Выжившие в мерзлоте

Выжившие в мерзлоте

Круглые черви провели в криоанабиозе 46 тыс. лет — и снова начали размножаться

В образцах почв, отобранных в вечномерзлых отложениях на севере Якутии, на берегу реки Колыма, ученые обнаружили жизнеспособных нематод возрастом 46 тыс. лет. Плейстоценовые нематоды успешно были выведены из состояния криптобиоза (анабиоза) и смогли развиваться и размножаться в лабораторных условиях. На сегодняшний день это самый длительный зарегистрированный криптобиоз многоклеточных животных в природе.

Почвенная нематода была найдена на Колыме и поэтому получила название Panagrolaimus kolymaensis

Фото: архив сотрудника ИФХиБПП РАН А.Лупачева

На протяжении ряда лет сотрудники лаборатории криологии почв Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (ИФХиБПП РАН) в Пущино изучали древних нематод и их потомков совместно с коллегами из МГУ им. М. В. Ломоносова и международным коллективом исследователей из Германии, Великобритании и Ирландии, а затем опубликовали статью, в которой описали найденный вид и попытались разобраться в механизмах выживания организмов в вечной мерзлоте.

Сон длиной в 46 тыс. лет

Нематоды (от греческого слова «нима», что означает «нить») — микроскопические многоклеточные организмы, относящиеся к типу круглых червей. Данная почвенная нематода оказалась представителем нового вида, и ей дали название по месту находки на Колыме — Panagrolaimus kolymaensis. Возраст нематод ученые определили с высокой точностью с помощью радиоуглеродного анализа органических остатков — веток кустарников, которые находились в норе арктических сусликов, на глубине 40 м от поверхности, вместе с героями сенсации — древними нематодами. Исследователи выяснили, что почвенная нематода находилась в состоянии криптобиоза последние 46 тыс. лет в сибирской вечной мерзлоте. Стоит упомянуть, что в 2021 году вышла публикация той же лаборатории с описанием коловратки — также микроскопического многоклеточного животного, пережившего криптобиоз длительностью 24 тыс. лет.

Выживание в экстремальных условиях в течение длительного периода времени — задача, на которую способны немногие организмы. Здесь стоит отметить, что послужившие материалом для исследования два экземпляра жизнеспособных нематод были обнаружены в одной из более чем 350 исследованных проб разновозрастной арктической мерзлоты. Означает ли это, что у этих двух экземпляров оказались удачные условия для криоконсервации или они все же сумели лучше остальных приспособиться к экстремальной среде? И если да, то как им это удалось?

«Главная цель нашей дальнейшей работы,— изучить механизмы, позволяющие многоклеточному организму переживать столь длительный криптобиоз в мерзлоте,— поясняет главный автор этого исследования Анастасия Шатилович.— Для ответов на такие вопросы нужны молекулярные, геномные, биохимические исследования, которые требуют значительных затрат и соответствующей приборной базы, поэтому часть работы была выполнена совместно с зарубежными коллегами».

Нематоды под микроскопом

Фото: А. Шатилович

Тайная жизнь

Стратегии выживания организмов в неблагоприятных или экстремальных условиях, к которым относят и низкие температуры, известны как анабиоз, или криптобиоз, сопровождающийся замедлением метаболизма до минимального уровня. Криптобиоз — в переводе с древнегреческого «тайная жизнь». Это, например, приостановка жизнедеятельности экстермофильных бактерий и вирусов под воздействием неблагоприятных условий окружающей среды. Однако криптобиоз наблюдается не только у бактерий, но и у более сложных одноклеточных и многоклеточных организмов. Причем чем сложнее организм, тем реже можно видеть примеры сохранения жизнеспособности после длительного пребывания в условиях вечной мерзлоты.

Успешный выход из криптобиоза продолжительностью в тысячи лет чаще наблюдается у простейших (амебы, инфузории, жгутиконосцы) и впервые был обнаружен у многоклеточных животных — нематод, коловраток, а также у семян растений. Исследования зарубежных коллег показали, что некоторые насекомые в виде личинок могут выживать в таком «замершем» состоянии десятки и сотни лет. Например, личинки комаров-звонцов. Тело личинки «высыхает» и становится невосприимчивым к экстремальным условиям окружающей среды. Что же касается более сложных животных организмов, то там счет идет на небольшие сроки — чаще всего в состоянии криптобиоза животные переживают зиму.

Наиболее впечатляющие примеры долгосрочного криптобиоза — это, безусловно, пыльца и спорообразующие бактерии. Так, например, из известных мировой науке случаев спора бактерии рода Bacillus, выделенная из брюшка пчелы, была «законсервирована» в янтаре на десятки миллионов лет. А семя лотоса возрастом 1000–1500 лет, найденное в древнем озере, впоследствии смогло прорасти. Ученые ИФХиБПП РАН собирают свой материал в вечномерзлых отложениях северо-востока Сибири на глубине от 5 до 40 м. Эти экспедиции за последние тридцать лет привели к обнаружению бактерий, которые сохранились в мерзлоте возрастом до 1 млн лет, многие из которых оказались новыми, неизвестными науке видами. Кроме того, из мерзлоты были выделены простейшие, водоросли, грибы. Обнаружение многоклеточных микроорганизмов в сибирской вечной мерзлоте — это новый успех в деятельности лаборатории криологии почв ИФХиБПП РАН.

До недавнего времени самый длительный криптобиоз у нематод был зафиксирован у антарктического вида, представители которого провели 25 лет в гербарных образцах мха при температуре –20°C.

Рекордные 46 тыс. лет можно считать большой удачей, хотя и не полной неожиданностью.

От семени до растения — 30 тыс. лет

С коловратками, которые находились в состоянии криптобиоза около 24 тыс. лет, ученые провели эксперимент, заморозив современных и древних особей, и выяснили, что древние более морозоустойчивы. Они способны пережить относительно медленный (45–50 мин.) процесс замораживания, при котором образуются губительные для клеток кристаллы льда. Иначе говоря, они обладают эффективными биохимическими механизмами защиты органов и клеток, необходимыми для выживания при низких температурах. Десятью годами раньше группа исследователей под руководством Давида Гиличинского обнаружила жизнеспособные клетки плода растения позднеплейстоценового периода, из которых с использованием культуры ткани in vitro и микроклонального размножения ученым из Института биофизики клетки РАН Пущинского научного центра Российской академии наук удалось получить целое растение.

Семена смолевки, пролежавшие 32 тыс. лет, были обнаружены на северо-востоке Сибири в погребенных норах древних грызунов. Эти норы по истечении десятков тысяч лет оказались захоронены на глубине 38 м в ненарушенной и ни разу не оттаявшей вечной мерзлоте позднего плейстоцена. Растения S. stenophylla (смолевка) довели до цветения, они плодоносят и дают жизнеспособные семена. Позднеплейстоценовый ледовый комплекс богат древней биотой не только в Восточной Сибири, но и на Аляске и Юконе. Это указывает на то, что вся Берингия, по сути, является ледяным хранилищем древней жизни.

«Конечно, смолевка существует и сейчас, причем за 30 тыс. лет она не особо изменилась,— пояснил доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник ИФХиБПП РАН Станислав Губин.— Это ведь дело случая. В другой раз попадутся семена уже вымершего вида, и вырастить из него растение будет интереснее. С такими находками никогда не угадаешь. Не исключено, что в следующий раз мы найдем и оживим организм возрастом полмиллиона лет».

Сотрудники лаборатории берут пробы почвы

Фото: архив сотрудника ИФХиБПП РАН А.Лупачева

Сахар вместо воды

Возможность использования вечной мерзлоты в качестве источника биоматериала для «оживления» многоклеточных животных была обнаружена еще в начале ХХ века. Жизнеспособное ракообразное Cladocera сохранилось в вечной мерзлоте в течение нескольких тысяч лет. Это обнаружил Павел Николаевич Каптерев, работавший на научной станции Сковородино, которая была организована в 1927 году, то есть практически 100 лет назад. Изучая кусочек оттаявшего грунта, ученый заметил, что болотная дафния, пролежавшая в нем много тысяч лет, вышла из состояния анабиоза и ожила.

Однако коллеги Каптерева не верили таким открытиям. Ведь в почве есть и современные простейшие и многоклеточные — те же нематоды, амебы, коловратки и прочие организмы. Понадобились десятилетия, чтобы доказать, что образцы были взяты именно из мерзлоты и относятся к плейстоцену, а не занесены во время раскопок в полевых условиях. Для этого была разработана специальная методика извлечения многометровой вертикальной колонки керна, из которой в стерильных лабораторных условиях «нарезались» образцы с указанием точной глубины расположения.

Современные технические средства дали возможность не только отобрать пробы без нареканий со стороны скептиков, но и секвенировать ДНК и провести геномные исследования найденных организмов, а также выяснить, почему они оказались такими выносливыми и долгоживущими. Оказывается, один из главных факторов — это накопление в клетках этих организмов специального вещества — трегалозы, двухкомпонентного сахара, который используют насекомые в своих коконах для личинок, а также его применяют для выживания в экстремальных условиях разнообразные бактерии и грибы. Кроме того, трегалоза служит источником энергии и предохраняет от высыхания, замещая собой воду.

Вода — это главная опасность при длительном пребывании в условиях минусовых температур, поскольку она сначала кристаллизуется и разрывает клетки, а потом испаряется, оставляя от организма вялую безжизненную оболочку. Этот процесс хорошо знаком домохозяйкам, которые знают, как выглядит клубника после полного размораживания. Если бы она обладала «интеллектом» нематоды или коловратки, она превратила бы свой сок в сахарный сироп.

Низкие температуры — не единственный фактор, с которым нужно справиться для успешного выхода живого организма из криптобиоза. Окружающие их минералы являются источником естественного ионизирующего излучения. Кумулятивные дозы радиации, которую получают организмы, находящиеся десятки и сотни тысяч лет в мерзлоте, не фатальны, однако достаточно высоки, чтобы разрушить клеточную ДНК и привести к гибели палеобиоты. Способы и механизмы репарации ДНК древними организмами ученым еще предстоит выяснить.

Земля — криогенная планета

«Вечная мерзлота, включая постоянно замерзающие отложения Арктики, представляет собой уникальную подповерхностную сложную среду, в которой микроорганизмы сохраняют жизнеспособность в течение длительного периода времени, от тысяч до миллионов лет,— рассказывает кандидат геолого-минералогических наук, профессор Елизавета Ривкина, которая работала вместе с Давидом Гиличинским и была свидетелем и участником создания лаборатории криологии почв в ИФХиБПП РАН в Пущино.— Площадь территорий вечной мерзлоты составляет 20% суши всей нашей планеты и 70% из них находятся в России. Так что можно сказать, что Земля — отчасти криогенная планета. В Арктике температура вечномерзлого слоя намного выше, чем в Антарктике, и равна всего –10–12°С. Слой ежегодного сезонного оттаивания составляет до двух метров, а слой постоянной мерзлоты и неизменных годовых температур начинается с глубины 15–25 м. Туда и стремятся заглянуть специалисты по криобиологии почв».

В 1990-е годы север Якутии был, по выражению Давида Гиличинского, «полюсом экономической недоступности», тем не менее экспедиции регулярно снаряжались и достигали практически необитаемых мест. Кроме колымских берегов криобиологи сумели посетить вулканы Камчатки и Антарктиды, чтобы изучить надснежные слои пепла, отложившиеся после извержений, и исследовать выживаемость термофильных микроорганизмов в вечномерзлых вулканических отложениях. Последовательности гипертермофильных бактерий были обнаружены в библиотеках клонов из свежего вулканического пепла, отложившегося на снегу.

Елизавета Ривкина пояснила, что вечная мерзлота Земли может послужить моделью при изучении микроорганизмов в вечной мерзлоте Марса — криогенной планеты с многочисленными вулканами. Термофилы, гипертермофилы и их метаболические процессы представляют собой подходящий ориентир для будущих исследований на Марсе. Земля на одну пятую своей поверхности относится к планетам криогенного типа, как и все другие планеты Солнечной системы, за исключением Меркурия и Венеры. Вечномерзлые вулканические отложения Земли являются перспективной моделью выживания биоты во внеземном пространстве, отметила она в своей научной публикации в журнале Astrobiology.

Давид Гиличинский (1948–2012) — организатор лаборатории криологии почв, бессменный руководитель экспедиций в зону вечной мерзлоты

Фото: архив Е.Ривкиной

Когда оживут гигантские вирусы

Среди «жителей» вечной мерзлоты есть простейшие микроорганизмы, многоклеточные, а также бактерии и гигантские вирусы, практически достигающие размеров бактерий. Самый древний гигантский вирус был размером больше микрона и напоминал по форме амфору. Он существовал 30 тыс. лет назад и был паразитом акантамебы. Ученые предполагают, что оттаивание вечной мерзлоты в связи с глобальным потеплением может представлять угрозу здоровью человека и животных, поскольку простейшие и многоклеточные животные нередко бывают носителями древних вирусов, которые в настоящее время могут быть не распространены, но они зачастую «оживают» и могут размножаться вместе с их носителями или новыми хозяевами.

Впрочем, современные вирусологи уверены, что бояться надо не древних вирусов и бактерий, а, наоборот, новых вирусов и их многочисленных штаммов, а также новых устойчивых бактерий, которые в эпоху антибиотиков и обеззараживающих веществ научились быстро мутировать и с каждым годом становятся менее чувствительными к лекарственным препаратам.

Shatilovich A. et al., 2023. A novel nematode species from the Siberian Permafrost shares adaptive mechanisms for cryptobiotic survival with C.elegans dauer larva. PLoSGenet19(7):e1010798