Мерзлотоведение

Сотрудники лаборатории криологии почв Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (г. Пущино) вот уже более 35 лет занимаются изучением криобиосферы — малоизученной части биосферы с отрицательно-температурными экосистемами и предельно низкими скоростями биохимических реакций и биологических процессов. В мерзлотных почвах и мерзлых породах создаются условия, обеспечивающие длительную сохранность клеточных структур. Это способствует сохранению биологических систем в течение геологического времени несравнимо дольше, чем в других местообитаниях.

Первым руководителем лаборатории, О.В. Макеевым, разрабатывалось обоснование криогенеза как фактора почвообразования, а также проявления признаков палеокриогенеза в современных немерзлотных почвах. В конце 1980-х лабораторию возглавил Д.А. Гиличинский. Будучи пионером в изучении микроорганизмов в многолетнемерзлых породах, он сформировал новую концепцию лаборатории, что вывело проводимые ей исследования на высокий международный уровень. На современном этапе, весь коллектив лаборатории и ее руководитель Е.М. Ривкина продолжают изучать биоту, сохранившую жизнеспособность в вечной мерзлоте, используя новые современные методы и подходы.

Гигантская по площади и мощности криосфера Земли — природный банк жизнеспособных палеосистем с огромной и изолированной от воздействия внешних факторов массой живой материи, содержащей генетическое разнообразие былых эпох, до антропогенного воздействия на природу. После оттаивания древняя биота восстанавливает физиологическую активность и заново вовлекается в биогеохимические процессы.

Сейчас можно характеризовать мерзлотные почвы и многолетнемерзлые породы как среду сохранения генетических ресурсов и определить биоразнообразие и стратегию выживания биологических объектов в отрицательно-температурных экосистемах. Это позволит приблизиться к решению фундаментальной проблемы — оценке длительности сохранения жизни, не решаемой экспериментальным или расчетным путем: невозможно моделировать столь продолжительное биологическое время.

Криобиосфера, хранилище древних биологических сообществ, позволяет наблюдать результат их криоконсервации в течение геологического времени. Жизнеспособные экосистемы криолитосферы — самостоятельный раздел бактериальной палеонтологии, там проводятся палеореконструкции на основе сохранившейся в мерзлых толщах ДНК и разрабатываются геобиологические часы, фиксирующие длительность пребывания жизнеспособных организмов вне активного биогеохимического круговорота. И наконец, криобиосфера Земли — модель космической среды обитания на планетах криогенного типа, а ее микробные обитатели — возможные аналоги жизни на Марсе.

В последние годы выявлены жизнеспособные биологические объекты в мерзлых породах, аналогичных тем, что слагают стенки Батагайской котловины. В мерзлых толщах Арктики, в кернах скважин всех полярных областей Земли с постоянными отрицательными температурами пород от -2 до -28°С многочисленны и разнообразны сообщества жизнеспособных палеомикроорганизмов: грамм-положительные и грамм-отрицательные, споровые и неспоровые, анаэробные и аэробные бактерии, грибы, дрожжи, цианобактерии, зеленые водоросли и простейшие. Многие из них представлены новыми видами, а наиболее древние датируются приблизительно 3 млн лет. При оттаивании вечной мерзлоты микроорганизмы полностью восстанавливают свою физиологическую активность.

В многолетнемерзлых породах морского происхождения, от Баренцева моря до мыса Барроу на Аляске на глубинах до 50 м впервые изучены изолированные от внешних факторов древние голоцен-плейстоценовые (до 100 тыс. лет) экосистемы высокоминерализованных (до 300 г/л) переохлажденных (до -9°С) водных линз, или криопэгов. Населяющее их микробное сообщество включает новые виды аэробных и анаэробных бактерий и мицелиальных грибов, метаболически активных в водной среде при отрицательных температурах и высокой солености. Сохранение жизнеспособных организмов в такой среде имеет астробиологическое значение: криопэги — единственно возможный вид существования свободной воды в мерзлых толщах Марса, а ранее не известное микробное сообщество — вероятный прототип ее возможных обитателей.

В лаборатории собрана единственная в мире коллекция семян из позднеплейстоценовых (около 40 тыс. лет) ископаемых нор сусликов. Из калусной ткани некоторых семян удается прорастить полноценные растения, способные к цветению и размножению после 32 тыс. лет нахождения в мерзлоте, что служит примером восстановления генетических ресурсов прошлых эпох. Хорошая сохранность семян позволяет идентифицировать вид растения и детально реконструировать палеоландшафты. Можно предположить, что, вытаивая из мерзлоты, они наряду с другими палеобиологическими объектами участвуют в поддержании современного биоразнообразия.

Алексей Лупачев, старший научный сотрудник лаборатории криологии почв, Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН