и их ферментов открывает широкие возможности их практического использования, например: используются как матрицы в ПЦР (термоустойчивые фрагменты ДНК); активно используются в пищевой промышленности, в очистных сооружениях; с целью получения горючих веществ (метана и спирта), биомассы и др. Выделенные бактерии представляют интерес для биотехнологии как продуценты термоустойчивых и устойчивых к высоким рН ферментов. Возникает вопрос: какова причина выхода на земную поверхность горячих вод? Оказывается, подземная вода по трещинам в земной коре доходит до мантии и очень сильно нагревается. Затем поднимается вверх, по пути вымывая минералы из пород, и выходит наружу. Микроорганизмы на выходе и далее по текущим ручьям минеральных источников образуют сообщества. В сообществе микроорганизмов существуют созидатели органического вещества, способные синтезировать его за счет энергии солнечного света или химических реакций — кто как может. За фотосинтез в этом сообществе отвечают цианобактерии, а также группа пурпурных бактерий. Другая группа бактерий — гетеротрофы питаются созданной фотосинтетиками органикой. Они используют для жизнедеятельности самые разные химические процессы: одни образуют метан, другие его окисляют, третьи восстанавливают сульфаты до серы и сероводорода. В противоположность «созидателям» эти бактерии, в конечном счете, разлагают органику до углекислоты и воды. В анаэробной среде, где отсутствует кислород, органическое вещество разлагается до метана или сероводорода. Примерно так замыкается цикл углерода в данных уникальных экосистемах. Надо отметить, что все газы в земных глубинах микробного происхождения. На глубине нескольких тысяч метров от поверхности земной коры также имеет место бактериальная жизнь, где господствует хемосинтез. В отсутствии света микробы энергию получают в результате химических реакций неорганических соединений.
Высокотемпературные гидротермы, по мнению ученых, можно рассматривать как земные модели вероятностной жизни на Марсе, существовавшей в прошлом или существующей сейчас. Также эти гидротермальные источники рассматриваются как современные аналоги древней биосферы. Являясь самыми древними живыми существами среди обитателей планеты, цианобактерии прошли неизменными через всю историю Земли. Как упоминалось выше, именно цианобактерии, они же сине-зеленые водоросли, ответственны за кислородную атмосферу на нашей планете.
Следующим, не менее интересным объектом исследования, являются содовые и содово-соленые озера — это озера с повышенным содержанием в воде солей гидрокарбоната и карбоната, хлорида натрия. Концентрация соды и соли в данной экосистеме достигает колоссальных величин — (100 мг/л), при этом рН может быть предельно допустимым -11. В этих экосистемах схема жизнедеятельности микроорганизмов аналогична минеральным источникам. Иными словами, здесь те же самые продуценты и деструкторы органического вещества. В таких условиях обычные нейтрофильные микроорганизмы не могут существовать. В экосистемах содовых озер все процессы продукции и деструкции органического вещества осуществляются алкалофильными микроорганизмами, клеточная стенка которых способна выдерживать высокое осмотическое давление окружающей среды. Здесь так же, как и в минеральных источниках, идут процессы круговорота органического вещества. В процессе разложения органическое вещество претерпевает цепь превращений, в результате которой образуются углекислый газ и вода. В донных отложениях, где накапливается основная часть органического вещества, его деструкция происходит по двум путям — образования метана или сероводорода, осуществляемого группой так называемых вторичных анаэробов. От того, какие физические и химические условия преобладают в данных экосистемах, будет зависеть, по какому пути будет разлагаться органическое вещество. Черный маслянистый ил с резким запахом сероводорода в содово-соленых озерах, например, Киран, Хилганта, Верхнее Белое и др. свидетельствует о доминировании процесса образования сероводорода, что подтверждается нашими исследованиями.
Таким образом, территория Бурятии является одним из немногих районов нашей планеты, где сконцентрированы разнообразные типы уникальных сообществ экстремофильных микроорганизмов, именно поэтому в Бурятском научном центре было проведено заседание круглого стола, посвященное развитию микробиологических исследований в байкальской Сибири. Заседание было организовано Институтом общей и экспериментальной биологии СО РАН, Бурятским отделением МОО «Микробиологическое общество», Научно-образовательным центром «Байкал» Бурятского государственного университета.
Участники отметили, что в научных и учебных учреждениях гг. Улан-Удэ, Иркутск, Чита и Якутск, совместно с учеными институтов РАН и вузов Москвы, Пущино, Новосибирска и Перми, ведутся исследования по многим направлениям микробиологии. Объектами изучения являются озеро Байкал, термальные и холодные минеральные источники, содовые и соленые озера, реки, болота, криоаридные и вечномерзлотные почвы. Исследуется структура и функциональная активность термофильных, термоалкалофильных, галоалкалофильных, ацидофильных и психрофильных микробных сообществ, участвующих в круговороте химических элементов в биосфере. Выделены и описаны новые виды экстремофильных микроорганизмов — продуцентов биологически активных соединений. Вместе с тем было отмечено, что имеющаяся материально-техническая база лабораторий и малый штат ограничивают их возможности.
Участники круглого стола обращаются в Президиум СО РАН, ОУС по биологическим наукам и наукам о Земле СО РАН оказать содействие в развитии микробиологических исследований в академических институтах Бурятского, Иркутского и Якутского научных центров.
стр. 7
|
