Основные пути перемещения пыли между континентами Летом пыль из Сахары (1) летит в сторону Карибских островов и США, зимой — в направлении Южной Америки и круглый год загрязняет воздух над Европой и югом России. (2) Пыль из австралийских пустынь (3) поднимается в атмосферу, накрывая Новую Зеландию и достигая середины Тихого океа на. С марта по май «азиатский пылевой мост» (4) несет выбросы китайских и японских предприятий через Тихий океан. Иногда этот смог пересекает США и делает полный оборот вокруг Земли
Аэробиология — наука о жизни в атмосфере . Главный аэробиолог NASA Дэвид Смит рассказывает, насколько высоко поднимаются в воздух микроорганизмы и каких гостей из России ловят в Америке
Почему вы решили заняться изучением жизни в атмосфере?
Это последняя неизученная экосистема на планете. В XXI веке осталось совсем мало неизученных сред. Кроме того, в мире было лишь несколько ученых, которые занимались этим вопросом, так что там есть еще огромное поле для работы.
Как вы начали изучать жизнь в верхних слоях атмосферы?
В 2008 году мы использовали для этого самый высотный самолет NASA, он летает так высоко, что пилот вынужден облачаться в космический скафандр. Раньше это был разведывательный самолет U-2. Вы, наверное, знаете, что когда наши страны не «очень» дружили, эти самолеты летали над СССР и Кубой, снимая ракетные установки. Они летали так высоко, что никто не мог обнаружить их при помощи радара.
Не то чтобы совсем никто не мог... Как эти самолеты оказались у вас?
После холодной войны самолеты остались у военных, и они не знали, что с ними делать. Теперь самолеты получили название ER-2, они используются для науки, и это здорово! Ловушка для пыли закреплена на конце крыла, поэтому она не подвергается воздействию со стороны фюзеляжа и ловит пыль непосредственно из набегающего потока воздуха. В 2008 году на этом самолете мы собирали образцы пыли на высоте 20 километров над Тихим океаном. Затем выращивали микроорганизмы, собранные вместе с пылью.
Почему именно над Тихим океаном?
Мы хотели избежать влияния земной поверхности и не загрязнять образцы местной пылью. Над Тихим океаном ее летает не так много, как над континентом. И кроме того, было интересно изучить воздух, который приходит к нам через океан из Азии. Весной там преобладают ветры, которые дуют из Азии в Северную Америку. Пролетая сквозь этот поток, мы узнали, откуда конкретно к нам приходит воздух. Давно известно, что гарь от лесных пожаров, в том числе российских, и выбросы от сжигания угля в Китае пересекают Тихий океан. Но никто раньше не пытался изучить микроорганизмы, путешествующие с этими загрязнителями. Мы впервые доказали наличие живых клеток в стратосфере , выяснили, что они перелетают океан в экстремальных условиях, и это значительное достижение. Если они существуют на высоте 20 километров, почему бы им не быть выше?
Когда люди стали задумываться о присутствии микробов в воздухе?
О них знали задолго до того, как стало понятно, что эти существа, собственно, из себя представляют. Тысячи лет люди знали о летающих в воздухе дрожжах, которые мы используем при приготовлении хлеба и алкоголя. Однако настоящим вызовом стали попытки сбора образцов атмосферы, ведь концентрации в ней микробов ничтожны. Чарлз Дарвин собирал пыль с парусов корабля «Бигль» в тридцатых годах девятнадцатого века. Спустя 150 лет в тех образцах обнаружили микроорганизмы.
В 1862 году Луи Пастер открыл одноклеточных микробов , живущих в воздухе, которые быстро умирают от высокой температуры. Его нехитрые эксперименты с бульоном показали, что любая питательная среда, оставленная на открытом воздухе, постепенно заселяется колониями клеток. Это самый простой способ узнать , какие организмы обитают в воздухе, — попытаться поймать и вырастить их. Мы используем крахмальный агар или простые сахара, и если клетке эта среда нравится, она начинает питаться, расти, делиться, и вскоре мы видим миллионы и миллиарды однотипных микроорганизмов. И для этого нам необходима всего одна жизнеспособная клетка. Метод применяется до сих пор, но мы понимаем, что он выявляет лишь порядка одного процента микробов. Если в питательной среде оказались мертвые организмы, вырастить их таким образом уже не удастся. Поэтому метод позволяет увидеть лишь вершину айсберга.
Заснеженный домик на снимке слева — не тибетская святыня. Со стороны склона (снимок справа) видно, что это верхняя станция канатной дороги, на крыше которой размещено оборудование высотной обсерватории. Фото: UNIVERSITY OF WASHINGTON (X2)
Обсерватория Bachelor
Обсерватория находится на склоне вулкана Бачелор, одной из вершин Каскадных гор в центральной части штата Орегон. Наблюдения за азиатским смогом ведутся здесь с 2004 года. Насосы прогоняют воздух со скоростью 0,5 м³ в минуту через фильтры, оседающие на них микробы исследуются в лаборатории. Воздух над заснеженным склоном не загрязнен пылью с земли. Иногда ученые засекают повышенную концентрацию угарного газа и аэрозолей — результат работы ратраков на местной горнолыжной трассе. Но эти загрязнения легко заметны и кратковременны.
Какие эксперименты по поиску жизни в атмосфере проводились в XX веке?
Большинство экспериментов в начале XX века было сделано при помощи самолетов. Еще пионер авиации Чарлз Линдберг, перелетая океан, собирал образцы пыли. В них он искал жизнеспособных микробов. В конце семидесятых годов советские ученые под руководством Александра Имшенецкого провели ракетные эксперименты на больших высотах. Ракета в опытах Имшенецкого поднималась до мезосферы на 77 километров и в ходе спуска собирала образцы воздуха. По мере падения ракеты удалось собрать образцы грибов (например, Circinella muscae, Aspergillus niger, Papulaspora anomala). 77 километров по сей день остается самой большой высотой, с которой на Землю вернулись жизнеспособные организмы. Чуть позднее, в восьмидесятые годы, группа британцев запускала высотные аэростаты. Преимущество их перед ракетами заключалось в способности зависать и собирать пробы в течение долгого времени. На высотах от 20 и до 50 километров также были найдены жизнеспособные организмы.
Насколько можно доверять тем результатам?
За последние 10 лет в микробиологии свершилась настоящая революция. Сегодня у нас есть изощренные техники описания микробов и, что еще важнее, мы можем более тщательно следить за тем, чтобы не собирать микроорганизмы случайно с инструментов или нашего тела. Теперь мы знаем, как много микробов живет внутри и на поверхности нашего тела, и это совсем недавнее открытие. Не думаю, что ученые, которые начинали изучать верхние слои атмосферы, уделяли необходимое внимание возможности загрязнения. Они не только были не в состоянии обнаруживать многие виды, но и, скорее всего, сами загрязняли свои образцы. По этому прежние результаты вызывают у меня сомнения: ученые не объяснили, как сохраняли чистоту инструментов, как защищали их от сбора клеток по пути вверх и вниз.
Чем же отличается ваш опыт с самолетом?
Мы могли осуществлять строгий контроль сбора. И самое главное — пылесборники не открывались, пока самолет не набирал высоту 20 километров. По сравнению с прошлыми экспериментами, когда мы не могли быть уверены, откуда взяты образцы, это улучшенный подход. Подобно Луи Пастеру, выделить мы могли только живые организмы, помещая их в питательную среду. Мы выделили несколько микроорганизмов, которые встречаются и на поверхностях предметов, и в почве. Вероятно, мы собрали и сотни других видов микроорганизмов, но, скорее всего, все они были мертвы, кроме бацилл — ведь они образуют споры и выживают в экстремальных условиях.
Какой практический смысл в знании, кто живет в верхних и нижних слоях атмосферы?
Для формирования облаков, снежинок и капель дождя нужны ядра. Как выяснилось, такими ядрами могут служить микроорганизмы, например бактерии, размером 1–3 микрона. Поэтому важно знать, где и как перемещаются микробы, участвующие в формировании осадков. Ученые из Монтаны исследовали градинки и выяснили, что порядка 30 процентов из них образованы вокруг микроорганизмов.
А остальные 70 процентов?
Остальные — всевозможные твердые частицы: пылинки, пепел, различные выбросы, связанные с деятельностью человека. Думаю, атмосфера играет важную роль в эволюции и экологии микроорганизмов. Высокий уровень ультрафиолетового излучения может вызывать мутации и даже образование новых видов!
Слева: Бывшие самолеты-разведчики U-2 теперь охотятся за микробами
Справа: Специальные пыле сборники на конце крыла открываются на определенной высоте, заданной условиями эксперимента
Фото: TONY LANDIS/DFRC/NASA, DAVID J. SMITH
Микроорганизмы могут передвигаться сами по себе?
Конечно! К примеру, так перемещаются споры грибов. Их репродуктивная стратегия — использование ветра для распыления спор без участия пыли.
В каких условиях пребывают микроорганизмы в верхних слоях атмосферы?
Живым организмам необходима вода. Верхние слои атмосферы, безусловно, чрезвычайно сухое место. Кроме того, там особенно велико ионизирующее излучение. Большая часть озонового слоя находится между 18 и 40 километрами и предохраняет все живое на Земле от ультрафиолетового излучения. Еще один экстремальный фактор — это низкие температуры. На 20 километрах, у нижней границы стратосферы, где летел наш самолет, температура опускалась до –100 °С. И последний фактор — очень низкое давление. Большинство земных организмов испытывают давление в одну атмосферу. Известно, что живые клетки, помещенные в камеру, из которой откачали воздух, прекращают расти.
Какие внутренние механизмы помогают микробам выживать в этих условиях?
Многие микробы, оказавшись в таких условиях, образуют споры, теряя воду и объем. Клетка становится крепостью, в которой клеточная мембрана предохраняет такие важные части, как ДНК.
Почему жизнью в атмосфере заинтересовались в NASA?
Это расширяет наши представления о том, где в Солнечной системе и Вселенной может существовать жизнь. Интересно наблюдать, как жизнь противостоит суровым условиям, поскольку, взглянув на Солнечную систему, мы видим, что условия на большинстве планет довольно жесткие. Поэтому если мы можем найти формы жизни, обитающие в экстремальных режимах на Земле, мы можем говорить о том, какие виды могут, в принципе, обитать на других планетах. И отправившись к другим мирам, например на Марс, мы будем знать, какие формы жизни нам стоит там искать и каким способом.
Как вы охотитесь за микробами сейчас?
Недостаток ракет и самолетов — ограниченное время для эксперимента. Собирать пробы постоянно мы можем только в горной обсерватории. Эта обсерватория Bachelor находится на высоте 2700 метров выше уровня моря на вершине потухшего вулкана в горах штата Орегон. Мощные насосы позволяют собирать пробы воздуха непрерывно. Мы выбрали эту обсерваторию для поиска микроорганизмов, так как на такой высоте приборы не подвержены загрязнению с поверхности Земли.
Вы освоили и новый метод сбора?
Теперь, собирая огромные объемы воздуха, мы стали получать достаточно клеток, чтобы использовать более тонкие методы. Один из них — ПЦР (метод полимеразной цепной реакции) — состоит в получении большого количества клеток, из которых выделяются молекулы ДНК, а ДНК копируется в лаборатории. Кроме того, мы используем и другие методы, например так называемые ДНК-микрочипы, и изучаем последовательности этих ДНК. Прелесть метода в том, что мы можем получить ДНК мертвых организмов. Именно так мы впервые смогли обнаружить более 2000 видов микроорганизмов в образцах!
Микробы летают в атмосфере «верхом» на частицах пыли (на фото слева) и с трудом различимы даже под микроскопом При попадании на фильтр бактерии отделяются от пылинок и становятся хорошо заметны (на фото справа)
Фото: DAVID J. SMITH (X2)
Среди них были неизвестные?
Нет, все это уже известные науке виды. ДНКмикрочипы сделаны на основе уже известных последовательностей, поэтому наш метод не позволяет обнаружить неизвестные виды. Из 60 000 видов, на основе которых выполнены микрочипы, мы смогли обнаружить более 2000. Это говорит о том, как много мы пропускали ранее.
А ранее в атмосфере находили неизвестные виды?
Индийские ученые запускали аэростат на высоту 50 километров. Они считали, что обнаружили новый вид микробов, залетевших из космоса. Но это бессмыслица, нелепость. Ведь эти виды используют те же молекулы, что и земные организмы. Самое простое объяснение состоит в том, что эти популяции существуют в наземных или водных экосистемах , но пока не обнаружены. В наших работах и работах Имшенецкого (1978) и Лысенко (1980) всегда прослеживалась строгая генетическая связь между организмами, собранными в воздухе, и теми, что живут на поверхности земли и воды.
Есть ли среди найденных микробов болезнетворные или вызывающие аллергию?
Большинство из них не являются патогенными, они безвредны. А некоторые даже весьма полезны. Я не думаю, что стоит беспокоиться о возможности перемещения патогенных микробов в атмосфере, так как большинство их погибает. Однако мы собрали некоторые грибки, которые ассоциированы с заболеваниями сельскохозяйственных культур. Перенос болезней по воздуху вполне реален. Науке известны случаи, когда вирусы разносились на большие расстояния, например через пролив Ла-Манш. Вирусы по численности превосходят бактерии, они более подвержены ионизирующему излучению, но могут находиться внутри бактерий и переноситься ими. В дальнейшем будет очень интересно искать их в наших образцах воздуха.
Как микробы попадают в атмосферу?
Поскольку большинство клеток прикрепляется к пылинкам, то главный фактор — пылевые бури. Это может происходить во время ураганов, гроз, муссонов. Еще один интересный факт, который мы выявили, — обилие морских микроорганизмов, которые попадают в атмосферу при всплеске волн.
Как вы определяете родину микробов?
Основные источники — пустыни (например, Гоби, Такла-Макан), океаны, а также лесные пожары. Еще один источник , который мы обнаружили — городские станции очистки сточных вод. Происхождение частиц мы определяем, используя методы геохимии. К примеру, уголь, сжигаемый в Азии, привносит характерные следы в частички гари. Такие пылинки имеют конечное время существования в атмосфере, и, измеряя их концентрацию в Северной Америке, мы можем узнать, как давно они были выброшены. Из Китая, например, пепел доходит до США за неделю. Некоторые виды пыли заносятся исключительно из пустынь или с вулканов, из лесных экосистем или городов.
Кстати, в нашем исследовании мы обнаружили бактерии, которые встречаются только у берегов Японии. Они живут в районах выхода гидротермальных вод на дне океана. Оказавшись на поверхности, эти бактерии уносятся ветрами и достигают Северной Америки. Изучая ДНК микробов, биологи выстраивают последовательность всех нуклеотидов и, сравнивая их с базой данных, узнают тип среды и даже место на планете, где они обитают. Если разные методы приводят нас к одним и тем же выводам, это здорово!
А к вам прилетают постоянные «гости» из России?
Да. К примеру, Amphibacillus tropicus ранее находили только в России. Вообще, мы ловим довольно много пепла от сибирских лесных пожаров. И с ним прилетает много ваших микробов.
Как далеко и долго могут путешествовать микробы?
Они перемещаются на огромные расстояния, примером самых дальних перелетов может служить перенос через Тихий океан. Клетки в нижних слоях атмосферы быстро возвращаются на землю благодаря осадкам и под действием силы тяжести. Но если микроорганизмы заносятся ветром в верхние слои, вернуться уже сложно, и они могут неделями, месяцами и даже годами летать вокруг света. Я думаю, мы близки к тому, чтобы назвать атмосферу экосистемой.
Каким будет следующий этап в этих исследованиях?
Мы не можем судить о жизни в атмосфере, имея только одну обсерваторию в США. Для нас очень важно, чтобы ученые по всему миру начали заниматься сборами воздуха, и мы могли бы сравнивать наши результаты. На основе наших методик можно разработать единый стандарт — одинаковые насосы и фильтры для сбора клеток. Ставшие универсальными ПЦР и ДНК-микрочипы уже считаются стандартными инструментами. Нужны такие же станции в Европе, России, Азии, Южной Америке, Австралии. Нам нужна всемирная сеть.
