С. Наличие этих спор этих бактерий может служить доказательством теории, говорящей, что примерно 100 млн. лет назад (именно этим возрастом датируются споры термофилов), расположение материков позволяло тёплым океаническим течениям, приходящим с экватора, доходить намного севернее, чем в наше время, обеспечивая на планете более равномерный и мягкий климат.
В целом же, данные о микрофлоре Арктики, как и данные о полярных регионах в целом, в силу суровости местного климата имею недостаточную изученность и высокую степень разрозненности.
Попробуем обобщить данные об арктической микрофлоре, которые мы имеем на сегодняшний день.
ОБЩАЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
АРКТИЧЕСКОГО РЕГИОНА
Арктика - единый физико-географический район Земли, примыкающий к Северному полюсу и включающий окраины материков Евразии и Северной Америки, почти весь Северный Ледовитый океан с островами (кроме прибрежных островов Норвегии), а также прилегающие части Атлантического и Тихого океанов. Южная граница Арктики совпадает с южной границей зоны тундры. Площадь около 27 млн. кв. км; иногда Арктику ограничивают с юга Северным полярным кругом (66° 33′ с. ш.), в этом случае её площадь составит 21 млн. кв. км.
По особенностям рельефа в Арктике выделяют: шельф с островами материкового происхождения и прилегающими окраинами материков и Арктический бассейн. Область шельфа занята окраинными морями - Баренцевым, Карским, Лаптевых, Восточно-Сибирским и Чукотским.
Рельеф суши российской Арктики преимущественно равнинный; местами, особенно на островах, гористый. Центральная часть - Арктический бассейн, область глубоководных котловин (до 5527 м) и подводных хребтов.
Особенности природы: низкий радиационный баланс, близкие к 0°C средние температуры воздуха летних месяцев при отрицательной среднегодовой температуре, существование ледников и многолетнемерзлых пород, преобладание тундровой растительности и арктических пустынь.
Ледовитость морских акваторий около 11 млн. кв. км зимой и около 8 млн. кв. км летом.
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПСИХРОФИЛЬНЫХ
МИКРООРГАНИЗМОВ АРКТИКИ
Это криофильные микроорганизмы, способны хорошо расти при 0°С и более низких температуpax (до -10°С). Оптимальная температура роста у облигатных психрофилов 10-15°С и ниже, у факультативных - 25-30°С.
Верхний температурный предел у облигатных психрофилов не превышает 20°С, у факультативных - 30°С, т. е. их температурные диапазоны перекрываются с таковыми у мезофильных микроорганизмов.
Для всех психрофильных микроорганизмов характерны слабая чувствительность метаболических процессов к холоду, в т. ч. низкие температурные оптимумы действия ферментов, особенности липидного обмена (увеличение относительного содержания ненасыщенных жирных кислот) и др.
Известны почти среди всех групп микроорганизмов (кроме актиномицетов). Облигатные психрофилы живут в относительно стабильных температурных условиях, факультативные могут существовать и в средах с резкими перепадами температур. Психрофильные микроорганизмы широко распространены в природе. Часто встречаются в водах Арктики и Антарктики, в пещерах, на поверхности снега и ледников в горах.
Некоторые виды микроскопич. водорослей (чаще Chlamydomonas nivalis) образуют оранжевые или красные пигменты, окрашивая снег в красный цвет (т. н. красный снег).
В водах Арктики на сегодняшний день обнаружены только облигатные психрофилы, поэтому факультативных психрофилов в этом обзоре мы рассматривать не будем.
ЖИЗНЕСПОСОБНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ В ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ
АРКТИКИ
К сожалению, в литературных источниках отсутствуют данные, повествующие об истории открытия облигатных психрофилов Арктической зоны, поэтому сразу перейдём к современным исследованиям этой проблемы.
Исследования последних лет показали возможность длительного сохранения жизнеспособных прокариотных и эукариотных микроорганизмов в условиях постоянных отрицательных температур многолетнемерзлых толщ, возраст которых составляет от нескольких тысяч до 2-3 млн. лет. Из многолетнемерзлых отложений выделены аэробные и анаэробные бактерии, зеленые и сине-зеленые микроводоросли, дрожжи и мицелиальные грибы.
Обнаружены споры мхов и семена высших растений, способные к прорастанию после длительной криоконсервации.
В ходе комплексных работ по изучению сообществ палеоорганизмов вечной мерзлоты выделены жизнеспособные цисты свободноживущих простейших, находившиеся в состоянии криптобиоза в течение десятков и сотен тысяч лет.
Простейшие являются полифилетической группой протистов (Protista Haeckel, 1866) и включают гетеротрофные свободноживущие и паразитические, преимущественно одноклеточные организмы.
Свободноживущие простейшие распространены в природе чрезвычайно широко и заселяют практически все возможные для жизни среды обитания. В почвенных биоценозах всех географических зон они являются обязательным компонентом, по разнообразию и численности уступая только бактериям.
Простейшие способны существовать в большом диапазоне температур, адаптируясь к экстремально высоким и низким значениям. Эти эукариотные организмы широко распространены в различных биотопах полярных районов - в составе планктона и бентоса холодных морских и пресных вод, во льдах и талых водах, в наземных экосистемах Антарктиды и высоких широт Арктики.
В ответ на действие низких температур, а также сопутствующего высушивания и изменения химизма среды, протисты используют различные стратегии выживания. Один из путей - переход в состояние физиологического покоя, сопровождающийся образованием особых морфологических структур - цист покоя, которые защищены от неблагоприятных воздействий многослойной водо- и газонепроницаемой оболочкой.
При этом выживание обеспечивается посредством почти полного прекращения метаболической активности, в связи с чем стратегию этого типа нередко называют криптобиозом. В состоянии криптобиоза протисты способны переносить влияние отрицательных температур в диапазоне от -60°С в природе и до -269 °С в условиях эксперимента.
Описаны случаи сохранения жизнеспособности цистами простейших после нескольких десятков лет консервации в замороженном или высушенном состоянии: во льдах Гренландии и Балтийского моря, в сухих почвенных образцах. Из гренландского льда выделены цисты инфузории Colpoda steinii и амебы Vahlkampfia sp., сохранившие способность к эксцистированию после нескольких столетий криоконсервации.
В 30-х гг. прошлого века об обнаружении жизнеспособных цист амеб и инфузорий в мерзлых толщах Забайкалья сообщал П.Н. Каптерев, проводивший исследования на Сковородинской мерзлотной станции. Однако эти находки были приурочены к подошве слоя сезонного оттаивания.
Сведений о находках жизнеспособных цист простейших в мерзлых отложениях нет.
Кроме того, изучение радиолярий в осадках внутренней (не прибрежной) Арктики показало их специфический, эндемичный характер, отразивший относительную устойчивость местной популяции, изолированной от проникновения морской биоты из соседних Атлантического и Тихого океанов.
С другой стороны, комплексы микроорганизмов арктических морей у побережья России, в частности, моря Лаптевых, несут на себе признаки динамичного взаимодействия водных масс различного происхождения: пресноводного стока р. Лены, солоноватых и более соленых шельфовых вод, морских арктических и североатлантических вод.
ЧИСЛЕННОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ В МЁРЗЛЫХ ТОЛЩАХ
АРКТИКИ В СРАВНЕНИИ С АНТАРКТИЧЕСКИМИ
арктика психрофил палеоорганизм микрофлора
Общее число аэробных микроорганизмов в мерзлых толщах, установленное прямым счетом составляет 108 - 109 клеток на 1 г грунта. Это относится и к антарктическим отложениям, со следовым количеством Сорг., накапливавшимся в условиях полярной пустыни, без растительности, и к арктическим осадкам, богатым органикой, растительными и животными остатками, формировавшимися в режиме тундры. Это означает, что необходимым и достаточным фактором постоянного присутствия микроорганизмов в природе является наличие лишь минеральных частиц и воды.
Табл. 1. Общее число аэробных микроорганизмов в мерзлых породах (108 кл/г)
АнтарктидаАрктикаГлубина, мОбщая численностьГлубина, мОбщая численностьэоловые и ледниковые осадкиатласные и морские осадки4.50.47.00.66.81.418.02.28.20.620.71.39.41.1осадки едомной и олерской свит10.10.12.21.512.20.054.41.413.01.07.23.214.70.113.50.415.32.518.80.516.30.834.80.2
Число культивируемых аэробов клеток в осадочных породах Арктики варьирует от 103 до 107 в 1 г грунта (0.01 - 1.3% от их общего числа в мерзлых породах), а в Антарктиде падает до 102 - 103 кл/г (0.001 - 0.1%). Число культивируемых аэробных бактерий определяется длительностью их пребывания в мерзлоте. С увеличением возраста мерзлых пород (а не осадков), число клеток сокращается. Максимум аэробных микроорганизмов связан с голоценовыми осадками, а переход к более древним породам маркируется падением численности микробного населения. Долгое пребывание в мерзлом окружении является биодиагенетическим фактором, сокращающим число аэробов. Сравнение численности культивируемых из мерзлоты клеток, с таковыми за пределами криолитозоны говорит, что отрицательные температуры являются не экстремальным, а стабилизирующим фактором, обеспечивающим сохранение биологических систем.
Табл. 2. Численность жизнеспособной микрофлоры в мерзлых породах
Колымская низменностьКанадская АрктикаАнтарктидаосадкиглубинакл/гскважинаглубинакл/гскважинаглубинакл/гсупеси и суглинки олерской свиты3.4 м1.7x106Taglu107.2 м1.6x105956/3ледниковые пески13.9 м3.9x10312.8 м5.4x106326.4 м1.3x10516.3 м1.0x10314.1 м2.2x107Unipkat9.5 м1.6х105956/41.6 м5.9x10416.5 м1.4x10715.0 м8.8х104956/82.8 м3.4x10332.4 м1.6x10624.2 м1.4х1031/991.0 м5.2x102морские супеси7.0 м2.2x10541.2 м1.5х10314.5 м6.2х104
Глубина залегания пород не влияет на жизнеспособные микробные сообщества в криолитосфере. Сегрегационный лед, цементируя дисперсные осадки, формирует из них прочный каркас, что сводит на нет воздействие геостатического давления на клетки.
Сохранность клеточных структур, на 90% состоящих из воды, определяется равновесным состоянием клеточной и пленочной воды внутри и вне клетки, нарушение которого ведет к ее гибели. Поэтому, пленки незамерзшей воды (Wнз) играют решающую роль в сохранении микроорганизмов. Обволакивая органоминеральные частицы, они защищают сорбированные на поверхности частиц жизнеспособные клетки от растущих кристаллов сегрегационного льда.
Численность клеток в суглинках на 2-3 порядка выше, а микробные спектры разнообразнее, чем в песках.
Не установлено прямой связи между численностью микроорганизмов с содержанием органического вещества в мерзлых толщах. Микроорганизмы из вечной мерзлоты Арктики, в отличие от морских арктических микроорганизмов, не являются психрофилами.
Основное микробное население здесь обладает свойствами: Topt>15оC, Tmax> 20оC, Tmin < 0оC, с оптимумом роста 4 - 20оС в антарктических и 10 - 20оС в арктических осадках.
В присутствии криопротектора рост клеток происходит и при минусовых температурах. При -5оС колонии появлялись через 6 - 8 месяцев, а при -8оС лаг-период занимает 1 год. Таким образом, отрицательные температуры не являются запрещающим фактором для сохранения жизнеспособности палеокультур и их метаболической активности при наличии доступного питательного субстрата.
При криоконсервации микроорганизмов в геологическом масштабе времени при температурах пород (t) = (-3) - (-4)оС на Аляске, (-5) - (-6)оC в дельте р. Макензи и (-9) - (-12)оС на Колыме, число жизнеспособных клеток не зависит от температуры мерзлых толщ. Вблизи южной границы мерзлоты в Западной Сибири с (t) =(-1) - (-2)оС и в Антарктиде при (t) = (-18) - (-25)оС, численность жизнеспособных микроорганизмов падает на несколько порядков.
Режим переохлажденных и пластичномерзлых пород Западной Сибири не обеспечивает длительной криоконсервации биологических систем, а в Антарктиде падение числа жизнеспособных клеток объясняется переходом большей части микробного комплекса в некультивируемое состояние из-за крайне низких температур вмещающих пород.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АРКТИЧЕСКОЙ МИКРОФЛОРЫ
Из полученного путём бурения мерзлого ненарушенного керна диаметром 50-100 мм отбирают центральную часть с соблюдением условий асептики. Работу с керном проводят в полевом боксе, керн зачищают стерильным скальпелем, поверхность обрабатывают 95%-м этиловым спиртом и помещают в стерильные алюминиевые бюксы или пакеты.
В поле пробы хранят в скважине-морозильнике при температуре их естественного залегания -8…-10 °С. В конце полевого сезона образцы в термостатах с криосмесью в мерзлом состоянии доставляют в лабораторию.
Образцы погребенных почв и материал нор ископаемых грызунов отбирают из свежих мерзлых стенок обнажений. Стенки зачищают до слоя, не затронутого оттаиванием, затем в мерзлой породе вырубают нишу глубиной 30-40 см, из которой отбирают образцы, обрабатывают их 95%-м этиловым спиртом, помещают в стерильный пакет и хранят в мерзлом состоянии. В лаборатории образцы хранятся в морозильных камерах при температуре -20 °С.
Для выделения жизнеспособных простейших из многолетнемерзлых отложений используют метод накопительного культивирования. Мерзлые образцы (1-2 г) помещают в стерильные чашки Петри со средой Прескотта и Джеймса (Cerophyl-Prescott infusion): CaCl2 х 2H2O - 0,433 г, KCl - 0,162 г, K2HPO4 -0,512 г, MgSO4 х 7H2O - 0,28 г и культивируют при температуре 5 и 20 °С в течение 4 месяцев.
Для предохранения от высыхания и заражения чашки оборачивают парафилмом. Наблюдения в накопительных культурах проводят в закрытых чашках Петри с использованием инвертированного микроскопа, а также на стеклах обрастания - стерильных покровных стеклах, помещенных в накопительную культуру.
При обнаружении простейших образец высевают повторно. Все манипуляции с образцами грунта и высев проб в чашки Петри осуществляют в микробиологическом боксе c соблюдением условий стерильности.
Из накопительной культуры получают клональные и монокультуры простейших. Дальнейшее культивирование проводят на агаризованных и жидких средах Прескотта и Джеймса с добавлением различных пищевых объектов - бактерий Escherichia coli, Klebsiella aerogenes и Pseudomonas fluorescens, церофила, зерен риса.
Морфологическое исследование выделенных простейших выполняют в культурах и на тотальных препаратах.
Для видовой идентификации инфузорий используют методы окраски ядерного аппарата по Фельгену, выявления инфрацилиатуры импрегнацией нитратом серебра по Шаттону-Львову и протеинатом серебра по Фойснеру.
Для определения амебоидных организмов на родовом и видовом уровнях проводят их ультраструктурные исследования, а также окраску цист протеинатом серебра и гематоксилином. Особенности тонкого строения покоящихся стадий простейших изучают с применением трансмиссионного электронного микроскопа, используя ультратонкие срезы, полученные на ультратоме.
Постоянные и временные препараты исследуют с применением светового микроскопа.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На сегодняшний день исследования полярных и приполярных областей земного шара ведутся очень интенсивно и имеют огромное научное, экономико-политическое и иногда - даже военное значение.
Однако, несмотря на огромную перспективность и актуальность этих исследований, изученность полярных регионов остаётся достаточно низкой в связи с суровыми условиями климата и рельефа местности.
Стоит также отметить, что на сегодняшний день техническая оснащённость российских исследовательских полярных экспедиций далека от идеала и сильно отстаёт от оснащённости европейских и американских коллег, что, безусловно, негативно сказывается на эффективности исследований.
Тем временем, исследования полярных зон имеют большое стратегическое и медицинское значение.
Доказательством этому служит разрабатываемая на сегодняшний день система вакцинаций, связанных с внедрением части генотипа арктических психрофильных непатогенных бактерий в генотип патогенных штаммов микроорганизмов.
Исходя из вышесказанного, можно с уверенностью говорить о том, что интенсивность изучения и освоения полярных регионов будет нарастать ещё не один десяток лет.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.Воробьева Е.А. Сине-зеленые и зеленые водоросли из вечномерзлых осадочных пород Арктики // Криосфера Земли, 1997, т. I, №2, с. 71-76.
2.Гиличинский Д.А., Хлебникова Г.М., Звягинцев Д.Г. и др. Микробиологические характеристики при изучении осадочных пород криолитозоны // Изв. АН СССР. Сер. геол., 1989, №6, с. 103-115.
.Суслова М.Ю., Парфенова В.В., Павлова О.Н., Косторнова Т.Я., Федотов А.П., Ходжер Т.В. Разнообразие культивируемого микробного сообщества в шельфе Карского моря, заливе Гыданская Губа и бассейне реки Енисей // Лимнологический институт СО РАН, Иркутск.
.Шатилович А.В., Шмакова Л.А.,. Губин С.В, Гиличинский Д.А. Жизнеспособные простейшие в вечной мерзлоте Арктики // Криосфера Земли, 2010, т. XIV, №2, с. 69-78
.#"justify">.#"justify">.#"justify">.http://www.issp.serpukhov.su/mbp_ru/chisl/chisl.html