Что известно о жизни под антарктическим льдом и насколько надёжны находки

Буровая скважина во льду кажется прямой дорогой к скрытому озеру. Но для микробиолога это ещё и возможный путь загрязнения: клетки могут попасть в пробу с талым снегом, шлангами, оборудованием или лабораторными реагентами. Поэтому недостаточно спросить, нашли ли в образце ДНК. Нужно понять, какие организмы пришли из озера, какие могли попасть туда из буровой системы и повторяются ли результаты в независимых измерениях.

Этот принцип хорошо виден в исследованиях международных команд WISSARD и SALSA, которые изучали озёра Уилланс и Мерсер под Западно-Антарктическим ледниковым щитом. Их результаты не означают, что все подлёдные водоёмы устроены одинаково. Зато они показывают, как отличать свидетельства подлёдной жизни от следов бурения.

Почему ранние находки вызвали споры

Первые сообщения о микроорганизмах в материалах, связанных с озером Восток, появились в конце 1990-х годов. Однако часть образцов получали из аккреционного льда, скопившегося под ледником, а при механическом бурении использовали углеводородную жидкость, которая не давала скважине замёрзнуть. Она могла переносить поверхностные микроорганизмы в глубину, а затем попадать в извлечённый материал.

Это не делает исследования Востока бесполезными. Они показали, насколько трудно интерпретировать генетический материал, если путь пробы от подлёдной среды до лаборатории не защищён от загрязнения. В последующих экспедициях контроль загрязнений стал частью самого эксперимента.

Как WISSARD проверял происхождение клеток

В январе 2013 года проект WISSARD прошёл сквозь примерно 800 м льда и получил доступ к озеру Уилланс. Вместо механического бурения с углеводородной жидкостью исследователи использовали горячую воду. Воду для бурения последовательно пропускали через фильтры с порами размером 2,0 и 0,2 мкм, обрабатывали ультрафиолетом, нагревали примерно до 90 °C и подавали в скважину по длинному шлангу. Оборудование также обрабатывали перекисью водорода, этанолом и стерильной водой.

Даже тщательно подготовленная система не гарантирует, что образец чист. Поэтому исследователи брали воду из разных участков буровой системы, из скважины и из озера, а также использовали процедурные холостые пробы. Затем они сравнивали микробные сообщества по последовательностям гена 16S рРНК и молекулам рРНК. Ген 16S рРНК помогает сопоставлять бактерии и археи по эволюционному родству. Рибосомную РНК (рРНК) использовали как дополнительный, но не безупречный показатель возможной активности клеток.

«Таксоны, многочисленные в образцах буровой воды и методологических контролях, были обозначены как возможные загрязнители и не рассматривались как часть сообщества озера».
Перевод фрагмента из Achberger et al., 2016.

Важным оказался не сам факт обнаружения знакомого микроорганизма, а различия между пробами. Сообщества воды и осадков Уилланса статистически отличались от сообществ буровой и скважинной воды, а также от контрольных образцов. Большинство последовательностей, характерных для буровой воды, в пробах из озера встречались редко или отсутствовали. Несколько неоднозначных групп авторы всё же исключили из состава озёрного сообщества, поскольку не смогли уверенно установить их происхождение.

Это похоже на проверку отпечатка: недостаточно найти след, нужно выяснить, где ещё он встречается. Если последовательность часто обнаруживают в буровой воде и холостых пробах, но редко в озере или совсем там не находят, это говорит против её подлёдного происхождения. И наоборот, если состав сообщества в озёрной воде и осадке отличается от буровых проб и повторно обнаруживается в обеих средах, версия о загрязнении становится менее вероятной.

WISSARD обнаружил бактерии и археи, связанные с превращениями соединений железа, серы, азота и метана. Это согласуется с тем, что в тёмном озере источником энергии может быть хемосинтез: получение энергии из химических реакций, а не фотосинтез. Но генетическое родство с известными хемолитотрофами само по себе не доказывает, что каждая найденная клетка действительно выполняла такую реакцию.

Авторы сравнивали, в частности, содержание рРНК и ДНК. Более высокое отношение рРНК к рДНК может указывать на потенциально активные группы, но не измеряет скорость их роста напрямую. В статье подчёркивается, что связь этого показателя с активностью различается у разных видов. Поэтому корректнее говорить о группах, которые, вероятно, активны или способны к активности, а не о доказанном метаболизме каждой клетки.

Подробный разбор того, как соотносятся метод, данные и сила вывода, полезен и для чтения других научных публикаций. Например, в материале о критическом анализе научной статьи тот же принцип описан применительно к структуре исследования: сначала проверяется, действительно ли метод позволяет ответить на поставленный вопрос, а уже затем оценивается интерпретация.

Что добавило исследование озера Мерсер

В декабре 2018 года проект SALSA прошёл через 1087 м льда и получил доступ к озеру Мерсер. При этом использовали основные принципы чистого доступа: буровую воду фильтровали и интенсивно обрабатывали ультрафиолетом, за её качеством следили через пробоотборные порты, а оборудование санитарно обрабатывали.

Работа SALSA показала и другой возможный источник воздействия бурения: в озеро могли попасть не только клетки, но и частицы. В нижней части ледника обнаружили слой льда с осадком толщиной около шести метров. После выхода в озеро камеры зафиксировали помутнение воды и осадочные частицы, высвободившиеся при плавлении и расширении скважины.

Возможное осаждение частиц исследователи оценили с помощью модели. Для выбранных участков поверхностных кернов расчёт показал максимальное накопление около 0,002 м, то есть примерно 2 мм. По оценке авторов, этого должно было мало повлиять на строение слоёв и биогеохимический анализ кернов. Но модель зависела от предположений о размере частиц, направлении их переноса и скорости течения. Измеренные течения были близки к пределу чувствительности прибора, поэтому расчёт не доказывает, что бурение не повлияло на озеро в других условиях.

«Измерения и анализы образцов, которые характеризуют биологическую структуру и функционирование экосистемы озера Мерсер, будут представлены в последующих рукописях».
Перевод фрагмента из Priscu et al., 2021.

Это ограничение важно при чтении статьи SALSA. Она подробно описывает доступ к озеру, физические условия, движение воды, отбор проб и возможный перенос осадка. Однако статья не ставила целью окончательно определить полный состав и работу микробного сообщества Мерсера.

Что показали геномы отдельных клеток

В 2025 году Kim и соавторы опубликовали в Nature Communications исследование, в котором проанализировали 1374 генома отдельных бактериальных и архейных клеток из воды и осадков Мерсера. Этот метод называют одноклеточной геномикой: клетки сортируют по одной, многократно копируют их ДНК, а затем восстанавливают последовательность генома.

Геномные данные усилили аргумент в пользу того, что в Мерсере живёт самостоятельное подлёдное сообщество. Большинство геномов заметно отличалось от геномов современных морских и поверхностных организмов. Средняя нуклеотидная идентичность с ближайшими геномами в базе данных составляла около 77%. Для разграничения бактериальных видов часто используют условный порог в 95%. Это не доказывает, что все организмы эволюционировали исключительно в озере. Но результаты плохо согласуются с простой версией, будто современное сообщество Мерсера недавно занесено из моря.

Важно и то, что геномы получили из разных фракций воды и слоёв осадка, а не из одной пробы. Состав сообществ воды и осадка различался. При этом выборка не охватила всё разнообразие озера: анализ разрежения показал, что 1374 генома недостаточно, чтобы представить его таксономическое и функциональное разнообразие.

По генам исследователи предположили, что организмы могут использовать органические вещества, соединения серы, железа и азота, а также угарный газ. У некоторых клеток нашли признаки способности фиксировать углекислый газ. Но это реконструкция возможных обменных процессов по генам, а не наблюдение за ростом клеток в озере. Большинство геномов было неполным: средняя полнота составляла около 38,7%, а примерно 73% геномов относились к низкокачественным черновым сборкам с полнотой менее 50%. Авторы применяли статистические поправки, но отдельно предупреждали о смещениях, связанных с сортировкой клеток, копированием ДНК и неполнотой геномов.

Связь с океаном: вода связана, организмы не обязательно

Уилланс входит в активную подлёдную гидрологическую сеть. Озеро периодически наполняется и дренируется; вода проходит по подлёдным каналам примерно 100 км до зоны заземления, а затем поступает в морскую полость под шельфом Росса. Для Мерсера тоже описан путь дренажа к морю, а уровень воды в озере меняется в циклах наполнения и опорожнения.

Эти данные убедительно свидетельствуют о гидрологической связи: вода, растворённые вещества и частицы могут перемещаться между подлёдными бассейнами и в сторону океана. В осадках Уилланса нашли признаки прежнего морского влияния; в Мерсере также обнаружили свидетельства прошлых морских вторжений. Но это сведения об истории и физической среде озёр, а не доказательство происхождения всех живущих там сейчас организмов.

Геномное исследование Мерсера показало, что изученные популяции преимущественно родственны организмам из наземных водных систем, льда и других пресноводных сред. Несмотря на близость к морю и древнюю морскую связь, сходства с современными морскими геномами, доступными для сравнения, не обнаружили. Поэтому важно разделять два утверждения:

• Подлёдные озёра Западной Антарктиды гидрологически связаны между собой и с морской полостью.
• Масштабный обмен живыми клетками между озёрами и их заметный вклад в морские пищевые сети пока не измерены в рамках единого количественного эксперимента.

Исследователи допускают, что микроорганизмы могут перемещаться по подлёдной сети. Тогда отдельные озёра могли бы образовывать метасообщество, то есть совокупность локальных сообществ, связанных потоками воды и организмов. Но авторы работы 2025 года оставляют эту гипотезу для дальнейшей проверки. Исследование не измеряло поток клеток между озёрами и не определяло, какая доля живых организмов переживает путь до океана.

Насколько надёжен общий вывод

Для озера Уилланс свидетельства существования местного микробного сообщества достаточно сильны. Исследователи использовали чистое бурение горячей водой, контролировали пробы из буровой системы и лабораторные процедуры, сопоставляли разные типы образцов и обнаружили, что состав озёрной воды и осадка статистически отличается от контрольных проб. Они также нашли биогеохимические признаки возможной активности.

Для Мерсера вывод строится на нескольких видах данных. SALSA описал устройство доступа к озеру и возможные физические загрязнения при бурении. Геномное исследование 2025 года выявило разнообразное, в основном генетически обособленное сообщество в воде и осадках. Вместе эти работы подтверждают существование самостоятельной подлёдной микробной экосистемы. Однако переносить её состав на все предполагаемые антарктические озёра нельзя.

Остаются и более узкие ограничения. Обнаружение ДНК не доказывает жизнеспособность каждой клетки, а отношение рРНК к рДНК не даёт простой шкалы активности. Геномы отдельных клеток часто неполны. Модель осаждения частиц зависит от параметров, которые трудно измерить в толще воды глубиной 15 м подо льдом. Наконец, выход воды к океану сам по себе не доказывает, что вместе с ней переносится значительное количество живых клеток.

Наиболее осторожный вывод таков: микробные сообщества озёр Уилланс и Мерсер нельзя объяснить обычным загрязнением буровой системы. Они используют химические источники энергии и, вероятно, участвуют в превращениях углерода, азота, серы и железа. Физическая связь водоёмов с океаном для некоторых путей хорошо подтверждена, но интенсивность обмена организмами и его влияние на морские экосистемы ещё предстоит установить.

Источники

1. Achberger A. M. et al. Microbial Community Structure of Subglacial Lake Whillans, West Antarctica. Frontiers in Microbiology. 2016;7:1457. Рецензируемая статья, полный текст и PDF в PubMed Central. DOI: 10.3389/fmicb.2016.01457.
2. Priscu J. C. et al. Scientific access into Mercer Subglacial Lake: scientific objectives, drilling operations and initial observations. Annals of Glaciology. 2021;62(85–86):340–352. Рецензируемая статья, открытый полный текст и PDF Cambridge University Press. DOI: 10.1017/aog.2021.10.
3. Kim O.-S. et al. Genetic isolation and metabolic complexity of an Antarctic subglacial microbiome. Nature Communications. 2025;16:7501. Рецензируемая статья, открытый полный текст и PDF Nature. DOI: 10.1038/s41467-025-62753-3.
4. Christner B. C. et al. A microbial ecosystem beneath the West Antarctic ice sheet. Nature. 2014;512:310–313. Рецензируемая статья; страница издателя содержит аннотацию, данные о публикации и ссылки на материалы. DOI: 10.1038/nature13667.

Фото: Koen Swiers / Pexels