Атлас	Главная страница	Содержание	Справочный раздел	Об издании	Автограф времени
	ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ КАМЧАТКИ
	Изучение термофильного микромира вулканической Камчатки Г.А. Карпов
Литература	Изучение термофильного микромира
	Жизнь в экстремальных условиях - при высоких температурах в гидротермах, практически в сернокислотных растворах или в среде сероводородного заражения, при достаточно высоких концентрациях токсичных ионов металлов - мышьяка, ртути, сурьмы, иногда при высоком уровне радиоактивных эманаций (радон) еще сравнительно недавно считалась невозможной. Но в последние десятилетия XX века трудами многочисленных как зарубежных, так и отечественных ученых-микробиологов был сделан мощный прорыв и в этой области знаний. Объектами исследований были термофильные и гипертермофильные микроорганизмы – экстремофилы вулканогенных гидротермальных систем, обнаруженные на термальных полях современных гидротермальных систем. И вулканическая Камчатка, с мощной базой академической науки здесь, в эти годы стала своеобразной Меккой для микробиологов многих стран, изучающих мир экстремофилов. Сюда были организованы десятки международных экспедиций из Германии, Франции, Дании, Великобритании, Бельгии, Финляндии, Италии, Новой Зеландии, США и других стран. Здесь были проведены 4 международных конференций по микробиологии термофильных микроорганизмов, организатором и научным руководителем которых бессменно был крупный ученый, тогда директор Института биохимической физики имени Н.М. Эмануэля, ныне член-корреспондент РАН Сергей Дмитриевич Варфоломеев, прекрасно и высокопрофессионально описавший эти работы (Варфоломеев, 2013). Исследования отечественных ученых на Камчатке были финансово обеспечены грантами благодаря академическим программам «Молекулярная и клеточная биология», «Происхождение и эволюция биосферы», «Биоразнообразие», «Приоритетные направления науки и техники (раздел « Живые организмы»). Инициатором многих этих исследований был академик РАН Георгий Александрович Заварзин (Заварзин, 1972; 1984; Заварзин, Карпов, 1983), одним из первых обративших внимание не только на широкое развитие термофильных микроорганизмов и в прошлые геологические эпохи, и в настоящее время, но и доказавший практическую неизменность геномики синезеленых водорослей за все время их существования на Земле (Заварзин, 1989; 2000). Большой вклад в развитие этой области науки внесли работы сотрудников Института микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН (ИНМИ, Москва), в первую очередь ныне член-корреспондент РАН Е.А. Бонч-Осмоловская, М.Л. Мирошниченко, Н.А. Черных, Т.Г. Соколова и многие другие, с которыми мы имели удовольствие работать в совместных экспедициях в кальдере Узон и в Долине гейзеров (Бонч-Осмоловская др., 1999) (рис. 1). Рис. 1. Термальные поля кальдеры вулкана Узон (фото из архива Г.А. Карпова) Уникальность кальдеры Узон заключается в необычайно-широком разнообразии физико-химических обстановок на её термальных полях и, соответственно, в богатстве мира термофильных прокариот её термальных источников (Заварзин, Карпов, 1983; Карпов, 1988; Бонч-Осмоловская и др., 1989). Именно здесь были открыты и описаны некоторые эндемичные штаммы термофильных бактерий. прекрасно растущих при температурах 80-96°С, такие как гипертермофильные археи, обладающие способностью к гидролизу различных биополимеров – пептидов (Thermoproteus uzoniensis, с оптимумом роста 88°С), крахмала (Desulfurococcus amylolyticus, с оптимумом роста 92°С, стимулятором роста которой является элементная сера, т. к в её присутствии вместо ингибирующего рост водорода образуется сероводород), целлюлозы и агарозы (Desulfurocjccus fermentans), трудногидролизуемых белков (Proteinoruptor kamchatkensis). Последний организм представляет новый род и вид в нём (Bonch-Osmolovskaya et al., 1991; Miroshnichenko et al., 1998). В горячих источниках кальдеры Узон открыты представители нового рода термоацидофильных бактерий Acidilobus Prokofeva et al., 2000, который был отнесен к царству Crenarchaeoata. Организмы этого рода анаэробно растут при рН 3,0-5,0. Родственные организмы обнаружены лишь в гидротермах Японии. Их нет, например, в гидротермах кальдеры Йеллоустоун. Наиболее многочисленны в кальдере Узон представители термофильных цианобактерий и фототрофных бактерий рода Chloroflexus, причем они отличаются здесь крайне высокой скоростью продукции органического вещества. Кроме того, анаэробное разложение цианобактериальных матов, образованных этими бактериями, может завершаться различными путями: сульфат-, серо- , железоредукцией, или метаногенезом (Варфоломеев, 2013). В кальдере Узон удалось выделить уникальную группу умеренно-термофильных серуредуцирующих бактерий, описанную как род Desulfurella. Три вида бактерий, открытых и описанных сотрудниками Института микробиологии РАН (Москва) – Desulfurella acetivorans, D. propionica и D. kamchatkensis растут литоавтотрофно с водородом и могут быть первичными продуцентами органического вещества в гидротермах. Наиболее высокая численность этих цианобактерий была обнаружена в источнике «грифон Заварзина», имеющем высокое содержание сульфида и серы. Особый интерес представляет выделенный из цианобактериальных матов метаноген - Methanosaeta thermophila, который играет важную роль в анаэробном цикле углерода, завершая минерализацию органического вещества в отсутствие акцепторов электронов. Практически этот умеренно-термофильный микроорганизм может использоваться в очистных сооружениях. Не менее результативна на открытия новых термофильных организмов, обитающих к тому же непосредственно в массе гейзерита, оказалась и камчатская Долина Гейзеров (рис. 2). Рис. 2. Центральный участок Долины Гейзеров (извергается гейзер Великан) (фото из архива Г.А. Карпова) Гейзеритообразование и развитие термофильных микроорганизмов (преимущественно цианобактерий) происходит в субщелочной и щелочной средах (рН 7,5 -9,5), при температуре 40 -70° С и при содержании в растворе кремнекислоты до 1 г/л. Среди бактерий наиболее распространены нитчатые формы – Phjrmidium laminosum, Ph. ambiguum, Lyngbya aestuarii, а также Mastigocladus laminosum с интенсивно ветвящимися трихомами (Карпов и др., 2016). Таким образом, было доказано, что нитчатые цианобактерии могут не только процветать в массе формирующегося гейзерита, но и хорошо сохраняться в виде фоссилизированных трихомов (рис. 3). Рис. 3. Фоссилизированные колонии термофильных микроорганизмов в гейзерите Долины Гейзеров В гидротермах кальдеры Узон и Долины Гейзеров выделены впервые также умеренные термофилы, анаэробные литоавтотрофы рода Carboxydocella, восстанавливающие водород из воды по реакции: CO +H2O =CO2 +H2. Помимо огромного научного интереса, вызванного открытиями новых термофильных микроорганизмов в гидротермах Камчатки, они уже нашли применение в различных областях биотехнологии, а цианобактерии с высокой продуктивностью имеют реальные шансы использования в интенсивно разрабатываемых в настоящее время технологиях получения биотоплива (Варфоломеев, 2013, с.117-125). Безусловно, дальнейшие биохимические исследования, направленные также на понимание природы термофилии микроорганизмов, будут тесным образом связаны с углублением понимания условий происхождения жизни на Земле. И камчатские вулканогенные термы могут играть роль природных полигонов для таких исследований. В этой связи перед современным обществом стоит одна из важнейших задач – сохранение первозданности таких уникальных гидротермальных систем как кальдера Узон и Долина Гейзеров.