Микроорганизмы полярных озер
Микроорганизмы населяют не только морские воды, но и пресные и соленые водоемы внутри Антарктического континента. Рассмотрим подробнее некоторые из них. Полярные озера бывают разных типов: от пресноводных до очень соленых, от очень кислых до щелочных, от озер с высоким содержанием кислорода до бескислородных, от постоянно покрытых льдом до открытых водоемов [ 104 ]. Количество озер на территории Антарктики по последним оценкам составляет 379 [ 105 ]. Их расположение показано на Рис. 4 .
Считается, что подледниковые антарктические озера соединены между собой подледниковыми каналами (реками), которые переносят ежегодно сотни миллионов тонн воды [ 106 ]. Подледниковые озера крайне интересны, т.к. они могут хранить в себе уникальные микробные сообщества, скрытые под километрами льда и отделенные от атмосферы в течение последних 20-25 миллионов лет [ 107 ].
Самое известное подледниковое озеро - это озеро Восток , расположенное в центральной части Восточной Антарктиды . Оно является самым крупным озером на территории Антарктиды. Толщина льда над озером составляет около 3750 м [ 108 ]. Считается, что вода озера не имела связи с атмосферой около 15 млн. лет. Таким образом, озеро Восток представляет собой уникальный природный объект, и может являться своего рода "капсулой времени" для микроорганизмов, оказавшихся в озере и адаптировавшихся к условиям обитания в нем. Богатая кислородом вода озера имеет температуру -2,65*C и находится под давлением 350 бар. [ 108 ]. В 2012 году группе российских ученых удалось пробурить почти 4 км льда и достичь воды озера (пресс-релиз от 10 марта 2012 года http://www.aari.nw.ru/main.php?lg=0). Отобрать воду из озера не удалось, однако для исследования стал доступен лед, намерзший из воды озера на буровой снаряд. Численность микроорганизмов в воде озера крайне низка и оценивается в 5-38 кл/мл [ 109 ].
Несколько удачливее в отборе проб воды подледникового озера оказались американские исследователи. Их целью стало озеро Виллианс , которое находится в Западной Антарктиде и покрыто 800 м льда [ 110 ]. Глубина озера составляет всего около двух метров. Количество бактериальных клеток в воде озера оказалось гораздо более высоким (130000 кл/мл). Анализ последовательностей гена 16S рРНК выявил представителей 3931 ОТЕ, большая часть из которых принадлежала классам Betaproteobacteria , Actinobacteria , Bacteroides , Gammaproteobacteria и Deltaproteobacteria . Более глубокий таксономический анализ показал присутствие микроорганизмов, потенциально способных окислять неорганические соединения: Sideroxydans lithotrophicus ES-1 , Thiobacillus denitrificans , Methylobacter tundripaludum , Nitrotoga arctica . Таким образом, авторам удалось показать, что в экосистеме подледникового озера существует огромное разнообразие микроорганизмов.
В отличие от подледниковых озер в Центральной части Антарктиды, толщина льда прибрежных озер не превышает нескольких метров, в редких случаях лед на поверхности озера и вовсе отсутствует. Исследования микробного разнообразия в озерах Антарктики выявили многочисленные (100000-1000000 кл/мл) и разнообразные популяции бактерий, архей, эукариот и вирусов [ 74 ].
Интересная экосистема формируется в воде Глубокого Озера (Deep Lake), находящегося на территории Восточной Антарктиды недалеко от Австралийской станции Дэйвис. Это озеро ни разу не замерзало за весь период наблюдений, даже когда температура воздуха опускалась до -40*C, а температура воды - до -20*C [ 111 ]. Дело в том, что вода в озере представляет собой насыщенный соленый раствор (соленость в 10 раз выше, чем в морской воде). Первые микроорганизмы из Глубокого Озера были выделены еще в 80-х годах - галофильная водоросль Dunaliella [ 112 ] и галофильная архея Halorubrum lacusprofundi [ 113 ]. Позже, были выделены еще три чистые культуры архей - архея Halohasta litchfieldiae strain tADL , архея Halohasta litchfieldiae strain DL31 и архея Halohasta litchfieldiae strain DL1 [ 114 ]. Mолекулярно-генетический анализ показал, что большинство микроорганизмов, населяющих озеро, относятся к семейству архей Halobacteriales (преимущественно Halorubrum , Haloarcula , Haloferax , Natronobacterium ). Остальные микроорганизмы относятся к бактериям ( Marinobacter ) и эукариотам ( Dunaliella ) [ 115 ]. Самое удивительное, что в Глубоком Озере происходит очень интенсивный горизонтальный перенос генов не только между видами, но и между разными родами архей [ 111 ]. Авторы предположили, что подобная "гомогенизация" популяции способствует сохранению важных для выживания генов и предохраняет их от накопления вредных мутаций. Недавнее метапротеомное исследование Глубокого Озера впервые показало присутствие белков литических фагов в биомассе микроорганизмов гиперсоленых озер [ 116 ]. Среди белков бактерий были найдены белки S-слоя и адгезины, обладавшие высокой вариативностью (от 27% до 77% сходства). Авторы предположили, что столь высокая вариативность белков поверхностных структур клетки возникает вследствие активной борьбы микроорганизмов с адсорбцией вирусных частиц на поверхность клеток. Также в протеоме Глубокого Озера были обнаружены белки иммунных систем прокариот: CRISPR-Cas система и BREX система (недавно открытая система иммунитета прокариот по отношению к вирусам, которая обнаружена в 10% геномов секвенированных бактерий и архей [ 117 ]).
Озера в Антарктике поражают не только своим разнообразием, но и красотой. Одно из самых живописных мест на территории Антарктики - так называемые " водопады крови " (Blood Falls) в Сухой Долине . Потоки соленой воды, обогащенной железом (что и придает потоку красный оттенок), вытекают из-под ледника Тейлора из холодного соленого озера и окрашивают снег и лед в кирпично-красный цвет. Самыми многочисленными микроорганизмами в воде этого озера были представители классов Betaproteobacteria , Deltaproteobacteria , и Gammaproteobacteria , а также Bacteroidetes . 46% идентифицированных ДНК последовательностей принадлежит Thiomicrospira arctica , психрофильной морской автотрофной бактерии, способной к окислению серы [ 118 ].
Таким образом, в подледниковых озерах Антарктики можно обнаружить огромное разнообразие микроорганизмов. Однако еще более многочисленные и разнообразные микроорганизмы населяют полярные почвы.
