Подледниковые антарктические озера в настоящее время рассматриваются в качестве уникальных Земных аналогов ледовых условий, существующих, например, на полюсах Марса или луне Юпитера - Европе, и поэтому возможность таких сред содержать микробную жизнь привлекает особое внимание. До настоящего времени методами дистанционного зондирования в Антарктиде уже выявлено около 145 водных подледниковых образований.

Именно изучение подледниковых антарктических озер является одной из пяти приоритетных программ Международного Полярного Года (март 2007 – март 2009) (МПГ) - широкомасштабной международной программы полярных исследований. Проведение МПГ приурочено к 125-летию первого Международного полярного года (1882-1883 гг.), 75-летию второго МПГ (1932-1933 гг.) и к 50-летию третьего (1957-1958 гг.), получившего название Международного геофизического года (МГГ).

Из подледниковых антарктических озер наиболее известным и изученным является крупнейшее озеро Восток, расположенное под российской станцией Восток. Еще до открытия озера здесь было начато глубокое бурение для изучения палеоклимата на основе информации, содержащейся в древнем полярном льду: химия льда, газовый и изотопный состав и содержание микрочастиц пыли. После открытия озера особый научный интерес вызвали биологические исследования. По оценкам специалистов озеро изолировано от поверхностной биоты на протяжении минимум 15 млн. лет, и поэтому поиск микробной жизни в озере, ее эволюция (адаптация) в необычных экстремальных условиях привлекают пристальное внимание ученых и общественности. В числе прочих условий отметим полное отсутствие света, высокое давление, низкую температуру (около точки замерзания), крайне низкое содержание органических веществ и вероятный сверх избыток растворенного кислорода.

В течение 1990-1998 годов проект «Восток» был трехсторонним при участии ученых США, Франции и России. С 2005г. глубокое бурение на станции Восток является национальным проектом России, однако, многие исследования, в том числе и биологические, идут в тесном сотрудничестве с французскими коллегами.

Образцы озерного льда двух типов

Сейчас глубина скважины достигла 3658.5 м. Это значит, что в руках исследователей находится три с половиной километра льда в виде цилиндра (керна) диаметром около 10см. Большую часть этого льда представляет лед атмосферный, т.е. лед, образовавшийся из выпавшего снега в Центральной Антарктиде за последние 1-2 млн. лет. Изучая этот лед, ученые могут проследить изменения климата в глубоком прошлом. Однако в случае льда керна Восток прочитать климатический сигнал удалось лишь за последние 420 тысяч лет (4 цикла оледенения-потепления Земли), и тогда, в 1999г., это было огромным успехом. В прошлом году международным сообществом при изучении льда другого глубокого керна (EPICA) были получены новые данные, позволившие восстановить почти 8 циклов оледенения-потепления Земли (до 780 тысяч лет), однако керн Восток был первым и вошел во все учебники. Нужно ли говорить, что в связи с радикальными колебаниями климата в настоящее время анализ климатических циклов в прошлом нашей планеты имеет неоценимое значение для будущих прогнозов глобального уровня.

Однако, возвращаясь ко льду керна Восток, ученые обнаружили, что с глубины 3539м. лед оказался отличным как по газовому и изотопному составу, так и структуре от верхнего атмосферного льда. Было показано, что это есть так называемый озерный (аккреационный) лед, представляющий собой воду озера, намерзшую на подошву ледника. Сейчас, когда еще нет доступа к незамерзшей воде, этот лед представляет единственный материал, позволяющий изучать озеро Восток и искать там следы жизни. До открытой воды озера остается слой льда около 100 метров, и в ближайшие годы мы можем стать свидетелями проникновения в этот самый таинственный водоем на нашей планете.

Озерный лед в связи с его происхождением и составом делят на два типа. Первый (верхний) тип льда содержит видимые включения минеральных осадков размером до 1.5см и по расчетам гляциологов образуется в прибрежной черте озера. Второй тип льда (начиная с отметки 3609м и глубже) образуется над глубокой частью озера (глубина до нескольких сотен метров) и является абсолютно чистым. Кроме того, этот лед состоит из удивительно больших по размеру кристаллов – 20-50см, а иногда и до 1м. Гигантский размер кристаллов объясняют условиями формирования и «эволюции» этого льда – замерзание сверхчистой воды при очень низкой скорости (менее 10 мм в год) под высоким давлением (около 400 атм.).

Наша группа была привлечена к исследованиям озера Восток в 1999 г, и основной нашей задачей было оценить, есть ли во льду озера, погребенном под 4-километровым ледовым панцирем микробы и, если есть, то какие. Конечной целью исследования было обнаружение и характеристика микробной жизни в экстремальных подледниковых условиях. 

Несмотря на то, что присутствие микробных клеток во льду озера Восток было уже заявлено американцами в 1999 г. (они, как и французы получили по 1/3 озерного льда в рамках трехстороннего сотрудничества), необходимо учитывать большую вероятность загрязнения образцов чужеродными бактериями и относиться к этим выводам осторожно. Отметим, что лед бурился не для биологии, и поэтому большую и до конца не решенную проблему представляет его правильная деконтаминация, включая полное удаление следов жидкости для бурения, которая состоит из смеси керосина и фреона, и сама по себе представляет среду, пригодную для существования микроорганизмов. Деконтаминация, т.е. удаление всех привнесенных извне организмов или их ДНК, является одной из критических стадий, от которой зависит конечный результат.

Основными методами нашего исследования являются методы молекулярной филогенетики, в частности, ДНК-анализ генов малой субъединицы рибосомной РНК бактерий и архебактерий с соблюдением правил работы с «древней» ДНК, где также велика вероятность загрязнения чужеродной ДНК. На практике это выглядит как судебная микробиология, когда по отпечатку ДНК идентифицируют вид микроба. Согласно данным химического анализа и анализа льда на содержание пыли известно, что антарктический лед (особенно до появления там человека) очень чистый, и его обработка и последующие анализы требуют соблюдения определенных условий. К таким условиям относится необыкновенная чистота всего, с чем соприкасается лед при его обработке. Так, процедуры обработки и анализа проводят в специальных строго изолированных несколькими шлюзами чистых комнатах, снабженных особой системой фильтрации воздуха, чтобы максимально снизить попадание частиц пыли (размером 0.5 микрона и более). Современное аналитическое химическое оборудование очень чувствительно, прибор «различает» во что вы одеты - в чистую специальную (часто разовую) одежду или в то, в чем сидите в офисе или ходите по улице. Не меньшее значение имеет и вода, которой обмывают лед. Цикл очистки воды, пригодной для работы со льдом, состоит из нескольких этапов. В итоге получают такую ультрачистую воду, по сравнению с которой дважды дистиллированная вода выглядит как слабоминерализованная. Понятно, что на создание и поддержание таких систем требуется много времени, специальных усилий и больших затрат. Поэтому мы искренне благодарны нашим французским коллегам, которые предоставляют нам возможность работать в таких чистых условиях (лаборатория гляциологии и геофизики окружающей среды Французской Академии Наук в Гренобле).

Лабораторные условия, необходимые для проведения надежного молекулярного биологического анализа льда на биологическое содержание

Что же мы нашли в озерном льду по настоящее время? Во льду, который пока еще далек от воды и по расстоянию (около 100 м) и по возрасту (минимум 15 тыс. лет). Говоря в целом, мы не смогли подтвердить ни то количество микроорганизмов, ни те виды, которые заявили американцы в двух своих публикациях 1999 г. По нашим данным лед Центральной Антарктиды (как озерный, так и атмосферный) настолько чист, что практически не содержит микробных клеток. Особенно чист озерный лед второго типа. Большинство найденных нами по ДНК микроорганизмов (и виды, идентифицированные американцами) относятся к контаминантам, т.е. посторонней микрофлоре, которая случайно попадает в образцы при их отборе, обработке или анализе.

Нужно еще раз отметить, что сверхчистые образцы требуют сверхчистых условий для анализа. Так, мы работаем с ДНК, а все расходные материалы и изделия из пластика – пробирки, носики для пипеток и пр. и реактивы для молекулярной биологии обычно не проверяются и не сертифицируются на присутствие посторонней ДНК. Лишь недавно некоторые компании стали проверять свои изделия на присутствие чужеродной человеческой ДНК, что особо актуально для судебной медицины. В то же время бактерии окружают нас повсюду, живут с нами и в нас, так что создать условия и работать так, чтобы полностью исключить постороннюю микрофлору или ее ДНК, практически  невозможно. Путем поиска мы отобрали самые чистые и надежные реактивы, выбрали производителей наиболее чистого пластика, который, тем не менее, мы сами дополнительно обрабатываем – удаляем микробы и разрушаем ДНК высокими дозами γ-радиации (благо, что институт ядерной физики!). Были разработаны специальные протоколы обработки льда в холодной камере для полного удаления пленки керосина/фреона, особые протоколы обработки льда в чистой комнате непосредственно перед плавлением, протоколы концентрирования водных растворов и выделения ДНК. При соблюдении всех требований чистой работы мы получаем концентрации клеток во льду в тысячи раз меньше, чем было заявлено ранее или мы сами получали до начала чистой работы. Это и подтверждает всю важность тщательной деконтаминации образцов льда и чистой работы с ним. 

Таким образом, в результате проведенных нами исследований было выявлено лишь несколько видов бактерий, которые все были вскрыты только в образцах озерного льда типа 1 (с минеральными включениями). Наиболее глубокие и древнейшие слои атмосферного льда (возрастом до 2 млн. лет), располагающиеся прямо над озером, не дали никакого достоверного сигнала. Это означает, что глубокий и древний атмосферный лед служит своеобразным барьером между экосистемой озера и поверхностной биотой на протяжении, по меньшей мере, 15 млн. лет.

Среди достоверных находок в озерном льду единственный организм, не вызывающий никаких сомнений в том, что он не контаминант, оказался термофильной и хемоавтотрофной бактерией. Впервые эта бактерия нами была обнаружена в образце льда с глубины 3607 м, но в последующем была подтверждена в другом образце этого же льда (3561 м). Интересно, что данные горизонты разделены между собой слоем льда толщиной 47 м и возрастом около 5 тысяч лет.

Конечно же, эти термофильные бактерии не могут обитать в самой воде озера (температура -2^оС - -3^оС). Было предположено, что они могут жить в относительно теплых (40^оС - 60^оС) анаэробных осадочных породах, богатых диоксидом углерода и водородом в глубоких (на глубине 2-3 км) разломах - на дне или окрестностях озера, и выбрасываться в мелководный залив озера (где образуется озерный лед 1-го типа) в результате сейсмотектонической активности, периодически происходящей в районе озера Восток. Существует несколько геологических и геофизических подтверждений такого сценария. Хочется отметить, что находка термофильных бактерий в озерном льду дала импульс для пересмотра целого ряда геологических и геофизических параметров озера Восток, что сделало его наиболее полно изученным из всех подледниковых озер Антарктиды и, тем самым, наиболее желанной мишенью для проникновения. Вопрос о жизни в озере Восток остается до сих пор открытым.

Результаты ДНК анализа озерного льда были подтверждены прямыми методами флуоресцентной и лазерной конфокальной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и проточной флуорометрии.

На основании уже полученных результатов можно сделать предположение, что озеро Восток может быть единственной в своем роде сверхчистой (если лед адекватно представляет воду) гигантской водной системой на нашей планете Земля и, тем самым, служить уникальным полигоном для отработки методов поиска жизни на ледовых планетах и лунах. Если там существуют подледниковые водоемы, то они должны быть близки озеру Восток по нескольким свойствам: спрятаны глубоко подо льдом под высоким давлением, подвержены низким (но пригодным для жизни – до -20^oC) температурам, длительно изолированы от поверхности, вероятно содержащие обедненные органикой среды и представляющие очень низкую биомассу.

Дальнейшие поиски существования жизни в озере Восток предполагают исследование новых образцов озерного льда, более молодого и находящегося намного ближе к открытой воде озера. Далее, при проникновении в озеро – изучение различных горизонтов водного столба и, в заключение, – изучение осадочных пород озера, которые в отличие ото льда и воды, наиболее вероятно, содержат микробную жизнь.

С.А. Булат и И.А. Алехина

Отдел Молекулярной и Радиационной Биофизики,

ПИЯФ РАН