Кто живет в озере Восток

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.