МИКРОБНЫЕ СООБЩЕСТВА
В ГЕОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
(по результатам работы семинара-экспедиции в Забайкалье)
А.Б. Птицын, доктор геолого-минералогических наук,
директор Института природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН
В середине августа 2003 г. на научной базе «Денисова пещера» Института археологии и этнографии СО РАН состоялся междисциплинарный семинар по проблемам происхождения и эволюции жизни на Земле. Наш семинар-экспедиция 2008 г., по сути, является его продолжением. Экспедиционная форма проведения семинара была призвана обеспечить возможность непрерывной дискуссии и одновременно знакомства с интересными объектами — солеными озерами Забайкалья. Эта идея была активно поддержана академиком Г. А. Заварзиным и директором Института микробиологии им. С. Н. Виноградского РАН чл.-корр. РАН В. Ф. Гальченко. В течение 10 дней участники семинара ознакомились с тремя водными объектами Забайкалья и сделали 19 докладов по следующим разделам: прокариотная биосфера, геохимические и микробиологические факторы формирования минеральных озер, микроорганизмы в геохимических процессах, микробные сообщества экстремальных условий. В семинаре-экспедиции приняли участие специалисты из Института микробиологии РАН, Института общей и экспериментальной биологии СО РАН (Улан-Удэ), Лимнологического института СО РАН (Иркутск), Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН (Пермь), университета Южной Богемии (Чехия), Института природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН (Чита).
 |
|
Имеющиеся данные свидетельствуют о значительно большей роли микроорганизмов в формировании прокариотной биосферы, в частности в продуцировании кислорода, чем это прежде признавалось многими биологами и геохимиками. Важно, что оксигенные фототрофы — цианобактерии могли функционировать не только в океане, но и в водоемах суши. На ранних этапах существования планеты Земля происходило интенсивное перераспределение химических элементов. По современным представлениям, Осипов наиболее распространенным элементом в Земле является кислород (32,44 масс. %). Однако древние атмосфера и океан, по общему мнению, были восстановительными. Окисление атмосферы происходило как неорганическим, так и биологическим путем. Логично предположить, что зарождающаяся биосфера характеризовалась экстремальными (по сравнению с современными) условиями. Соответственно, микроорганизмы, формировавшие прокариотную биосферу, должны были быть из разряда экстремофилов.
В настоящее время древние микроорганизмы сохранились в крайне ограниченном числе местообитаний, это: подводные и наземные гидротермы; гиперсоленые водоемы, преимущественно морского происхождения; щелочные озера, преимущественно высоко-минерализованные; зоны, загрязненные тяжелыми металлами и радиацией. К таким объектам относится и уникальное содовое озеро Доронинское (Забайкалье), исследование которого было одной из задач семинара-экспедиции.
Биосфера является сложной саморазвивающейся системой, включающей все формы жизни и все компоненты среды обитания. Эволюция биосферы определяется законами саморазвития термодинамически открытых систем и непрерывным взаимодействием компонентов ее органической и неорганической частей. (Отсюда с очевидностью следует актуальность регулярных геохимико-биологических совещаний.) При рассмотрении эволюции биосферы важно для каждого ее этапа выявить потенциалоопределяющие процессы. В одних случаях это будут преимущественно физико-химические процессы, в других — преимущественно биологические. Для исследования сложных биокосных систем наиболее эффективным является сочетание термодинамического подхода и системного анализа.
Микроорганизмы вносят солидный вклад в геохимические процессы. Можно выделить некоторые категории: преобразователи геохимических систем (процессы окисления-восстановления, минералообразования и разрушения минералов, разделения изотопов, круговороты вещества и энергии и т.д.); индикаторы физико-химической обстановки в геосистемах; очистители окружающей среды (деструкторы загрязнителей).
Первая категория исследована значительно лучше, чем две другие. Так, например, на заре биосферы сформировался микробный окислительно-восстановительный цикл. Его появление, по мнению специалистов, обусловлено необходимостью сочленения процессов окисления и восстановления. При участии бактерий образуются многие минералы: карбонаты, фосфаты, сульфаты, сульфиды, оксиды, силикаты, причем по мере накопления знаний их список постоянно растет.
Бактериальное разложение (деструкция) минералов имеет не только геохимическое, но и практическое значение, так как используется при биогеотехнологической добыче металлов. Разделение стабильных изотопов в различных процессах обусловлено наличием энергетических потенциалов (гравитационного, теплового, термодинамического и других). Надо полагать, что и микробы в поисках энергетической выгоды обогащаются тем или иным изотопом. Таким образом, микроорганизмы участвуют как в процессах концентрирования, так и в процессах рассеивания химических элементов. Кроме того, микроорганизмы участвуют в круговоротах энергии, потребляя одни ее виды и выделяя другие. И все эти процессы должным образом отрегулированы термодинамикой.
Вследствие достаточно узких пределов толерантности конкретных штаммов микроорганизмов они могут быть использованы в качестве индикаторов условий биогеохимических процессов: температуры, кислотности-щелочности (ацидофильные и алкофильные микроорганизмы), окислительно-восстановительного потенциала (аэробы, строгие анаэробы), минерализации растворов (галофилы) и т.д. В настоящее время известны микробные сообщества, функционирующие при температурах от -20 до +120 градусов С. По последним данным верхним пределом существования микробов является температура +140 градусов С. Таким образом, гидротермы, в которых возможно существование микроорганизмов, по геологическим меркам довольно низкотемпературны. В перспективе в качестве индикаторов возможно использование пока еще плохо изученных бактерий, развивающихся при повышенном давлении (барофилы), пониженной активности воды (осмофилы), высоких концентрациях тяжелых металлов (металлофилы), повышенном уровне УФ-излучения (УФ-радиофилы).
Что касается области отрицательных (по Цельсию) температур, то здесь и в микробиологическом, и в геохимическом плане много неисследованного. Так, например, известна публикация японских исследователей в «Nature», в которой экспериментально доказывается, что скорость окисления некоторых соединений азота при отрицательных температурах в 105 раз больше, чем при комнатной!!! Однако объяснения этому факту пока нет. Криогидрогеохимические процессы принципиально отличаются от геохимических процессов «вода-порода» при положительных температурах, однако роль микроорганизмов в этих процессах практически не ясна. Кроме влияния на кинетику, микробные процессы могут иметь и тепловые эффекты (экзо- и эндотермические). Нижний температурный предел возможности существования микроорганизмов пока не определен. Бактериальное выщелачивание горных пород и руд в природных системах является одной из причин мобилизации и миграции химических элементов, масштабы которой еще предстоит оценить.
Важным элементом дисперсных геохимических систем являются водные пленки, адсорбированные на минеральных поверхностях. Их толщина может достигать 20-22 нм. Учитывая, что размеры микроорганизмов существенно больше, водные пленки должны быть микробиологически стерильны. Однако взаимодействие водных пленок и биопленок необходимо изучать, поскольку как те, так и другие обладают специфическими свойствами и могут играть важную роль в гетерогенных биогеохимических системах.
Подводя итоги, следует констатировать, что междисциплинарные совещания, совмещенные с комплексным изучением конкретных объектов, оказались весьма продуктивной формой сотрудничества и рекомендуются для проведения на регулярной основе.
стр. 11
|
