Микроорганизмы поверхностного снега и ледниковой толщи
Примерно 35% поверхности Земли покрыто снегом, большая часть которого находится в полярных областях [ 4 ]. Снег содержит частицы пыли различного происхождения, попавшие в атмосферу в процессе ветровой эрозии почв и горных пород, вулканических извержений, образования аэрозолей над водными поверхностями или в результате антропогенного воздействия [ 4 ]. В химическом составе свежевыпавшего снега присутствуют, кроме собственно кристаллической воды, слабые органические кислоты, ионы натрия, хлора, калия, кальция, магния и других металлов, ионы аммония, сульфат- и нитрат-ионы [ 53 ].
Климатические условия в снежных экосистемах характеризуются низкими температурами (наименьшие температуры наблюдаются на территории Антарктиды, где среднегодовая температура воздуха внутренних районов достигает -57*C), низкой влажностью, высокой солнечной радиацией (сменяемой длительными периодами полной темноты в полярных широтах), низкой доступностью воды в жидкой фазе и скудостью источников питательных веществ [ 4 ]. Естественное разнообразие живых организмов в столь суровых местах обитания представлено микроорганизмами: бактериями, простейшими, дрожжами, водорослями, микроскопическими грибами [ 54 ]. Содержание микроорганизмов в снежных сообществах варьирует в широких пределах, но в целом сравнительно невысоко и составляет от 100 до 1000000 клеток на мл талой воды. Антарктической снег содержит от 200 до 5000 кл/мл [ 5 , 6 ], арктический снег - примерно 60000 кл/мл [ 55 ], высокогорный снег - 6000-720000 кл/мл [ 7 ]. Для сравнения, численность бактерий в одном грамме почвы достигает 10 в 9-ой степени клеток [ 56 ], а в морской воде - 100000-1000000 кл/мл [ 57 ].
Рассмотрим подробнее состав бактериальных сообществ поверхностного снега в различных точках земного шара и начнем с Антарктического континента. Одна из первых работ, описывающих разнообразие бактерий поверхностного снега на Южном полюсе Антарктиды и выполненных с помощью клонирования генов 16S рРНК, была опубликована в 2000-м году. Оказалось, что около 20% сообщества микроорганизмов снега было представлено бактериями из группы Thermus - Deinococcus , которые характеризуются повышенной устойчивостью к радиации и засушливому климату [ 5 , 6 , 7 ]. Другими обнаруженными представителями экосистемы снега на Южном полюсе были бактерии видов Alcaligenes sp. , Cytophaga sp. , и Bacteroides sp.
Более полное описание состава микробного сообщества снега на поверхности ледникового купола Антарктиды было сделано с применением высокопроизводительного секвенирования [ 5 , 14 ]. Снег для исследования был отобран в районе европейской антарктической исследовательской станции Конкордия, удаленной от побережья на 1100 км. Анализ порядка 14000 фрагментов генов 16S рРНК выявил большой спектр филогенетических групп бактерий: Proteobacteria (самыми многочисленными из которых оказались Alphaproteobacteria ), Bacteroidetes , Cyanobacteria , и Verrucomicrobia . Как отмечают авторы, схожий состав бактерий был обнаружен ранее в экосистемах поверхностного снега высокогорных районов, ледников, морского льда и атмосферы [ 5 , 14 ].
Всего одна публикация описывает состав микробного сообщества снега прибрежного района Антарктиды. Объектом исследования стал так называемый " красный снег ", отобранный на территории Восточной Антарктиды. Красный оттенок снегу придает пигмент астаксантин , который накапливается в результате роста на поверхности снега фототрофных бактерий . Анализ библиотек клонированных фрагментов генов 16S рРНК выявил несколько преобладающих таксономических групп бактерий: Bacteroidetes , Actinobacteria , Proteobacteria , и Cyanobacteria . Самым многочисленным родом бактерий (24 из 86 проанализированных клонов) был Hymenobacter , относящийся к филуму Bacteroidetes . Авторы также отмечают, что последовательности, выявленные в ходе анализа, имели высокую степень сходства с последовательностями ДНК из других холодных мест обитания [ 58 ].
Самые богатые и разнообразные сообщества микроорганизмов на поверхности снега образуются в криоконитовых экосистемах [ 59 ]. Криоконитовые отверстия формируются, когда частицы пыли или кусочки горных пород темного цвета попадают на поверхность снега и ускоряют его таяние вокруг себя за счет уменьшения эффекта альбедо . В результате таяния снега такие частицы буквально проваливаются в снег, формируя отверстия, заполненные водой. При анализе библиотек клонов фрагментов генов 16S рРНК в криоконитовых экосистемах на территории Сухих долин (западная часть Антарктики) были найдены представители филумов Acidobacteria , Actinobacteria , Proteobacteria , Verrucomicrobia и Cyanobacteria [ 60 ]. Ближайшие гомологи найденных последовательностей были ранее обнаружены в различных холодных местах обитания. Кроме бактерий в криоконитовой экосистеме присутствовали эукариоты: Plectus aquatilis (нематода) , Macrobiotus hufelandi (тихоходка) , Philodina acuticornis (коловратка) , Choiromyces meandriformis (трюфельный гриб) , Pleurastrium insigne (зеленая водоросль) . Таким образом, за счет уникальных локальных условий, более благоприятных, чем условия на поверхности окружающих снегов, в криоконитовых отверстиях, по-видимому, формируются более сложные микробные сообщества.
В ряде работ анализировали биоразнообразие на поверхности снегов высокогорных областей. Так, в ходе анализа таксономического состава микроорганизмов на поверхности четырех ледников в Тибете были выявлены представители родов Bradyrhizobium , Sphingomonas , Polaromonas , Acinetobacter , Pseudomonas , Arthrobacter , Hymenobacter , Rhodoferax , Ralstonia , Bradyrhizobium , Acidovorax , Curvibacter , Brevibacterium и Kocuria [ 61 ]. В снегах на поверхности ледников в горах Японии самыми многочисленными были представители родов Variovorax , Cryobacterium и Janthinobacterium [ 7 ]. Как отмечают авторы этих исследований, последовательности фрагментов генов 16S рРНК найденных бактерий имели высокую степень сходства с последовательностями ДНК микроорганизмов из других холодных мест обитания.
Не менее разнообразным оказался состав микробного сообщества на леднике арктического архипелага Свальбард (Норвегия) [ 55 ]. Свежевыпавший снег содержал представителей классов Alphaproteobacteria (среди них Brevundimonas , Sandarakinorhabdus , Chelatococcus ), Betaproteobacteria (среди них Hydrogenophaga ), Gammaproteobacteria (среди них Moraxella ), Bacilli (среди них Bacillus , Paenibacillus ) и Actinobacteria (среди них Micromonospora , Agromyces ). Все выявленные роды бактерий были ранее детектированы в холодных местах обитания, в частности, в паковых льдах обоих полюсов , ледниках, снегах или льдах высокогорных озер.
Суммируя все вышесказанное можно заключить, что представители одних и тех же таксономических групп встречаются на поверхности снега в разных частях планеты. Чаще всего доминируют представители классов Betaproteobacteria , Alphaproteobacteria , Gammaproteobacteria , Actinobacteria , Firmicutes , в некоторых случаях Bacteroides и Cyanobacteria . Среди наиболее распространенных родов бактерий можно отметить Variovorax , Janthinobacterium Sphingomonas , Chryseobacterium , Polaromonas , Acinetobacter , Pseudomonas , Arthrobacter , а также Hymenobacter и Rhodoferax и др.
Был проведен первый и пока единственный метагеномный анализ микроорганизмов поверхностного снега архипелага Свальбард в Норвегии [ 62 ]. Самыми многочисленными оказались представители филогенетических групп Fungi , Proteobacteria , Bacteroidetes и Cyanobacteria . Анализ функциональных категорий генов в образцах снега выявил положительную корреляцию специфических групп генов с факторами внешней среды. Например, в образцах с более высоким содержанием ртути происходило увеличение детектируемого числа копий генов синтеза кобаламина, продукты которого участвуют в детоксификации ртути. Также был проведен сравнительный анализ функциональных категорий генов метагеномов арктического снега и нескольких умеренных экосистем. Оказалось, что гены, продукты которых обеспечивают защиту клетки от окислительного стресса, были перепредставлены в снежном метагеноме. Таким образом, было сделано предположение, что физико-химические и климатические факторы оказывают влияние на состав функциональных категорий генов бактерий поверхностного снега и, по-видимому, определяют необходимость увеличения доли генов различных защитных систем, таких как устойчивость к окислительному стрессу и др. С другой стороны, разрешающая способность такого анализа, очевидно, не может быть велика и для более информативных сравнений необходимо привлекать данные не только и не столько по представленности фрагментов ДНК определенных функциональных групп генов, но и по набору экспрессируемых генов, синтезируемых белков и метаболитов, продуцирующихся сообществом микроорганизмов снега [ 62 ].
До сих пор остается неразрешенным принципиальный вопрос о том, следует ли считать снежный покров действительным местом обитания микроорганизмов, где они способны делиться, расти и образовывать полноценные самовоспроизводящиеся сообщества. Впервые данные о метаболической активности бактерий на поверхности антарктического снега были получены в 2000 году Карпентером и соавторами [ 5 , 6 , 7 ]. С помощью эксперимента по in situ включению радиоактивно меченных тимидина и лейцина в состав клеточных биополимеров авторам удалось показать, что при температуре окружающего воздуха до -17*C микроорганизмы, находящиеся в снегу центральных областей Антарктиды, способны синтезировать белки и ДНК. Однако, скорость включения радиоактивных изотопов была крайне низкой, и эти результаты были подвергнуты сомнению в работе [ 63 ], где был сделан вывод о том что доступной для жизнедеятельности бактерий воды при столь низкой температуре нет.
Снежный покров полярных и высокогорных областей постоянно обновляется, более древние слои уходят все ниже, уплотняясь и постепенно формируя лед. Сравнительный анализ бактериальных сообществ поверхностного арктического снега на территории Канады и ледовой толщи под ним не выявил существенного сходства: образцы снега и льда, отобранные с разных глубин, имели различный таксономических состав бактерий [ 64 ]. Несмотря на то, что в процессе образования кристаллов льда клеточная стенка большинства находящихся в нем микроорганизмов повреждается, части бактерий удается сохранить жизнеспособность. В ходе пионерских работ по культивированию микроорганизмов ледникового щита Антарктиды удалось получить изоляты многих психрофильных бактерий [ 65 ]. Позже, из образцов ледника Эвереста , было выделено 1385 изолятов бактерий, большая часть которых принадлежала классам Firmicutes , Alpha-Proteobacteria , Gamma-Proteobacteria , и Actinobacteria [ 66 ].
